物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測和宏基因組分析對(duì)魔芋軟腐病進(jìn)行預(yù)警

晏國瓊，齊紅娟

（富源縣后所鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村綜合服務(wù)中心，云南 曲靖 655501）

在魔芋生長過程中，通過土壤物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)和土壤宏基因組技術(shù)對(duì)魔芋根際土壤溫濕度、pH值、土壤微生物的連續(xù)變化過程進(jìn)行監(jiān)測分析，以魔芋及其軟腐病病原菌適生溫度、適生濕度、適生pH為分析依據(jù)，研究魔芋軟腐病發(fā)病過程中溫濕度、pH值、根際土壤微生物與魔芋軟腐病發(fā)病過程的相互關(guān)系。

1 研究目標(biāo)

針對(duì)魔芋軟腐病發(fā)病過程，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測魔芋根際土壤溫濕度、pH值，結(jié)合土壤宏基因組測序數(shù)據(jù)分析。建立魔芋軟腐病與魔芋根際微生物及其根際微生境中環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)分析方法，通過此方法研究魔芋軟腐病的動(dòng)態(tài)變化過程，以期為魔芋軟腐病研究和防治提供新思路和有效的科學(xué)決策依據(jù)。

2 研究內(nèi)容

2.1 魔芋根際土壤溫濕度、pH值的獲取

2.1.1 魔芋監(jiān)測樣地的選取

魔芋軟腐病多集中爆發(fā)于連作耕地中，因此本項(xiàng)目依據(jù)這一特性在區(qū)位、海拔、水熱等條件基本一致的條件下選取實(shí)驗(yàn)樣地設(shè)置對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組。樣地實(shí)際設(shè)置時(shí)需考慮軟腐病在相鄰地塊間的相互傳播感染問題，故樣地設(shè)置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)樣地設(shè)置

2.1.2 監(jiān)測點(diǎn)的選取

傳感器點(diǎn)位布置時(shí)需綜合考慮魔芋種植試驗(yàn)樣地的具體地形和魔芋種植分布情況。在樣地中以組為單位布置傳感器（每組傳感器包含完整的土壤溫濕度、pH值監(jiān)測功能），以確保采集數(shù)據(jù)具有客觀性和廣泛代表性。傳感器在魔芋種植樣地中的布置如圖2所示。

圖2 樣地中監(jiān)測點(diǎn)的布置

2.1.3 土壤傳感器的位置

本項(xiàng)目主要監(jiān)測土壤根際微生境中溫濕度、pH值。從魔芋根系發(fā)育空間角度來看，這些數(shù)據(jù)都來自于較小空間內(nèi)，因此對(duì)傳感器部署位置具有較高要求。根據(jù)魔芋種植規(guī)范設(shè)計(jì)的傳感器布置方案如圖3所示。

圖3 土壤監(jiān)測傳感器布置方案

在不損傷魔芋根系影響其正常生長的情況下，傳感器布置時(shí)盡量靠近魔芋植株布置。

2.2 根際土壤微生物宏基組分析

2.2.1 土壤樣品的選擇

由于土壤宏基因組測序費(fèi)用較高，本項(xiàng)目進(jìn)行宏基因組測序時(shí)無法以多次連續(xù)采集分析的形式進(jìn)行。因此我們根據(jù)以往研究者對(duì)魔芋軟腐病非發(fā)病期和集中爆發(fā)期時(shí)間的研究為基準(zhǔn)，結(jié)合土壤傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，在非發(fā)病期和集中爆發(fā)期兩個(gè)時(shí)間段中選取土壤樣本（樣本采集深度為地表下10～20cm處）進(jìn)行宏基因組測序，土壤樣品選擇思路如圖4所示。

圖4 土壤樣本采集思路

2.2.2 宏基因組測序數(shù)據(jù)的處理

土壤樣品采集完成后，由專業(yè)公司完成宏基組測序分析工作后反饋原始數(shù)據(jù)。借助生物信息綜合數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，對(duì)宏基因組原始數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的整理分類和存儲(chǔ)。宏基因組測序數(shù)據(jù)分析思路如圖5所示。

圖5 宏基因組測序數(shù)據(jù)分析流程

2.3 魔芋軟腐病發(fā)病過程與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析

將土壤溫濕度、pH值、宏基因組測序數(shù)據(jù)，按時(shí)間特征同軟腐病發(fā)病過程關(guān)聯(lián)，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘方法研究魔芋軟腐病發(fā)病過程中溫濕度、pH值、土壤微生物種類的變化過程，挖掘其中典型特征和相關(guān)規(guī)律。具體分析思路如圖6所示。

圖6 魔芋軟腐病發(fā)病數(shù)據(jù)分析過程

3 項(xiàng)目擬研究的關(guān)鍵科學(xué)問題

土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)和宏基因組測序數(shù)據(jù)，二者結(jié)構(gòu)、屬性均不相同，且土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)具有動(dòng)態(tài)連續(xù)性。如何將它們與魔芋生長過程關(guān)聯(lián)分析，用于說明魔芋軟腐病的動(dòng)態(tài)變化過程是本項(xiàng)目研究的關(guān)鍵科學(xué)問題。

4 技術(shù)指標(biāo)

在本項(xiàng)目中需要完成的技術(shù)指標(biāo)：

（1）建立一個(gè)魔芋根際土壤溫濕度、pH值數(shù)據(jù)庫。

（2）建立一個(gè)不同時(shí)期魔芋根際土壤宏基因組測序分析數(shù)據(jù)庫。

（3）尋找1～2套適用于土壤宏基因組測序數(shù)據(jù)和溫濕度、pH值關(guān)聯(lián)的算法。

（4）通過魔芋軟腐病發(fā)病過程數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析，建立一套相關(guān)分析方法流程。

5 研究過程中的技術(shù)難點(diǎn)

本項(xiàng)目綜合應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)、土壤宏基因組分析技術(shù)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)和動(dòng)態(tài)連續(xù)的特性，因此技術(shù)難點(diǎn)多集中于數(shù)據(jù)分析關(guān)聯(lián)過程中，具體問題如下：

（1）土壤宏基因組數(shù)據(jù)與土壤溫濕度、pH值如何關(guān)聯(lián)分析。

（2）如何從關(guān)聯(lián)分析結(jié)果中尋找用于刻畫魔芋軟腐病變化過程的關(guān)鍵臨界值。

6 市場需求

該項(xiàng)目可以推廣到高原特色農(nóng)作物的種植監(jiān)測，主要可以解決：病蟲害的監(jiān)測和預(yù)警；指導(dǎo)科學(xué)種植（合理施肥、合理澆灌、合理管理、增加產(chǎn)量）；高價(jià)值農(nóng)作物的防盜、防破壞等監(jiān)測等問題。