廣西食用菌協(xié)會團體標準《羊肚菌病蟲害人工智能識別與綠色防控技術標準》編制說明（征求意見）

———項目來源根據(jù)廣西食用菌協(xié)會關于《廣西食用菌協(xié)會關于下達2023年第二批團體標準項目計劃》的文件精神，本標準由貴州大學提出，貴州大學、廣西壯族自治區(qū)農業(yè)科學院微生物研究所、西藏大學共同起草。項目背景及目的意義1.項目背景近年來，羊肚菌這一綠色農業(yè)倍受國家和地方政府的重視和支持，其作為貴州、廣西重點發(fā)展的特色珍稀食用菌品種之一，已被列入貴州省食用菌產業(yè)發(fā)展規(guī)劃。推進羊肚菌產業(yè)高質量發(fā)展，有助于為鄉(xiāng)村振興、當?shù)卮迕裰赂辉鍪仗峁┚G色動力，并促進現(xiàn)代農業(yè)與資源環(huán)境協(xié)調發(fā)展。羊肚菌是羊肚菌屬各物種真菌統(tǒng)稱，因表面呈不規(guī)則凹陷且多褶皺狀似羊肚而得名。羊肚菌不僅口感脆嫩，營養(yǎng)價值高，同時富含維生素、氨基酸、蛋白質、糖類等，有“素中之葷”的美譽。還具有“甘寒無毒，益腸胃，化痰利氣，補腦提神”作用，所含活性成分有調節(jié)機體免疫力、抗疲勞、抗氧化、抗病毒、抗腫瘤、降血脂和保肝、護肝等功效。其菌絲提取物有降低草莓果實灰霉病病原菌侵染的作用。羊肚菌喜冷涼，發(fā)生期易受年度氣候影響，與發(fā)生區(qū)氣溫、降雨量和時間密切相關。子實體生長發(fā)育階段，微弱的散射光即可滿足羊肚菌生長的需要，保證氧氣新鮮充足是其生長發(fā)育必要條件。羊肚菌作為世界性分布物種在除南北極外的五大洲均有分布。中國得益于多樣化氣候環(huán)境與大跨度地理環(huán)境優(yōu)勢，是最早培育和利用食用菌的國家之一。羊肚菌在中國分布涵蓋28個省、市、自治區(qū)。而貴州省和廣西省因具有典型而獨特的喀斯特山地環(huán)境更適宜羊肚菌栽培與種植。貴州食用菌主要有22個科72個屬268種，野生食用菌種類占全國的80%以上，羊肚菌的仿野生栽培和重點撫育主要分布于銅仁市、遵義市、黔南州。羊肚菌病蟲害會造成產量嚴重下降。每年全國有20%以上培養(yǎng)料和子實體因此損失，直接經濟損失達40億元以上。已報道的羊肚菌栽培中最常見的病害就是菌柄腐爛病和霉菌性枯萎病，其中羊肚菌白腐病發(fā)生在子實體整個生長時期乃至儲藏期，感染部位長白色菌絲。同時跳蟲、白蟻等蟲害也會導致羊肚菌產量下降。隨我國羊肚菌種植面積的不斷增加，羊肚菌栽培中發(fā)生的病蟲害種類和數(shù)量也在日益增加，栽培技術不再是限制其產量提高的主要因素，如何有效識別和對病蟲害進行綠色防控已成為目前主要待攻克難題。人工智能（ArtificialIntelligence，簡稱AI）作為一項前沿的科技領域，正在深刻地改變著我們的生活方式和工作方式。在農業(yè)領域，AI的應用正在逐漸發(fā)展壯大，并為農業(yè)生產帶來了一系列的創(chuàng)新。其中，針對羊肚菌病害的識別和治理問題，人工智能技術正發(fā)揮著越來越重要的作用。傳統(tǒng)的羊肚菌病害識別方法通常需要依靠專業(yè)人員的經驗和觀察，耗時耗力且容易受到主觀因素的影響。而利用人工智能技術對羊肚菌病害進行準確識別，則成為了解決這一問題的新途徑。基于人工智能的羊肚菌病害識別憑借其高效準確的特點，正逐漸引起農業(yè)科研人員和生產者的廣泛關注。人工智能技術結合圖像識別、機器學習和深度學習等多項先進技術手段，能夠自動識別出羊肚菌植株受到的病害類型，并且能夠對不同類型的病害進行分類和評估。通過在大量病害圖像樣本上的訓練和學習，人工智能系統(tǒng)能夠快速準確地識別和定位病害癥狀，提供及時的病害診斷結果。2.目的和意義羊肚菌具有良好的經濟價值和發(fā)展前景。隨著人工栽培的面積擴大，羊肚菌的病害開始出現(xiàn)并影響羊肚菌的產量和質量，喀斯特山地環(huán)境中對病蟲害在羊肚菌上的發(fā)生情況相關調查和防控研究較少。通過制定團體標準《羊肚菌病蟲害人工智能識別與綠色防控技術標準》，確定羊肚菌病害代表性病原菌的分類地位，通過人工智能系統(tǒng)準確識別和定位及時提供病害情況，并為羊肚菌生產中病害的綠色防治提供理論依據(jù)。用科技力量推動羊肚菌特色食用菌產業(yè)的蓬勃發(fā)展，構建穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，推進農業(yè)現(xiàn)代化，助力鄉(xiāng)村振興。標準編制過程，包括標準制修訂項目工作組的建立和開展的相關工作。由貴州大學研究和起草了《羊肚菌病蟲害人工智能識別與綠色防控技術標準》標準草案，于2023年6月25日由廣西食用菌協(xié)會立項。通過立項后，本單位迅速落實人員組成了《羊肚菌病蟲害人工智能識別與綠色防控技術標準》團體標準起草小組，起草小組根據(jù)近年來相關的我國羊肚菌產業(yè)相關標準的變化和修訂情況，結合本單位對羊肚菌病蟲害等相關研究成果以及羊肚菌產業(yè)的現(xiàn)實情況，進一步修訂和完善了《羊肚菌病蟲害人工智能識別與綠色防控技術標準》的相關內容，形成了標準征求意見稿。標準主要章節(jié)內容及確定依據(jù)（修訂標準時，應說明新、舊標準的對比）。1.病害圖像采集為實現(xiàn)羊肚菌病害的智能識別，本團隊前往貴州、廣西多處羊肚菌種植基地采集了大量羊肚菌病害圖像。其中包含羊肚菌的多種病害，其樣例如圖1所示。一共采集了大約10000張病害圖像。圖1羊肚菌病害樣例2.模型擬合首先將Focalloss引入MobileNetV2，接著在全連接層添加Dropout層減少模型過擬合，最后MobileNetV2在ImageNet數(shù)據(jù)集上訓練好的權重參數(shù)遷移到改進好的模型中完成模型的搭建。構建的羊肚菌病害圖像識別網(wǎng)絡FTL-MobileNet如圖2所示。由Sotfmax進行羊肚菌病害圖像的分類，分類好的圖像與原標簽采用Focalloss計算并進行反向傳播，直到模型的準確率趨近擬合。圖2FTL-MobileNet網(wǎng)絡結構3.不同網(wǎng)絡模型FTL-MobileNet、MobileNetV2、ResNet50、Vgg16、GoogLeNet分別迭代30輪，不同模型在訓練集與驗證集上得到準確率和損失的變化曲線如圖3所示。從訓練集和驗證集的準確率變化圖中可以看出，F(xiàn)TL-MobileNet識別準確率最高，其次是GoogLeNet、Vgg16、ResNet50，準確率最低的是MobileNetV2。以網(wǎng)絡訓練的收斂速度來看，F(xiàn)TL-MobileNet在迭代3輪時完全收斂，其余網(wǎng)絡模型則在迭代大約19輪時完全收斂。訓練集損失5種網(wǎng)絡模型都較為穩(wěn)定，F(xiàn)TL-MobileNet平均損失最低，GoogLeNet在訓練集上平均損失最高，在驗證集損失變化曲線圖中，5種網(wǎng)絡模型均有波動，F(xiàn)TL-MobileNet僅有輕微波動，驗證損失波動最大的ResNet50。綜上可以得出，提出的FTL-MobileNet比MobileNetV2、ResNet50、Vgg16、GoogLeNet在訓練集與驗證集上識別率更高，完全收斂需要的迭代次數(shù)更少，且具有較強的魯棒性，接下來繼續(xù)在測試集上測試模型性能。圖3不同模型在訓練集與驗證集上的準確率和損失變化曲線4.不同網(wǎng)絡模型識別病害圖像的準確率及所占內存不同網(wǎng)絡模型在測試集上識別羊肚菌病害圖像的準確率以及模型所占內存大小如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TL-MobileNet在測試集上的識別準確率可以達到99.87%，在與MobileNetV2模型大小一樣的情況下，改進過的網(wǎng)絡識別準確率提升了1.25%。與ResNet50、Vgg16、GoogLeNet相比，F(xiàn)TL-MobileNet識別準確率有小幅度提升，但模型大小卻遠遠小于ResNet50、Vgg16和GoogLeNet，這表明改進后的網(wǎng)絡在一定程度上提升了羊肚菌病害圖像識別的效果，而且在具備更好的泛化能力的同時還大大的降低了模型所占內存。表1不同模型的性能比較模型準確率(%)模型大小(MB)FTL-MobileNet99.878.74MobileNetV298.628.74ResNet5099.1090.0Vgg1698.91512.0GoogLeNet95.0839.45.不同網(wǎng)絡模型識別病害圖像耗時比較為了驗證FTL-MobileNet在單張圖片的耗時上也具有一定優(yōu)勢，通過輸入不同尺寸的測試集圖片，對模型的時效性進行測試，5種網(wǎng)絡模型都對測試集的多張圖片進行測試取平均值，不同輸入圖像分辨率下的單張圖片耗時結果如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TL-MobileNet在輸入大小為128×128像素的耗時最低，僅需0.979秒。MobileNetV2在輸入大小為224×224像素和448×448像素的耗時最低，但FTL-MobileNet的準確率高于MobileNetV2，所以綜合考慮下，F(xiàn)TL-MobileNet在羊肚菌病害圖像的識別中具有更好的性能優(yōu)勢。表2不同輸入圖像分辨率下的單張圖片耗時比較模型輸入大小為128×128像素輸入大小為224×224像素輸入大小為448×448像素FTL-MobileNet0.979s0.991s1.106sMobileNetV20.995s0.986s1.051sResNet501.154s1.259s1.248sVgg161.279s1.269s1.371sGoogLeNet1.307s1.282s1.150s6.喀斯特山地環(huán)境下羊肚菌病害采集和調查貴州和廣西境內的喀斯特山地環(huán)境尤為明顯。對貴州省內的犁倭鎮(zhèn)柿花園村、藍田鎮(zhèn)鳳鳴村、麥坪鄉(xiāng)汪莊村和廣西壯族自治區(qū)內的永歲鎮(zhèn)樂家灣村、羅富鎮(zhèn)灣村和大河鄉(xiāng)中村共6個羊肚菌種植基地進行感病羊肚菌樣品的采集及分析（表3）。表3不同地區(qū)羊肚菌樣品采集采樣地經緯度貴州省清鎮(zhèn)市柿犁倭鎮(zhèn)柿花園村貴州省黔東南苗族侗族自治州天柱縣藍田鎮(zhèn)鳳鳴村貴州省貴陽市花溪區(qū)麥坪鄉(xiāng)汪莊村廣西壯族自治區(qū)桂林市全州縣永歲鎮(zhèn)樂家灣村廣西壯族自治區(qū)河池市南丹縣灣村廣西壯族自治區(qū)桂林市疊彩區(qū)大河鄉(xiāng)中村26.64°N，106.31°E26.91°N，109.21°E26.48°N，106.53°E26°N，111.14°E25.17°N，107.34°E25.31°N，110.35°E7.喀斯特生境下羊肚菌白腐病主要病原菌篩選取感病羊肚菌子實體樣品進行病原菌分離操作。用滅菌消毒后的接種刀在樣品病健交接處取適量大小組織塊，置于75%酒精溶液中消毒30秒，再置于NaClO溶液中消毒1分鐘，用無菌水漂洗3次之后用無菌濾紙上吸干表面水分，接種于PDA培養(yǎng)皿中央，用封口膜將培養(yǎng)皿密封，標注日期后放入27℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)觀察，待長出清晰菌絲后，用接種刀取最外緣菌絲轉接于新的PDA培養(yǎng)皿中培養(yǎng)，至少重復3次，即得到病原菌的純菌株菌落。之后提取DNA進行PCR擴增測序，所得序列在NCBI數(shù)據(jù)庫中比對。通過分離純化六個采樣點，得到266株真菌分離物，包括76個種，31個屬（圖4、5）。通過分析的真菌分離物可得，在種分類水平上，只有一種真菌Clonostachysrosea（粉紅螺旋聚孢霉）在黔、桂兩地均有分布，在屬分類水平上，各地皆分到Fusarium鐮刀菌屬和Clonostachys螺旋聚孢霉屬。貴州省和廣西壯族自治區(qū)內引發(fā)羊肚菌子實體發(fā)生白腐病的主要病原菌均為Clonostachysrosea。圖4貴州省采樣點分得菌株（種分類水平）圖5廣西壯族自治區(qū)采樣點分得菌株（種分類水平）8.致病性測定依據(jù)科赫氏法則對貴州、廣西兩地分離得到的病原菌菌株進行致病性測定。將分離得到的該菌株培養(yǎng)7天，用消毒后的5mm打孔器沿培養(yǎng)皿外緣取菌餅，分別接種到經表面消毒的健康羊肚菌子實體上，觀察菌株在羊肚菌子實體上的發(fā)病情況（圖6）。取發(fā)病后組織的病健交界處菌絲進行分離培養(yǎng)，得到的真菌經純化后，提取DNA進行PCR擴增測序，所得序列在NCBI數(shù)據(jù)庫中比對后與所接真菌一致，則確定引起喀斯特山地環(huán)境中羊肚菌子實體發(fā)生白腐病的主要病原菌為粉紅螺旋聚孢霉。圖6羊肚菌白腐病主要病原菌回接實驗9.病原菌生物學特性探究9.1不同pH對病原菌菌絲生長影響用1mol/L鹽酸溶液和1mol/L氫氧化鈉溶液將培養(yǎng)基溶液分別調節(jié)至不同pH，滅菌后倒入培養(yǎng)皿，打孔器獲得5mm菌餅于培養(yǎng)基板，培養(yǎng)10天后，十字交叉測菌絲生長直徑，計算菌絲生長速率。粉紅螺旋聚孢霉在不同PH下菌絲生長情無顯著性差異（表4）。表4不同pH對菌絲生長影響pH菌落狀況菌落平均值(cm)菌絲平均生長速率(cm/d)56789+++++3.873.944.004.014.060.39±0.02a0.39±0.00a0.40±0.03a0.40±0.01a0.41±0.02a注：供試菌餅直徑5mm；菌落狀況中，菌絲長勢最好以“++++”表達；較好以“+++”表達；較差以“++”表達；最差以“+”表達；不生長以“—”表達；以下各表此表達意思相同。3.差異分析用SPSS數(shù)據(jù)編輯器。小寫字母（如a、b等）為0.05顯著性水平分析，以下各表此表達意思相同。9.2不同碳源對菌絲生長的影響以察式培養(yǎng)基作為基礎培養(yǎng)基，選取果糖、麥芽糖、乳糖、淀粉、山梨醇、羧甲基纖維素鈉作為唯一碳源，選取尿素、牛肉膏、蛋白胨、精氨酸、酵母粉、氯化鈉銨作為唯一氮源，配制不同培養(yǎng)基，滅菌后倒入培養(yǎng)皿，打孔器獲得5mm菌餅于培養(yǎng)基板，培養(yǎng)箱培養(yǎng)10天，十字交叉測菌絲生長直徑，計算菌絲生長速率。粉紅螺旋聚孢霉菌株在上述不同碳氮源中皆可生存（表5）。在以淀粉為碳源時，病原菌生長的最快，以山梨醇為碳源是生長的最慢。表5不同碳源對菌絲生長影響處理菌落狀況菌落平均值(cm)菌絲平均生長速率(cm/d)果糖麥芽糖淀粉山梨醇羧甲基纖維素鈉+++++++++++++4.754.995.174.234.500.48±0.00ab0.50±0.01a0.52±0.02a0.42±0.04c0.45±0.01bc9.3不同氮源對菌絲生長的影響以察式培養(yǎng)基作為基礎培養(yǎng)基，選取尿素、牛肉膏、蛋白胨、精氨酸、酵母粉、氯化鈉銨作為唯一氮源，配制不同培養(yǎng)基，滅菌后倒入培養(yǎng)皿，打孔器獲得5mm菌餅于培養(yǎng)基板，培養(yǎng)箱培養(yǎng)10天，十字交叉測菌絲生長直徑，計算菌絲生長速率。粉紅螺旋聚孢霉菌株在上述不同碳氮源中皆可生存（表6）。在以牛肉膏，蛋白胨作為氮源時病原菌生長的最快，在以氯化銨作為氮源時，病原菌的生長明顯受到抑制。表6不同氮源對菌絲生長影響處理菌落狀況菌落平均值(cm)菌絲平均生長速率(cm/d)牛肉膏蛋白胨精氨酸酵母粉氯化銨++++++++++++4.914.864.594.722.010.49±0.01a0.49±0.01a0.46±0.01a0.47±0.02a0.20±0.01b10.病原菌藥敏性測定采用菌絲生長速率法測定不同殺菌劑對病原菌和羊肚菌的抑制活性（表7）。10天后采用十字交叉法測定菌落直徑并計算抑制率、毒力回歸方程、EC50值。表7不同藥劑對菌絲生長影響藥劑劑型生產公司430g/L代森錳鋅1.5%苦參?蛇床素40%百菌清80%乙蒜素5%香芹酚25%咪鮮胺50%咪鮮胺錳鹽40%二氯異氰尿酸鈉3%中生菌素懸浮劑水劑懸浮劑乳油可溶液劑乳油可濕性粉劑可濕性粉劑可濕性粉劑利民化學有限責任公司山西德威本草生物科技有限公司日本史迪士生物科學株式社會開封大地農化生物科技有限公司山西德威本草生物科技有限公司江蘇輝豐生物農業(yè)股份有限公司蘇州富美實植物保護劑有限公司古田縣科達生物化工有限公司深圳諾普信農化股份有限公司結果如表8、9所示，能高效防治粉紅螺旋聚孢霉，同時對羊肚菌的抑制效果弱的藥劑是50%咪鮮胺錳鹽可濕性粉劑。因此在防治這種病害時推薦使用50%咪鮮胺錳鹽，在較低濃度下它也能有效抑制病原菌生長。表8不同藥劑對病原菌影響藥劑名毒力回歸方程EC50(mg/L)相關系數(shù)R25%咪鮮胺y=0.8882x+6.42730.02470.976580%乙蒜素y=0.9099x+5.14550.69190.974550%咪鮮胺錳鹽y=0.9147x+5.14520.69370.92281.5%苦參·蛇床素y=2.3625x+1.628526.73860.89815%香芹酚y=1.1942x+3.054342.58420.8225430g/L代森錳鋅y=0.3956x+4.328449.88110.894240%百菌清y=0.1480x+4.6212361.99990.9709表9不同藥劑對羊肚菌影響藥劑名毒力回歸方程EC50(mg/L)相關系數(shù)R80%乙蒜素y=13.8972x+4.18930.00750.9633430g/L代森錳鋅y=5.4322x+0.80320.28970.926325%咪鮮胺y=4.4755x+1.23602.65660.99701.5%苦參·蛇床素y=4.06