有人可能会说你生病时看起来有点绿。绿叶蔬菜实际上会变成紫色——虽然对人眼来说并不明显，但可以通过先进的高光谱成像看到(不同于某些蔬菜的紫色品种)。普渡大学的研究人员发现了受镉胁迫的羽衣甘蓝和罗勒的这种颜色变化，镉是一种对人类和动物健康有毒的重金属。

新的检测方法推进了创造一种土壤改良剂的工作，这种改良剂可以与金属结合并使其远离植物，从而提高农产品、婴儿食品和预制食品中的食品安全性。

“很难在植物中看到重金属压力，”领导这项研究的普渡大学园艺与景观建筑学教授 Lori Hoagland 说。“我们需要新的工具。如果我们能够在植物生长时快速看到它并准确测量它，我们将能够更好地开发能够隔离有害金属的土壤改良剂，并在污染到达我们的盘子之前识别它。我们的目标是能够让无人机飞越田野，检测镉、铅和砷对植物的压力。”

高光谱检测比传统的化学分析技术快得多。它也不需要破坏被分析的植物，从而能够通过植物发育的不同阶段研究植物和土壤改良剂。

“植物的镉污染被称为‘无声杀手’，因为我们看不到它，通常也不会对其进行测试，”领导普渡大学土壤微生物生态实验室的霍格兰说。“这些植物在暴露于高浓度镉时确实会受到影响，但它们不会枯萎、枯萎或死亡。它们看起来很好，除非镉含量超过屋顶。受污染的植物可以通过成熟和收获。”

镉用于电池，通常与用于肥料的磷酸盐结合。在世界各地，它和其他来自垃圾和污染的重金属渗入土壤并传播到附近的农作物吸收它们的农场。摄入高水平的镉会导致肾脏疾病、骨骼问题、癌症和其他健康问题。

“它天然存在于许多蔬菜中，浓度很低，但浓度升高可能是有害的，”她说。“我们特别需要将婴儿食品中的这些水平保持在较低水平，但这是整个食物链中一个日益严重的问题。”

Hoagland 与 Purdue 的 Ag Alumni Seed Phenotyping Facility 的一个团队合作，对数千种不同的波长进行分类，以查看哪些组合显示出表明金属对植物的压力的变化。然后，他们通过化学分析技术验证了该方法。

该表型分析设施配备了一套基于成像的高通量植物表型分析系统，这些系统在许多大学中都没有。表型是生物体的可观察到的特征，它源于其遗传密码及其与环境的相互作用。霍格兰说，研究人员才刚刚开始利用它的能力。

“我参加这项研究只是为了进行测试，不确定它是否适合我的研究，”她说。“我对它的强大功能以及它在短时间内生成的数据量感到惊讶。这些成像技术将帮助我们学习和回答许多科学问题。”

在受控环境的表型分析设施中，植物以研究人员选择的间隔通过传送带前往成像站。Hoagland 团队的研究结果表明，在相同土壤条件下，羽衣甘蓝的镉含量高于罗勒，但罗勒的镉胁迫症状更强。他们还发现，这些植物仅在早期发育中表现出镉胁迫。

“高光谱成像包括比我们可以看到的红色、绿色、蓝色或 RGB 色带更多的波段，”普渡大学数字表型组学主任杨洋说。“这项技术对我们肉眼无法察觉的植物内部变化非常敏感。”

该团队实施了一种机器学习算法来对数据进行排序和分类。

“通过我们的双高光谱相机，我们可以从植物的顶部和侧面实现全光谱光学传感，”杨说。“普渡大学的高光谱系统可用于扫描植物，从幼苗到 15 英尺长的玉米秆。这是我们第一次用它来寻找重金属的压力。这是一个令人兴奋的应用，也是一个新的跨学科挑战。”

该团队首先认为镉毒性压力对叶绿素产生水平的影响可能是一个指标，他们检查了绿光谱。由此产生的颜色变化非常微妙。霍格兰说，该团队通过植物和植物反射光谱中其他部分的其他压力相关变化取得了进展。他们发现由于压力反应导致的代谢物变化提供了更清晰的压力高光谱信号。

“观察这些次生代谢物会发出更强的信号，当用相应的花青素波长观察时，植物会出现明显的‘紫色’，”她说。“所以，如果绿色减少而紫色增加，我们就知道植物受到了压力。”

Hoagland 和她的团队评估了“植被指数”，这是来自不同波长的反射率的组合，已被确定为对不同植物特性进行高光谱分析的最佳选择。该团队发现花青素反射指数(ARI)是检测镉胁迫的最佳方法，他们为此开发了一个特定的植被指数比率方程。他们还开发了一种土壤改良剂，以降低植物吸收的镉水平。发表在《环境污染》杂志上的一篇论文详细介绍了这项工作。

“我一直在开发土壤改良剂以帮助补救环境污染，”霍格兰说。“这些修正是生物炭的不同混合物，其中包括有机材料废物和经过特殊处理的在高温下燃烧的木屑。这些可以结合重金属并减少与微生物过程相结合的吸收。诀窍是找到正确的原料配方和温度。”

她说，经过测试的配方略微降低了植物中的镉含量。一种解决方案可能是让农民简单地使用更多的修正案，但霍格兰计划继续调整和改进配方。

她还计划使用高光谱成像方法来寻找铅和砷的清晰信号。

“我是一名土壤微生物学家，所以我通常在泥土中，”霍格兰说。“成像技术更多地用于评估植物中的干旱反应或养分，而我的工作有所不同。这是该工具的新应用，也是工程师和科学家之间的良好合作。”

除了霍格兰和杨，普渡大学的研究人员玛丽亚泽亚，霍格兰实验室的研究生;Augusto Souza，表型设施的博士后研究员;Linda Lee，农学教授;和受控环境农业推广专家 Krishna Nemali;参与了该项目，并且是该论文的合著者。