环境和化学压力会破坏生理和生化过程，对植物的生长、代谢和产量产生负面影响。

传统的检测方法依赖于目视检查和实验室分析。这些方法耗时耗力，并且通常仅在发生严重损伤后才检测到应力。因此，它们不太适合大规模或实时监测。

拉曼光谱是一种非破坏性技术，可以检测植物早期的生化变化，从而从分子层面洞察植物的生理状况。

早期植物胁迫检测的意义

现代农业面临着来自一系列环境压力因素的日益严峻挑战，这些压力因素影响着全球粮食生产的可持续性。气候变化、盐碱化、营养不足和病原体侵染都会导致非生物和生物胁迫，损害植物生理机能并降低产量。

水分亏缺、盐度升高和营养失衡等非生物因素会干扰关键的生理过程。这些干扰会减少植物对水分和养分的吸收，降低光合效率，并加速植物衰老。由病毒、细菌、真菌病原体以及害虫引起的生物胁迫会影响植物的免疫反应，损害组织，并可能导致系统性感染和作物减产。

植物胁迫的延迟检测会带来经济后果，包括生产成本增加、作物品质下降和市场价值降低。据估计，非生物胁迫因素约占全球产量损失的70%，而生物因素约占30%。

早期识别有助于农民采取有针对性且经济有效的干预措施。这些措施包括局部施肥和重点病虫害防治，有助于减少损害、减少资源浪费并最大程度地降低环境影响。

拉曼光谱如何在分子水平上检测植物胁迫？

拉曼光谱通过测量植物组织内分子键振动能量的变化来检测植物应激。这些变化提供了反映生理变化的生化指纹。7

在应激条件下，类胡萝卜素、苯丙素、蛋白质和脂质等关键生物分子的浓度和结构会发生改变。这些变化会产生独特的光谱特征。特定的拉曼谱带会响应这些分子变化而发生偏移，从而能够在出现可见症状之前及早发现应激。

对光谱数据进行化学计量学分析，进一步提高了区分不同胁迫类型和程度的能力。这种分子水平的灵敏度使拉曼光谱成为诊断植物胁迫的实用、非侵入性工具。

非生物胁迫检测

拉曼光谱通过识别受不利条件影响的生物分子振动特征的变化来检测非生物胁迫。这些变化包括由营养缺乏、盐度和其他胁迫因素引起的硝酸盐、色素和结构聚合物的变化。此类分子变化可以在症状显现之前就指示出生理紊乱。

该技术具有高度的化学特异性和灵敏度，使其能够检测受胁迫植物中细微的代谢变化。在《科学报告》发表的一项研究中，便携式拉曼传感器被用于检测拟南芥和十字花科作物的氮缺乏情况。830 nm 激发下的光谱分析显示，氮缺乏植物中硝酸盐相关光谱特征减少。

在1030–1080 cm⁻¹光谱区域内，观察到1045 cm⁻¹峰的强度明显下降。即使在缺氮植物和对照植物之间没有明显的表型差异或叶绿素含量变化的情况下，也能检测到这些化学变化。

这种早期检测能力可以支持农业中及时的营养管理决策，从而有可能改善作物健康并减少产量损失。

水分亏缺和盐分胁迫

水分亏缺和盐分升高是导致全球作物产量下降的关键非生物胁迫因素。及早发现这些胁迫状况对于及时采取干预措施并最大限度地减少产量损失至关重要。

然而，传统的遥感方法，例如基于无人机或卫星成像的技术，通常仅在出现可见症状后才识别作物胁迫。这限制了它们在作物早期主动管理中的应用。

为了克服这一限制，一项研究利用拉曼光谱分析特定振动带的变化来检测和区分花生（ Arachis hypogaea L.）的水分亏缺和盐分胁迫。

研究人员观察到，在压力条件下，胡萝卜素（1,000、1,155 和 1,526 cm⁻¹）、苯丙素（1,605 cm⁻¹）和脂肪族化合物（1,218-1,442 cm⁻¹）的拉曼信号减弱。

化学计量分析能够区分受胁迫和未受胁迫的植物，准确率高达 95.6%。此外，它还能区分水分亏缺和盐胁迫，准确率超过 86%。这些结果凸显了拉曼光谱在高通量表型分析和精准农业中的应用潜力。

生物胁迫检测

拉曼光谱通过测量单色激光与植物生物分子中的分子振动相互作用时的非弹性散射来检测生物胁迫。

由此产生的光谱可作为反映病原体引起的生理条件变化的化学特征。这些变化可以在类胡萝卜素、木质素、纤维素和果胶等化合物中观察到。

此外，拉曼光谱的分子特异性使得能够在感染早期阶段区分健康和感染组织，通常在可见症状出现之前。

《Planta》杂志发表的一项研究通过调查番茄植株中番茄青枯病杆菌（Candidatus Liberibacter solanacearum）的感染情况，验证了这种方法。感染组织在1000和1525 cm⁻¹处的光谱峰强度显著下降，这与细菌活动引起的类胡萝卜素降解相对应。

在747、1155、1184和1218 cm⁻¹处，果胶、纤维素和木聚糖含量也出现降低，表明病原体诱导了结构多糖的水解。这些分子变化在感染三周后（可观察到的症状出现之前）检测到。

光谱的化学计量学分析进一步实现了对受感染植物和健康植物的分类，准确率高达80%。这些发现支持使用拉曼光谱技术对作物生物胁迫进行早期检测和管理。

利用表面增强拉曼散射检测微小应力

植物胁迫会引起细微的分子变化，包括次生代谢产物的产生、色素成分的变化和毒素的积累，而这些变化通常无法通过传统的光谱方法检测到。

表面增强拉曼散射 (SERS) 通过放大与应力相关的分子的弱振动信号解决了这些限制，从而能够以高灵敏度和分子特异性检测痕量浓度。

SERS 的工作原理是将植物衍生的分子吸附到通常由银或金制成的金属纳米结构上。这些结构作为基底，增强拉曼信号。当植物组织或渗出液中的应激相关化合物与基底相互作用时，它们的振动信号会被放大。

可以使用便携式或台式拉曼光谱仪采集光谱数据。然后使用化学计量学工具（例如主成分分析 (PCA) 或偏最小二乘回归 (PLSR)）对数据进行分析。这有助于区分健康植物和受胁迫植物，并能够量化特定的胁迫相关分子标记。

一项研究展示了利用便携式拉曼系统利用SERS技术检测玉米中的霉菌毒素。该传感器设计包括一个磁芯和一个聚多巴胺外壳，用于选择性吸附霉菌毒素。此外，还添加了一层金纳米粒子以增强拉曼信号。

该装置能够选择性检测浓度低至1 ng/mL的多种霉菌毒素。结果表明，SERS技术有望成为一种灵敏且选择性高的植物健康诊断工具。