物联网监测和宏基因组分析对魔芋软腐病进行预警

晏国琼，齐红娟

（富源县后所镇农业农村综合服务中心，云南 曲靖 655501）

在魔芋生长过程中，通过土壤物联网监测技术和土壤宏基因组技术对魔芋根际土壤温湿度、pH值、土壤微生物的连续变化过程进行监测分析，以魔芋及其软腐病病原菌适生温度、适生湿度、适生pH为分析依据，研究魔芋软腐病发病过程中温湿度、pH值、根际土壤微生物与魔芋软腐病发病过程的相互关系。

1 研究目标

针对魔芋软腐病发病过程，利用物联网技术监测魔芋根际土壤温湿度、pH值，结合土壤宏基因组测序数据分析。建立魔芋软腐病与魔芋根际微生物及其根际微生境中环境因子的关联分析方法，通过此方法研究魔芋软腐病的动态变化过程，以期为魔芋软腐病研究和防治提供新思路和有效的科学决策依据。

2 研究内容

2.1 魔芋根际土壤温湿度、pH值的获取

2.1.1 魔芋监测样地的选取

魔芋软腐病多集中爆发于连作耕地中，因此本项目依据这一特性在区位、海拔、水热等条件基本一致的条件下选取实验样地设置对照组和实验组。样地实际设置时需考虑软腐病在相邻地块间的相互传播感染问题，故样地设置如图1所示。

图1 实验样地设置

2.1.2 监测点的选取

传感器点位布置时需综合考虑魔芋种植试验样地的具体地形和魔芋种植分布情况。在样地中以组为单位布置传感器（每组传感器包含完整的土壤温湿度、pH值监测功能），以确保采集数据具有客观性和广泛代表性。传感器在魔芋种植样地中的布置如图2所示。

图2 样地中监测点的布置

2.1.3 土壤传感器的位置

本项目主要监测土壤根际微生境中温湿度、pH值。从魔芋根系发育空间角度来看，这些数据都来自于较小空间内，因此对传感器部署位置具有较高要求。根据魔芋种植规范设计的传感器布置方案如图3所示。

图3 土壤监测传感器布置方案

在不损伤魔芋根系影响其正常生长的情况下，传感器布置时尽量靠近魔芋植株布置。

2.2 根际土壤微生物宏基组分析

2.2.1 土壤样品的选择

由于土壤宏基因组测序费用较高，本项目进行宏基因组测序时无法以多次连续采集分析的形式进行。因此我们根据以往研究者对魔芋软腐病非发病期和集中爆发期时间的研究为基准，结合土壤传感器监测数据，在非发病期和集中爆发期两个时间段中选取土壤样本（样本采集深度为地表下10～20cm处）进行宏基因组测序，土壤样品选择思路如图4所示。

图4 土壤样本采集思路

2.2.2 宏基因组测序数据的处理

土壤样品采集完成后，由专业公司完成宏基组测序分析工作后反馈原始数据。借助生物信息综合数据分析平台，对宏基因组原始数据进行基本的整理分类和存储。宏基因组测序数据分析思路如图5所示。

图5 宏基因组测序数据分析流程

2.3 魔芋软腐病发病过程与数据的关联分析

将土壤温湿度、pH值、宏基因组测序数据，按时间特征同软腐病发病过程关联，运用数据挖掘方法研究魔芋软腐病发病过程中温湿度、pH值、土壤微生物种类的变化过程，挖掘其中典型特征和相关规律。具体分析思路如图6所示。

图6 魔芋软腐病发病数据分析过程

3 项目拟研究的关键科学问题

土壤监测数据和宏基因组测序数据，二者结构、属性均不相同，且土壤监测数据具有动态连续性。如何将它们与魔芋生长过程关联分析，用于说明魔芋软腐病的动态变化过程是本项目研究的关键科学问题。

4 技术指标

在本项目中需要完成的技术指标：

（1）建立一个魔芋根际土壤温湿度、pH值数据库。

（2）建立一个不同时期魔芋根际土壤宏基因组测序分析数据库。

（3）寻找1～2套适用于土壤宏基因组测序数据和温湿度、pH值关联的算法。

（4）通过魔芋软腐病发病过程数据的关联分析，建立一套相关分析方法流程。

5 研究过程中的技术难点

本项目综合应用了物联网监测技术、土壤宏基因组分析技术，产生的数据具有多源异构和动态连续的特性，因此技术难点多集中于数据分析关联过程中，具体问题如下：

（1）土壤宏基因组数据与土壤温湿度、pH值如何关联分析。

（2）如何从关联分析结果中寻找用于刻画魔芋软腐病变化过程的关键临界值。

6 市场需求

该项目可以推广到高原特色农作物的种植监测，主要可以解决：病虫害的监测和预警；指导科学种植（合理施肥、合理浇灌、合理管理、增加产量）；高价值农作物的防盗、防破坏等监测等问题。