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为解决现有数字颜色指数难以同时监测绿叶和富含 Anth 作物的问题，纽卡斯尔大学研究人员开展相关研究，得出 TREx 指数能可靠监测两类作物的结果。该研究成果意义重大，强烈推荐科研读者阅读，助您了解作物监测新进展。
在过去的十年里，人们对食物的关注点发生了有趣的变化，从单纯追求 “食物数量” 逐渐转向注重 “食物质量”。这种转变使得叶菜类蔬菜的种植备受关注，大家都想扩大和改善它们的生产。其中，富含花青素（Anth）的叶菜更是因为其具有高抗氧化活性和众多潜在的健康益处，吸引了众多研究者的目光。然而，种植这些 “红叶” 蔬菜的过程中，出现了一个棘手的问题：如何有效地监测它们的健康和生理状态呢？
一直以来，叶片叶绿素（Chl）含量都是评估植物健康和生理状态的重要指标，它与植物氮含量密切相关，还直接影响着光合作用。过去，人们常使用手持叶绿素仪来进行非侵入性的作物监测，但这个方法有不少缺点。它需要手动测量每一片叶子，不仅速度慢，还特别耗费人力。而且，由于叶片内色素分布存在局部差异，从单点测量得出的结论往往带有主观性。
为了解决这些问题，各种机器视觉技术应运而生，其中 RGB（红、绿、蓝）相机因其与植物健康、叶绿素含量和叶片颜色之间的协同关系，在作物监测中得到了广泛应用。不过，现有的用于作物监测的数字颜色指数大多是基于绿叶植物开发的，对于富含花青素的红叶植物并不适用。目前的研究要么主要关注绿叶植物叶绿素和类胡萝卜素（Car）的含量，要么侧重于估计红叶植物的花青素含量，很少有研究能同时适用于绿叶植物和富含花青素的植物。
为了填补这一空白，纽卡斯尔大学的研究人员在《BMC Plant Biology》期刊上发表了一篇名为《Development of a universal digital color index for non-invasive monitoring of green-leaved and anthocyanin-rich crops》的论文。他们通过研究，得出了一个重要结论：开发出了一种名为 Two-fold Red Excess（TREx）的通用数字颜色指数，它可以作为手持叶绿素仪的可靠替代方法，用于快速高通量监测绿叶和红叶作物。这一成果意义重大，为作物监测提供了新的有效手段，有助于推动农业生产的发展。
在这项研究中，研究人员用到了几个主要关键的技术方法。首先是植物培养与样本采集技术，他们挑选了六种不同花青素含量的叶菜，将其幼苗种植在特定环境中，等幼苗长到一定阶段，采集了 320 个叶片样本。接着是图像采集技术，使用定制的成像装置和智能手机相机，在固定条件下拍摄叶片样本图像。然后是色素含量测定技术，通过分光光度法分别测定叶片中的叶绿素、类胡萝卜素和花青素含量。最后是数据分析技术，运用统计分析方法评估不同植物间色素含量的差异，还进行曲线拟合获得回归趋势等。
下面我们来看看具体的研究结果。
- 色素含量和 SPAD 读数：研究人员对六种叶菜的色素含量进行了测定，发现叶绿素和类胡萝卜素含量在各类叶菜中比较相近，而花青素含量差异显著。比如，高花青素（HA）的紫色罗勒和红白菜，花青素含量较高；低花青素（LA）的希腊罗勒、绿白菜和芝麻菜，花青素含量较低。同时，他们将叶绿素含量与 SPAD 读数进行对比，发现两者之间存在很强的非线性相关性。而叶绿素和类胡萝卜素含量之间呈现出强线性关系，不过花青素和叶绿素含量之间并没有明显的相关性。这就像是发现了植物色素世界里的一些有趣规律，为后续研究奠定了基础。
- Anth/Chl 比例对颜色叶型的影响：研究人员进一步探究了 Anth/Chl 比例对叶片颜色的影响。他们发现，代表绿红平衡的 G/R、GMR 和 AGRI 这三个指数与 Anth/Chl 比例有很强的相关性。随着 Anth/Chl 比例的增加，这三个指数的值会快速下降，当 Anth/Chl≈0.2 时，出现了一个转折点。此外，他们还发现，在单个颜色特征中，色调（H）和红绿色度（a*）受 Anth/Chl 比例的影响较大，而红色（R）受其影响最小。这表明虽然花青素的增加会改变叶片的颜色平衡，但叶片的红色在很大程度上不受影响，这一发现为后续研究提供了重要线索。
- SPAD 读数与颜色特征和指数的相关性：研究人员把各种颜色指数和特征与 SPAD 读数进行绘图分析，发现大多数指数和特征在高花青素样本与中、低花青素样本之间存在明显差异。在之前报道的指数中，只有少数几个与 SPAD 有较好的相关性。而新提出的 TREx 指数表现最为突出，它与 SPAD 读数的相关性高达R2 = 0.855，并且不会因为花青素的存在而产生偏差，数据点分布也很均匀。这就像是在众多颜色指数中找到了一颗 “明星”，它能更准确地反映植物的生理状态。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，不同的色素组合会让叶片呈现出不同的颜色。在自然环境中，叶片的颜色变化与叶绿素、花青素和类胡萝卜素的含量密切相关。虽然以往的研究发现叶绿素和类胡萝卜素含量之间存在协同关系，但在这项研究中，由于高花青素含量的影响，这种关系变得不明显了。研究还发现，传统的基于绿色的颜色指数在监测富含花青素的植物时存在局限性，因为花青素会影响绿色（G）值，导致这些指数不可靠。而叶片的红色（R）特征不受花青素含量的影响，并且与 SPAD 值有很好的相关性。基于此，研究人员通过融合 R - G 和 R - B 值，开发出了 TREx 指数。这个指数在与 SPAD 测量值的相关性上表现优异，比其他传统植被指数都要好，能够更准确地反映植物的生理状态，可用于同时监测绿叶和红叶作物。
这项研究意义非凡，它首次深入探讨了基于 RGB 的作物监测在绿叶和红叶植物中的可行性，发现了高花青素含量对传统颜色指数的影响，为植物监测领域带来了新的思路。TREx 指数的提出，为作物监测提供了一种简单而有效的新方法，有望在农业生产中得到广泛应用。不过，研究人员也表示，未来还有很多工作要做。比如，要在全株植物和实地成像条件下进一步研究该方法的实用性；探索不同光照环境对颜色特征的影响；增加富含花青素且低叶绿素含量的样本数量，更深入地研究 RGB 指数的变化；同时评估植物健康和营养质量；利用更先进的数据处理和机器学习技术提高预测准确性等。相信随着这些研究的深入，将会为农业生产带来更多的便利和进步，让我们对植物的监测更加精准高效。
