远程控制病菌孢子捕捉仪对小麦气传病害的监测效果

姜玉英, 罗金燕, 罗德平, 曾 娟, 赵 康,路凤琴, 俞 懿, 张全力, 李金锁, 李惠明*

(1.全国农业技术推广服务中心,北京 100125;2.上海市农业技术推广服务中心,上海 201103;3.上海创塔电子科技有限公司,上海 201100;4.上海市浦东新区农产品安全检测中心,上海 201202;5.上海市闵行区农业技术推广服务中心,上海 201100;6.河北省辛集市植保植检站,辛集 052360;7.河南省南阳市植保植检站,南阳 473000)

远程控制病菌孢子捕捉仪对小麦气传病害的监测效果

姜玉英1, 罗金燕2, 罗德平3, 曾 娟1, 赵 康4,路凤琴5, 俞 懿2, 张全力6, 李金锁7, 李惠明2*

(1.全国农业技术推广服务中心,北京 100125;2.上海市农业技术推广服务中心,上海 201103;3.上海创塔电子科技有限公司,上海 201100;4.上海市浦东新区农产品安全检测中心,上海 201202;5.上海市闵行区农业技术推广服务中心,上海 201100;6.河北省辛集市植保植检站,辛集 052360;7.河南省南阳市植保植检站,南阳 473000)

应用最新研发的病菌孢子捕捉仪,在河南、河北4地进行了3年的小麦气传真菌病害孢子捕捉试验,实现了自动显微对焦成像、数字化图像的网络传输和异地诊断等远程控制功能,明确了捕捉病菌的优势种类、捕捉孢子数量消长动态,验证了设备性能稳定性和捕捉效率。试验表明,远程控制病菌孢子捕捉仪可监测到的主要病菌种类(小麦白粉菌、锈菌、叶枯菌)及其数量动态能反映当地病情,从而可为将来小麦气传真菌病害的自动化诊断和科学监测提供手段,提出了进一步完善设备的自动化识别和计数功能的建议。

远程控制; 小麦气传真菌病害; 孢子捕捉

1 材料和方法

1.1 供试设备功能与参数

远程控制病菌孢子捕捉仪(也称一体化智能孢子捕捉仪)由上海创塔电子科技有限公司生产,主要功能是通过网络实行远程遥控,进行病菌孢子定时捕捉、显微镜检图像的实时拍摄,并将图片传输至指定的网络(网址：http：∥112.65.239.89：8082/ Spore/)进行存储(机内本身也存储备份,防止网络传输故障和传输过程中数据丢失),再由用户下载数据或直接在网上查阅。

孢子捕捉仪的主要技术参数：捕捉口面积为110 mm2,采集空气流量为20 L/min,显微镜图片视野面积为0.178 mm2。对捕捉孢子玻片(前二年使用胶带、最后一年改为玻片)进行自动聚焦采集图像,选用放大400倍(物镜为20倍、显微变焦增倍2倍、加摄像CCD放大10倍),每天仪器定时进行吸气捕捉孢子30 min,再自动移动玻片到显微镜下进行孢子图像采集,设定取样为35个视野图像,其中选用30张清晰度高的记为有效图像。仪器有2种供电模式,即交流电供电和光伏太阳能蓄电池供电,蓄电池持续供电时间最长为7 d。

1.2 试验地点和时间

试验地点共4个,分别是河南省南阳市(南阳市植保植检站试验田)、平舆县(杨埠镇)、鹤壁市(市农业气象测试站试验田)和河北省辛集市(马兰农场),设备放置于麦田较为平坦处,捕捉口在小麦冠层上20 cm处。试验时间：2011年为4月10日至5月25日,2012年为4月1日至5月31日,2013年为3月23日至6月13日(实际计数日期自4月1日至5月28日);每天10：00开机,10：30关机。试验期内每天通过网络远程图片传输和孢子种类识别,并分类记载每天捕捉的各种孢子的诱捕数量(即每天有效图片的累计孢子捕捉量)。

2 结果

2.1 设备性能稳定性和捕捉效率

3年4点设备累计运行天数、采集图片和有效图片数量及孢子捕捉量等结果见表1。4个试验点2011年、2012年和2013年累计运行天数分别为138、212和320 d。2011年、2012年和2013年采集图片累计数分别为3 520、5 477、7 693张,其中设备自动对焦成功、能较清晰辨认孢子的有效图片分别为718、972、3 835张,有效图片采集率分别为20.4%、17.7%、49.9%。各点有效图片采集率结果,2012年为9.9%～25.5%,2013年4点均在40%以上。2011年、2012年和2013年捕获的病菌孢子总量分别为1 632、4 958、15 864个,平均每张有效图片的捕捉孢子量分别为2.3、5.1、4.1个,孢子捕捉量的多少除与设备性能有关外,还与病情发生程度有关。由此可见,3年中经过不断的技术改进和升级,远程控制病菌孢子捕捉仪对病菌孢子的捕捉效果和效率逐年提高,并趋于稳定。

表1 2011-2013年设备采集图片情况Table 1 The picture and spore number caught by the equipment in 2011-2013

2.2 捕捉病菌种类及其比率

2011年、2012年4个试验点共采集病菌孢子分别为1 632个和4 958个,病菌孢子主要种类有小麦白粉病菌(Blumeria graminis f.sp.tritici)分生孢子、小麦叶(条)锈病菌(多数为叶锈菌Puccinia triticina;少数为条锈菌P.striiformis f.sp.tritici)夏孢子或冬孢子、小麦叶枯病菌交链孢(Alternaria tenuissima),以及其他因图片分辨率较低而无法鉴定的病菌孢子。2013年4点采集病菌孢子总量为15 864个,由于设备对焦精度提高,分辨率得到改良,当年对捕捉的病菌孢子作了进一步分类细化,除前2年的病菌种类外,还可识别出小麦叶枯病菌的壳二孢(Ascochyta spp.)、平脐蠕孢(Bipolaris sorokiniana)和壳针孢(Septoria tritici)、小麦霜霉病菌(Sclerophthora macrospora)孢子囊(图1)和赤霉病菌(Fusarium graminearum)分生孢子。

小麦叶枯病菌交链孢、白粉病菌分生孢子、锈病菌夏孢子和其他病菌孢子比率,2011年分别为41.7%、26.3%、16.9%和15.1%,2012年分别为40.4%、11.9%、32.5%和15.2%;2013年小麦叶枯病菌、白粉病菌分生孢子、锈病菌夏孢子、霜霉病菌孢子囊、赤霉病菌分生孢子比率分别为79.3%、14.6%、5.6%、0.3%、0.2%,其中小麦叶枯病菌中,交链孢、壳二孢、平脐蠕孢和壳针孢的比率分别为22.1%、40.0%、17.1%和0.1%。年度间各种病菌孢子比率有差异,但同一年4地各种病菌位次一致,4个试验点3年优势种都是叶枯病菌,2011年和2013年位居第2位的为白粉病菌分生孢子,锈病菌夏孢子位居第3,而2012年锈病菌夏孢子位居第2,第3位是白粉病菌分生孢子(表2、表3)。

图1 河南南阳2013年5月20日捕捉病菌图像和孢子种类Fig.1 The picture of spore species caught by the equipment in Nanyang,Henan on May 20,2013

2.3 捕捉孢子数量和消长动态

以2013年设备性能稳定后监测的小麦白粉病病菌孢子数量(表3)和动态曲线(图2)为例,河南南部南阳和平舆孢子数量明显高于河南北部的鹤壁和河北辛集,河南鹤壁和河北辛集监测的孢子总量仅为河南南阳数量的19.9%和43.1%。河南南阳分别于4月10日、4月19日、5月5日和5月8日监测到孢子数量超过30个,峰值高、峰次多、时间长;河南平舆分别于4月5日和7日、4月22日和27日有20个或以上的孢子量;河北辛集孢子数量最高为16个和18个,出现日期为4月16日和4月18日;而河南鹤壁孢子数量最高分别出现在4月10日和4月19日、数量仅为10个和11个。

表2 2011-2012年设备采集病菌孢子种类和数量Table 2 The spore species and number caught by the equipment in 2011-2012

表3 2013年设备采集病菌孢子种类和数量Table 3 The spore species and number caught by the equipment in 2013

统计4地2013年小麦锈病菌夏孢子捕捉数量(表3)和动态情况(图3),其中捕捉量最高的河南南阳4月6日至5月2日有9 d孢子数量为12～16个,其他3点孢子数量在10个以下。

2011-2013年4个试验点小麦叶枯病菌孢子捕捉量最大,其中,2013年河南南阳、平舆、鹤壁和河北辛集所占比率分别为66.4%、76.8%、88.9%和87.4%。从捕获孢子数量动态(图4)看,5月7-20日为捕获高峰期,河北辛集单日孢子最大捕获量达347个,河南平舆为151个,鹤壁和南阳分别为138个和135个。

2013年4个试验点中,河南南阳4月7日至5月14日捕获到赤霉病菌分生孢子23个、4月3日至5月16日捕获霜霉病菌孢子囊47个,平舆仅4月25日和5月3日分别捕获到赤霉病菌分生孢子各1个,河北辛集4月17日至5月6日共捕获霜霉病菌孢子囊6个。

图2 2013年4点逐日捕捉小麦白粉病菌分生孢子数量Fig.2 Conidium number of Blumeria graminis f.sp. tritici caught by the equipment in 2013

图3 2013年4点逐日捕捉小麦锈病菌夏孢子数量Fig.3 The uredospore number of Puccinia triticina and P.striiformis f.sp.tritici caught by the equipment in 2013

图4 2013年4点逐日捕捉小麦叶枯病菌孢子数量Fig.4 The spore number of wheat leaf blight caught by the equipment in 2013

3 结论与分析

3.1 捕捉病菌图片清晰,孢子种类可辨

4个试验点位于我国冬小麦主产区的黄淮海地区,常年发生的气传性病害有白粉病、锈病、赤霉病等,这些病害在空中的病菌孢子利用远程控制孢子捕捉仪均可捕捉到,并且图片中的病菌孢子清晰,种类可辨。由于是数字化图片,可在计算机中利用常用图形软件进行大小或明暗的处理,孢子类别更易识别。与常规的应用田间玻片进行显微镜检相比,除省去了每天去田间回收、放置玻片的工时、交通路程费用外,由于采用了图像数据、便于数字化保存与识别计数的无差别回看、可复查性,而普通显微镜下的检查结果,无法实现原玻片的重复核对。

3.2 孢子能反映小麦气传真菌病害孢子的优势种类和数量动态

4个试验点捕捉病菌数量能反映出不同地区之间不同的优势种群,在正常气候条件下可反映其病害发生情况。以小麦白粉病为例,河南南部南阳和平舆与河南北部的鹤壁和河北辛集比较,前两地捕捉孢子数量高、峰次多、时间长,以河南南阳病情最重,虽然平舆与南阳在同纬度上,两地相距近200 km,地理上的小气候有差别,2013年平舆发病率比南阳地区略轻,发病进程也比较平缓,河南鹤壁孢子捕捉量最少,发病也是4个点中最轻的。从发病时间上看,小麦白粉病菌孢子捕获高峰在4月中旬和5月上旬,以河南南阳峰值出现最早。在捕获的病菌种类中,小麦叶枯病菌数量在3年中均是最高的,是小麦叶枯病在当地发生较重的验证。2013年河南南阳、平舆、鹤壁和河北辛集叶枯病菌孢子所占比率分别为66.4%、76.8%、88.9%和87.4%,病菌的数量说明了小麦叶枯病的发生程度远比白粉病、锈病和赤霉病重;捕获病菌高峰期出现在5月上中旬,晚于小麦白粉病菌、锈病菌和赤霉病菌。

除病原菌数量外,病害发生程度和范围还由当地降水和温度等气候条件及作物生育期所决定,因此病菌数量与最终病情不是简单的直线相关,在监测到病菌孢子的前提下,还应结合气候和作物生长情况进行预报的分析和判断。

3.3 设备为作物真菌病害的自动化诊断和科学预报提供了手段

病菌种类的准确判别,可更准确地进行病害种类的诊断,如4个试验点观察到大量的叶枯病菌,叶枯病菌除引起小麦叶片、叶鞘症状外,也会产生穗腐症状,由于症状与赤霉病很相似,生产上常误认为是赤霉病。而赤霉病的发病条件是在小麦抽穗扬花期遇雨,防治适期主要也在抽穗扬花期,叶枯病的发病条件与赤霉病差别很大,降雨频繁、气候温和条件下,全生育期均可发病。病害种类诊断上的误判,不仅增加防治成本,且因错失防治适期,从而导致病害危害加重。

一些重要的异地病源传播病害(如小麦条锈病),监测到病菌孢子的有无和早晚,是进行早期预报的重要依据,据此再结合气候和作物生育期等条件准确做出病害发生趋势预报,从而指导进行早期预防和控制。当地病源的病害,同样可依据菌源量的多少作为判断病害流行程度的重要指标,依此进行有效的防治。如2013年河南南阳4月6日、5月2日为小麦锈病夏孢子捕获高峰期,实地调查证实也是当地锈病发生盛期,由于当地采取了有效防治措施,病害得到及时控制,随后捕获的病菌孢子数量明显减少。而常规测报上通过人工目测调查,田间见病征和病状时,病情往往已发展到一定程度和范围,需花费较大成本进行防治。而通过病菌的早期监测,在时间上争取了主动,且早期预防和控制对病害防治效果最好,可达到节本增效的目的。此设备目前可附带温度、湿度、光照和风向等气象指标及视频监测设施,扩展了设备应用范围,可依据连续几年监测的病菌孢子捕捉量、气象指标数值,建立病害发生预报模型,做出关键生育期的预测预报。

4 问题讨论与展望

4.1 病菌孢子的多态现象

在应用病菌孢子捕捉仪进行病害预测时,除重视教科书上介绍的各种病原物的标准形态特征外,更要清醒地认识到病原菌孢子是一种生物,除本身发育造成的形态变异外,由于外界因子的影响,也会发生形态变异与部分残缺(图1中就有很多变形的孢子形态)。根据多年的观察和研究经验,形态变异来自三方面的因素：(1)最常见的是孢子的发育进程不一所表现出的形态变化,及发病中后期孢子堆过度拥挤产生的孢子外形异化,如小麦白粉病常见有非椭圆形的分生孢子、叶枯病交链孢串生或菌丝连接不成熟的孢子等,壳二孢的成熟孢子与生长中的孢子大小会有2～4倍的差别等;(2)气候因素,由于大风可将病原物吹散、暴雨可将未成熟的病原物冲散,造成不成熟的病原体出现在观察的视野中,最常见是孢子的分隔不全或多核形态,白粉病分生孢子在雨天吸水后易破裂、在连续晴天时孢子会发生干瘪,在湿度高的条件下,许多病菌孢子在空中已经形成发芽状态或带有很长的菌丝等。仪器的吸力(相当于暴风)也可将成熟的孢子囊吸打在玻片上形成破碎的形态。(3)防治药剂的影响,目前生产上大多推广应用广谱、内吸的杀菌剂,其杀菌原理是致畸、致残,导致病原菌形态变异,常造成识别时困惑、误判、误统计等。

4.2 不同病菌的孢子同态现象

还有一个在业内经常造成争论的问题,即一些病原物是多寄主,因而在田间环境中广泛存在,如交链孢和镰刀菌;又如小麦病害中的小麦叶枯病及小麦赤霉病的病原与同属病原菌比较相似。同时,一种病害的症状,可由多种病原造成,如小麦叶枯病可由3种病原造成,而在穗腐上又与赤霉病相类同,目前在镜检图像识别中还无法解决每一个捕捉到的同类孢子就是这种病害的病原。因此对应用仪器的用户来讲,刚开始的几年还不能完全忽视田间病害实际发生情况的验证与复查,找出孢子高峰期与田间发病期的关系,进行捕捉的孢子量与田间发病轻重相关性的研究。为此,2014版仪器进行了新的改进,玻片上标注捕捉日期的识别码,方便用户人工挑取相对应的病原物进行培养分析,提高对病原识别的准确性。

4.3 完善设备的自动化识别计数功能

远程控制病菌孢子捕捉仪经过3年的试用和改进,实用性和可靠性有了很大的提升,图像较为清晰,技术手段可行,可以作为一种测报设备应用于气传真菌病害的预测预报。试运行期间,实施了观察点病菌孢子量的自动采集、网络传输,从而实现了病菌孢子图像的远程识别和诊断。测报数据达到了高效、快速、无失真的保存,与常规的病菌孢子捕捉仪相比,可以保留原始的测报信息,实施重现和复查。但目前传回的病菌图像仍需进行人工种类识别和计数,要求较高技能的专业人员花费较多的时间才能完成,设备的普及应用将受限制。为进一步提高设备的实用性,应开展病菌孢子种类的自动识别和计数软件系统,并通过广泛试用提高识别和计数准确性,最终实现病害监测设备的自动化和智能化,推动病害测报技术进步。

[1] 张跃进,王建强,姜玉英,等.农作物有害生物测报技术手册[M].北京：中国农业出版社,2006：14.

[2] 曾娟,姜玉英.2012年我国小麦赤霉病暴发原因及持续监控与治理对策[J].中国植保导刊,2013,33(4)：38-41.

[3] 曹学仁,周益林,段霞瑜.定容式孢子捕捉器在植物病害流行学研究中的应用[C]//中国植物病理学会2008年学术年会论文集.2008：500-503.

[4] 周益林,段霞瑜,程登发.利用移动式孢子捕捉器捕获的孢子量估计小麦白粉病田间病情[J].植物病理学报,2007,37(3)：307-309.

[5] 罗德平.一种智能孢子捕捉装置：中国,ZL2010 1 0178307.2 [P].2013-01-09.

[6] 罗德平.一种孢子监测预警装置：中国,ZL2013 2 0242137.9 [P].2013-10-30.

(责任编辑：王 音)

Monitoring effect of remote-controlled spore trap on wheat aero-borne diseases

Jiang Yuying1, Luo Jinyan2, Luo Deping3, Zeng Juan1, Zhao Kang4, Lu Fengqin5, Yu Yi2, Zhang Quanli6, Li Jinsuo7, Li Huiming2

(1.National Agro-Technical Extension and Service Centre,Beijing 100125,China;2.Shanghai Agro-Technical Extension and Service Centre,Shanghai 201103,China;3.Shanghai Chuangta Electronic Technology Co.,Ltd,Shanghai 201100, China;4.Agricultural Product Safety Testing Centre of Pudong New District in Shanghai,Shanghai 201202,China; 5.Agro-Technical Extension and Service Centre of Minhang District in Shanghai,Shanghai 201100,China; 6.Plant Protection and Quarantine Station of Xinji in Hebei Province,Xinji 052360,China;7.Plant Protection and Quarantine Station of Nanyang in Henan Province,Nanyang 473000,China)

Applying latest-developed spore trap,we have conducted spore catching tests on wheat aero-borne diseases in 4 sites in Hebei and Henan provinces for 3 years.We proved that this spore trap had multiple remote-controlled functions,such as auto-focus in microscope,network transmission and remote diagnose of digital images,in a stable and efficient condition.The monitoring data of this spore trap showed that the aero-borne spore dynamics of main diseases[such as Blumeria graminis f.sp.tritici,Puccinia triticina Eriks.,P.striiformis West.f.sp. tritici Eriks.et Henn.,Alternaria tenuissima(Fr.)Wiltshire]were in accordance with local diseases epidemic. This equipment would enrich automatic monitoring methods on wheat aero-borne fungal diseases if the auto-diagnose and auto-counting function had been optimized.

remote-controlled; wheat aero-borne fungi disease; spore catching

S 435.121.4

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2015.06.030

病菌孢子的早期捕捉和计数是预测气传性病害发生期和发生程度的重要依据。近年来通过国家“植保工程”项目等在农作物病虫测报区域站配备了常规孢子捕捉仪,由于需每天人工放取玻片、室内显微识

2015-01-12

2015-02-16

公益性行业(气象)科研专项(GYHY201006026);科技部农村科技司农业科技成果转化资金项目(2013GB2C000162);上海市农委生态农业关键技术的研究攻关项目(沪农科攻字2013第5-3号)

*通信作者 E-mail：shzblhm@163.com别计数[1],费工费时、专业性强,且人为误差大,导致孢子捕捉仪利用率普遍不高,也影响了病害预报的质量和水平,由此造成错失防治适期,导致病害危害严重[2]。针对此现状和问题,对目前应用最多的、能实现对病原菌数量连续监测的定容式孢子捕捉器[3-4]进行了改进,罗德平设计出的一体化智能孢子捕捉装置[5](一种孢子监测预警装置[6]),可远程遥控捕捉病菌孢子工作时间、自动显微对焦拍取图像,可经网络传输图片,室内对图片中的病菌孢子进行种类识别和计数,不必每天下地取片,田间显微拍照替代室内显微镜下识别和计数过程。为验证设备性能稳定性和捕捉效率,2011-2013年在河北、河南4个试验点进行了监测小麦气传真菌病害的试验,3年间通过试用、改进和完善,设备图片病菌孢子图像清晰、种类可辨,能反映小麦气传真菌病害孢子的优势种类和数量动态,设备为病害的自动化诊断和及时有效监测提供了有效手段。