双孢蘑菇疣孢霉病早期高光谱图像鉴别

　　摘 要：双孢蘑菇疣孢霉病是由有害疣孢霉菌Mycogone perniciosa引起的、破坏性极强的真菌类病害，且该病害检测困难耗时，往往导致菇房绝收，菇农收益损失严重。早发现、早处理能够有效解决病害带来的经济损失和农药残留超标等质检问题。因此，本研究将能够快速无损检测的高光谱成像技术应用到双孢蘑菇病害早期鉴别。以双孢蘑菇菌Agaricus bisporus子实体为试材，对健康染病双孢蘑菇生长早期子实体样本采集菌盖的全波段(401～1046 nm)可见/近红外高光谱图像信息，利用多元散射校正(MSC)进行预处理，采用决策树(DT)提取特征波段，对比随机森林(RF)和极限学习机(ELM)两种模型对健康和染病双孢蘑菇鉴别准确度。利用DT选取401.00、951.59、978.09、1006.59和1044.90 nm为鉴别病害的特征波段。对比RF和ELM所建模型效果，得到MSCDTELM模型检测效果最优，测试集和预测集总体样本鉴别准确度分别为92.39%和91.32%。结果表明，该模型可以有效提高基于全波段的双孢蘑菇疣孢霉病早期的鉴别准确度，得到基于高光谱成像技术的便捷准确鉴别双孢蘑菇病害早期的模型，同时，为进一步开发双孢蘑菇病害早期的多光谱设备提供了理论依据和方法。

　　关键词：双孢蘑菇;高光谱成像技术;病害早期检测;鉴别

　　双孢蘑菇Agaricus bisporus，又称白蘑菇或纽扣蘑菇，是最常见的栽培蘑菇品种之一，目前在70多个国家进行商业化生产[1]。其肉质鲜美、营养丰富[2]，具有重要的经济价值，已在全国各地推广种植[3]。随着双孢蘑菇生产和栽培规模日益扩大，其病害的发生与危害也逐年加重，经济效益大幅下降，严重挫伤菇农生产积极性，成为制约双孢蘑菇产业持续发展的重要因素[4]。双孢蘑菇疣孢霉病，又称褐腐病、泡湿病，是一种土传真菌性病害，具有普遍性、强危害性，特别严重的得病菇房减产达50%～60%。其病原菌为有害疣孢霉Mycogoneperniciosa Magnus Delacr.，属于子囊菌门Ascomycota、粪壳菌纲Sordariomycetes、肉座菌目Hypocreales、肉座菌科Hypocreaceae、疣孢霉属Mycogone[5]。我国大部分人工栽培的双孢蘑菇对疣孢霉病高度敏感，且自抗性较差，至今尚未发现对疣孢霉病有免疫的菌株[6]。有害疣孢霉菌对双孢蘑菇子实体侵染的发病率，高于有害疣孢霉菌在覆土层中间侵染双孢蘑菇菌丝[7]。当双孢蘑菇菌丝逐渐扭结到产生菇蕾时，是该病原菌侵染的有利时机。双孢蘑菇被疣孢霉菌侵染后形成畸形病菇，染病双孢蘑菇布满菇房，健康双孢蘑菇被彻底侵蚀瓦解[8]。但，其具有传染性强、早期症状不明显、潜伏期长等特点，有经验的菇农最快也要在双孢蘑菇子实体小菇期后才能鉴别染病与否，或者采用内源转录间隔区(ITS)基因片段的聚合酶链式反应(PCR)鉴定[9]以及传统的柯赫氏法则[10]等有损耗时的检测方法。这些方法都需要对双孢蘑菇进行离体检测，耗时长，得到检测结果时，双孢蘑菇疣孢霉病已蔓延菇房，无法起到及时提醒菇农病害发生并采取措施阻止病害进一步扩散的目的。因此，需在病害发生的早期(小菇期之前)能够快速、无损地鉴别出染病双孢蘑菇，帮助菇农及时清除染病双孢蘑菇，及时止损，保证菇房健康双孢蘑菇的品质，极大降低病害发生时菇农的经济损失。

　　由于高光谱成像技术能够无损便捷识别农产品病害的特点，被广泛应用于农产品病害检测。例如，Tao等[11]用近红外高光谱成像仪，采集被黄曲霉真菌染病和健康的玉米粒在900～2 500 nm光谱范围的图像，利用随机蛙跳算法提取30、50和100个重要变量，分别建立偏最小二乘判别模型得到二分类预测的准确度为87.7%、93.8%和95.2%。Gao等[12]利用高光谱成像技术对赤霞珠葡萄的无症状葡萄卷叶病(GLD)和发病期葡萄卷叶病进行无损检测，分别在5个生长期采集叶片高光谱图像，为消除高光谱样本异常值，利用光谱归一化和蒙特卡洛算法对图像进行预处理，利用最小绝对收缩和选择算子对预处理后的数据进行特征波长提取，得到690、715、731、1409、1425和1582 nm是早期检测该病害的特征波段，用最小二乘支持向量机(LS-SVM)作为分类器得到准确率在66.67%～89.93%。表明，高光谱成像技术具有在无症状阶段无损检测农作物真菌病害的能力。

　　高光谱成像技术在食用菌病害检测中也被用于开发快速检测蘑菇病害的无损检测系统。例如，Bagnasco等[13]研究了高光谱成像技术结合主成分分析法检测健康和被嗜真菌感染的牛肝菌，采集样本在可见/近红外光谱区(400～1000 nm)的高光谱图像，采用标准正态变换法(SNV)对原始数据进行预处理，基于分数阈值的监督规则，分析了两种低阶主成分的分数图，结果表明该方法可以直接在测试样本的假彩色图像中显示被污染的样本点。但在利用高光谱成像技术对双孢蘑菇早期病害方面的研究较少，且针对双孢蘑菇病害的研究都在其子实体生长的中后期(小菇期之后)。Parrag等[14]采集感染蛛网病的采收期双孢蘑菇菌盖在900～1700 nm光谱范围内的高光谱图像，利用归一化算法(单个强度值减去整个光谱强度的平均值)和Savitzky-Golay平滑(多项式阶为3，窗口大小为9)对原始光谱进行预处理，在平均光谱中发现水峰附近(1200 nm和1450 nm)与健康双孢蘑菇菌盖的反射值有明显差异，利用支持向量机(SVM)成功分离出感染蛛网病的样本，正确率在80%以上，结果表明利用高光谱成像技术得出双孢蘑菇的含水率空间分布，可以用于检测双孢蘑菇的腐坏程度。

　　综上所述，在早期(小菇期之前)对双孢蘑菇疣孢霉病进行检测识别，能够及时发现染病双孢蘑菇阻止其继续侵害健康双孢蘑菇的同时，还能减少因发病早期症状不明显，无法及时确诊使菇农盲目采用大量化学农药处理，导致的农药超标、食品安全、土壤污染等问题。因此，本研究拟基于高光谱成像技术，建立双孢蘑菇疣孢霉病早期快速检测方法，为开发双孢蘑菇病害检测的快速便捷方法提供参考。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验材料

　　试验材料为福建省农业科学院食用菌研究所提供的双孢蘑菇菌种W192。将播种、装袋后的双孢蘑菇放入人工气候箱(MEC-350B-LED型，宁波普朗特仪器有限公司)中培养。

　　1.2 试验方法

　　1.2.1 双孢蘑菇的培养 设置人工气候箱温度22℃，相對湿度90%，无光照。培养期间每天早晚通风1 h。两周后，菌丝布满栽培料，进行覆土处理，高度约2.5 cm。此后，调整人工气候箱内的环境为温度20℃，湿度85%，无光照。覆土后7～10 d，菌丝长至2/3覆土层，调整人工气候箱内的环境为温度20℃，相对湿度90%，无光照。

　　1.2.2 双孢蘑菇染病与鉴定 有害疣孢霉菌My.p0012，由福建省农业科学院食用菌研究所提供。将有害疣孢霉菌在马铃薯葡萄糖琼脂培养基(PDA)上，于25℃恒温黑暗环境中培养7 d。于无菌操作台(SWCJ1FB型，苏州净化设备有限公司)内用超纯水将PDA培养基上的有害疣孢霉菌孢子洗下，制作成有害疣孢霉菌的孢子悬液。用血球计数板检查该孢子悬液，确定浓度为1.0×105个·mL-1。双孢蘑菇菌丝长至2/3覆土层时，将5 mL有害疣孢霉菌孢子悬液均匀喷洒在覆土层表面。将病菇上的褐色液滴和病菇切片分别在无菌台内，置于PDA平板培养基，于25℃黑暗环境中培养。5 d后，在显微镜下挑出菌丝并纯化，观察是否是有害疣孢霉菌。

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文章名称： 双孢蘑菇疣孢霉病早期高光谱图像鉴别

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