多模态机器学习与拉曼光谱技术揭示了秋季叶片衰老的生化途径

英国橡树叶衰老过程中，通过拉曼光谱、密度泛函理论计算及人工智能分析，发现叶绿素分解伴随纤维素结晶度显著提升（0.185→0.594），并出现1215-1320 cm⁻¹新峰及1490/1495 cm⁻¹稳定峰，提示细胞壁重构及降解产物新键形成。分类准确率达88.50%-100%，为药用材料开发提供新方法。

摘要

欧洲橡树（Quercus robur）在衰老过程中会经历多种复杂的生化变化，其中最显著的变化之一是叶绿素的代谢。叶片老化的整个过程仍然难以捉摸且充满谜团。在这项研究中，我们结合使用了拉曼光谱技术、密度泛函理论计算、分光光度法以及颜色通道分析，并结合先进的人工神经网络，来探究秋季衰老过程中Quercus robur非脉管叶片组织的生化变化。分析结果显示：非衰老叶片的拉曼衍射结晶度从0.185增加到衰老叶片的0.594；同时，854 cm⁻¹峰的强度降低，而898 cm⁻¹峰的强度增加。这些变化表明果胶从α-异构体转变为β-异构体，而纤维素则从无定形状态转变为更结晶的状态。进一步分析发现，随着叶片从非衰老状态向完全衰老状态转变，叶绿素和类胡萝卜素的行为存在不一致性；此外，完全衰老组织中1215–1320 cm⁻¹峰区域的强度意外增加，这表明在完全衰老的组织中出现了新的拉曼活性键合成分。对叶绿素代谢产物的分析显示，在所有衰老阶段中，1490和1495 cm⁻¹处都存在独特的键振动特征，在所有衰老阶段中（除了完全衰老的组织）1510 cm⁻¹处也存在此类特征，这既反映了叶绿素代谢的进展，也暗示了晚期代谢产物的进一步分解。通过先进的人工神经网络进行分类测试，结果显示：非衰老组织的分类准确率为68.18%；在轻微衰老叶片上，视觉上看起来未衰老的组织分类准确率为83.40%；在中度衰老叶片上为78.15%；在轻微衰老的组织上为94.15%；在中度衰老的组织上为99.20%；在完全衰老的组织上为100%，整体分类准确率为88.50%。本研究获得的见解为未来的探索性研究和工业应用提供了方向，特别是可以利用叶片材料开发高价值的商业产品和医药产品。