基于挥发性有机物与热休克蛋白基因表达检测新型林木病害的研究进展
欧洲白蜡枯梢病由外来入侵真菌Hymenoscyphus fraxineus引发，常伴随蜜环菌Armillaria gallica复合侵染根系，是欧洲林业重大灾害。苗圃中农药、水肥会掩盖植株染病症状，传统检测手段存在取样损伤、检测周期长、无法地下无损筛查等短板。本研究采用Airsense便携式电子鼻，依托植株受胁迫释放的挥发性有机物（VOCs）实现白蜡幼苗病害快速无损识别，结合机器学习与主成分分析解析传感器气味特征；同时搭配热休克蛋白（Hsps）基因表达结果佐证植株胁迫状态。
研究证实，Airsense电子鼻可高效区分健康隔离幼苗与林间真菌胁迫染病苗木，是林业苗圃大批量苗木预检、地下根系腐烂隐患筛查的新型工具。
试验植株与分组
试验选用 48 株 3 年生欧洲白蜡实生苗，设置 5 个处理组别，形成健康、单一病菌、复合病菌、药剂诱导抗性多梯度胁迫样本：
隔离对照组（I）：温室独立培育，隔绝林间枯梢菌孢子，无任何真菌接种与药剂处理，为健康样本；
空白染病组（C）：放置于成熟白蜡林冠下，自然接收H. fraxineus孢子侵染，不施加其他处理；
药剂处理组（A）：林间自然感染枯梢菌，喷施 0.6% 磷酸铵 Actifos 诱导植株抗性；
根腐侵染组（G）：林间自然染枯梢菌，利用带蜜环菌榛木段人工接种根系，形成枝梢 + 根系复合病害；
药剂 + 根腐复合组（AG）：同时喷施 Actifos 与人工接种蜜环菌。
试验结束后通过 PCR 技术验证各组真菌侵染成功，统计枯死枝条数量与根系干生物量，确认胁迫梯度差异，为电子鼻气味检测提供表型对照基础。
Airsense便携式电子鼻
使用Airsense便携式电子鼻，采集各组根系、根际土壤顶空气体，采集前预热 10min，单次检测 120s；提取响应曲线特征值（积分面积、峰值、 10s 瞬时信号、统计矩等），采用主成分分析 PCA、逻辑回归机器学习分类模型解析气味差异。
核心实验结果
01、样本基质检测效果差异
对比根系、根际土壤两类检测基质，根际土壤气味受土壤有机质、微生物杂菌干扰严重，所有二元分类模型准确率均接近随机水平，无病害区分价值；而根系组织释放的 VOC 直接反映植株受真菌侵染的生理胁迫状态，可稳定区分健康苗与染病苗，后续分析均以根系检测数据为核心。
02、核心识别传感器与优检测时段
箱线图与特征筛选算法共同证实，W1W、W2W、W5S三类传感器为病害区分核心通道：W1W、W2W 对植株受胁迫释放的萜类、含硫挥发物敏感，W5S 响应病菌代谢产生的氮氧化物，三类传感器信号承载绝大多数病害识别信息，仅使用三类传感器数据不会降低模型分类精度。
同时研究发现，传感器接触样本气体10秒前瞬时响应信号区分能力强，优于完整 120 s 曲线积分、峰值等全局特征，是简化检测流程、提升识别效率的关键指标。
03、机器学习分类准确率结果
健康隔离苗（I）与所有林间胁迫染病组（A/C/G/AG）二元区分效果优，分类准确率稳定在 74%~78%，PCA 降维可视化中健康样本与染病样本形成独立聚类，边界清晰。
药剂处理会改变植株 VOC 释放特征，Actifos 诱导植株产生防御性次生代谢物，改变传感器响应模式，对分类模型造成轻微干扰。
04、电子鼻检测与分子胁迫标记的印证关系
同步开展的热休克蛋白基因表达试验显示，蜜环菌侵染、药剂处理均会显著上调 Hsp17、Hsp70、Hsp90 及调控因子 Hstf 基因表达，证明染病苗木持续处于生物胁迫状态，从分子层面解释了Airsense便携式电子鼻可捕捉气味差异的生理基础。
结论
本研究证明Airsense便携式电子鼻核心应用价值为苗圃健康白蜡幼苗批量初筛，是现有技术中可实现根系腐烂无损探查的设备：
无损检测：无需挖根、剪枝，不损伤待移栽幼苗，适合大批量育苗分选，从源头阻断无症状病苗流入林地；
检测快速便携：野外温室均可现场检测，无需实验室前处理，对比 PCR、GC-MS 大幅缩短检测周期；
低成本批量筛查：可快速完成上千株苗木预检，淘汰肉眼无法识别的潜隐期带病幼苗，降低后期林地病害治理、树木倒伏处置的高额成本。
在城市绿化领域，Airsense便携式电子鼻可在不破坏行道树根系的前提下，预判地下蜜环菌根腐风险，提前移除倒伏隐患树木，保障居民人身与财产安全。
更新时间：2026-08-06
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