rDNA ITS 序列分析在植物种属鉴定中的应用与研究

第一篇：rDNA ITS 序列分析在植物种属鉴定中的应用与研究

rDNA ITS序列分析在植物种属鉴定中的应用和研究

黄

凤

玲

遵

义 医 学 院 珠 海 校 区（广东珠海，519041）

摘要：rDNA ITS序列分析方法用于植物系统种属鉴定与进化研究有较高的可靠性。由于高等植物rRNA基因上的18SrDNA、ITS及5SrDNA片段常具有变异位点[1]，通过DNA序列测定核基因组的rDNA ITS 序列，根据测序结果进行比较就可以鉴定植物的种属关系，对于植物的鉴定有非常重要的意义和作用。

关键词：rDNA ITS序列；植物；种属鉴定

分子生物学研究发现，生物种类所依赖的资源—“物种”的多样性是由于其基因多态性的结果，而基因多态性又直接体现在DNA分子水平上的检测。21世纪以来，现代分子生物学技术在植物的研究取得突破性进展，一些分类地位不明确、亲缘关系不清楚的物种通过该技术便得到验证，为不同植物的分类、鉴定等提供了更丰富、更可靠的手段。其中，核糖体基因（rDNA）的内转录间隔区（ITS）在植物的种、属鉴定的研究得到广泛的应用。rRNA基因（rDNA）的基本结构及ITS区

高等植物中有4种rRNA,即 5.8SrRNA、18SrRNA、28SrRNA和5SrRNA，前三者的基因组成一个转录元，是高度重复的串联序列单位。近年来，随着分子生物学技术在生物系统研究等领域的广泛应用，以PCR为基础的各种分子生物学技术在植物鉴定方面的应用报道日益增多。rRNA基因（rDNA）是目前分子系统研究中普遍采用的分子标记基因之一，它是一种中等重复并有转录活性的家族。核糖体RNA及其相邻的间隔区合称为rDNA

[2]。

rDNA中存在着广泛的保守区域，可以用作引物的结合位点，它们的不同区域可反映物种不同的进化水平。真核细胞rDNA有几十甚至数千个拷贝，其中2个内部转录间隔区ITS-

1、ITS-2将18S、5.8S、28S分隔开；不同的选择压力作用于rDNA区域，造成单个重复单位序列不同的保守性。每一部分都可以用作特殊的生物系统分析。大、小亚基序列高度保守，已被用来分析物种古化的进化分支以及跨越古生代和中生代的进化时间等问题。rDNA基因簇的最小基因5.8S由于序列太短，几乎不能提供强有力的系统信息。而ITS序列是rDNA中基因进化速度最快的区域，常用于属内中间比较或种内群体比较，因其两侧的编码区具有高度保守性，便于设计通用引物。利用植物核糖体基因的内转录间隔区既具保守性，又在科、属、种水平上均有特异性序列的特性，对ITS序列进行PCR扩增、测序以及序列分析后用于鉴定植物的方法越来越广泛的应用。rRNA基因（rDNA）ITS序列分析在中药材鉴定中的应用

马小军等用银染色法测定了4个山参的ITS1和2个山参的ITS2.得出人参属的ITS1有220—221个碱基，ITS2有222—224个碱基，其中ITS1在人参种内非常稳定，4个不同地区的野山参样品在ITS1转录间隔区的序列与GeneBank中栽培参无任何碱基发生变异。但ITS2有部分变异。说明ITS2的遗传信息有助于人参种质资源分析，能为栽培参起源提供一定证据。蔡金娜等为探讨不同分布区的蛇床的ITS序列变异与其地理分布和化学成分的相关性，设计两对引物进行PCR扩增，产物纯化后用银染法或ABI310测序，得到核糖体DNA中的ITS序列及5.8SrDNA部分序列。18S和28SrDNA部分序列,共约700bp，5个地点样品的ITS-1及ITS-2的序列大小分别为210—217bp和219—224bp，ITS-1碱基序列的遗传距离0.00—1.93％，ITS-2碱基序列的遗传距离0.46—2.34％ , ITS-1较为保守。结果表明ITS2序列的变异与中国产蛇床的纬度分布有关，而与蛇床化学型的关系尚需作进一步研究。另外，近几年国内学者还对阳春砂、黄草石斛、水母雪莲及其混淆品等rDNA ITS 序列进行测序分析。结果表明

[5]

[6]

[7]

[4][3] rRNA基因（rDNA）ITS序列分析在植物鉴定中的应用

ITS 序列分析不仅可以鉴定药用植物种类，还可以为寻找新的植物来源提供分子证据。杨佩文等应用真菌核糖体基因ITS区段通用引物对十字花科蔬菜根肿病菌rDNA进行PCR扩增，其实验结果对有效追踪根肿病菌在田间的发生动态监测和预测预报提供了重要信息和手段。葛芸英等用16S和23SrDNA之间的ITS 序列的通用引物对小麦细菌性苗枯菌进行研究，并发现对多种植物病原棒形杆菌的ITS 序列进行比较研究还具有一定的分类意义。

[9][8]4 rRNA基因（rDNA）ITS序列分析在植物和中药材鉴定中的应用前景

DNA测序技术(DNA Sequencing technology)使DNA分子鉴定技术取得了突破性进展，是中药材和植物鉴定的重要方法，ITS(核糖体基因内转录间隔区)是目前用于DNA测序的重要基因，因为高等植物rRNA基因上的18SrDNA、ITS及5SrDNA片段常具有变异位点，可成为一种很好的分子标记，不仅可用于植物品种的鉴定以及与其混伪品的鉴别，还在植物或药材的地道性、植物生态多样性及寻找新植物来源等研究领域具有广泛的应用前景。同时还可以应用于各种植物病害的诊断。另外，一些重要植物的系统研究中含有大量可供参考的信息，如五味子科的ITS序列

[10]、报春花属的ITS序列

[11]

等都可在GeneBank中找到。

参考文献

[1]陈随清，王利丽，等.rRNA基因序列分析在中药品种鉴定中的应用及研究进展[J].河南中医学院学报，2003，18（105）.[2]马荣群，黄粤，岳文辉，等.核糖体rDNA ITS区在植物病害诊断中的应用[J].内蒙古农业科技，2006（6）：19-20.[3]马小军，王小全，肖培根，等.野山参与栽培参rDNA内转录间隔区序列比较[J].中国中药杂志，2000，25（4）：206.[4]蔡金娜，周开亚，徐珞珊，等.中国不同地区蛇床的rDNA ITS序列分析[J].药学学报，2000，35（1）：56.[5]潘华新，黄丰，王培训，等.阳春砂与绿壳砂的ITS1序列鉴别[J].中药材，2001，24（7）:481.[6]徐红，李小波，丁小余，等.中药黄草石斛rDNA ITS序列分析[J].药学学报，2001，36（10）：777.[7]刘健全，陈之端，路安民，等.藏药雪莲原植物水母雪莲及其混淆种类的ITS序列比较和分子鉴定[J].中草药，2001，32（5）：443.[8]杨佩文，等.根肿病菌核糖体基因ITS区段的克隆测序及其在检测中的应用[J].云南农业大学学报，2003，18（3）：228-233.[9]葛芸英，郭坚华，等.小麦苗枯病菌的ITS分析及PCR检测[J].植物病理学报，2003，33(3):198-202.[10]刘忠，王小全，陈之端，等.五味子科的系统发育：核糖体DNAITS区序列证据[J].植物学报，2000，42（7）：758.[11]朱惠芬，杨俊波，张长芹，等.应用ITS序列分析探讨偏花报春的系统位置[J].植物分类学报，2002，40（2）：133.

第二篇：生物学软件在核酸序列比对与系统发育分析中的应用

生物学软件在核酸序列比对与系统发育分析中的应用

摘要 通过ClustalX2.1、Boxshade、DNAman和MEGA6等软件的使用，介绍了生物学软件在核酸序列比对、着色美化、序列分析和植物系统发育树构建中的应用。并结合具体实例，采用邻接法对核基因组中的内转录间隔区序列进行了构树，进化枝的可信度较高，表明该方法适用于相似度较高、亲缘关系较近序列的系统发育树的构建。

关键词 序列比对；邻接法；系统发育树；构建

中图分类号 Q7；TP31 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）12-0347-02

Application of Biology Software in the Nucleic Acid Sequence Alignment and Phylogenetic Analysis

WANG Xiao-guo

（Sanmenxia Polytechnic，Sanmenxia Henan 472000）

Abstract This paper introduced the application of biology software in the nucleic acid sequence alignment，beautification，sequence analysis and plant phylogenetic tree construction through the use of software such as ClustalX 2.1，Boxshade，DNAman and MEGA 6.Combined with the specific example，constructed neighbor-joined tree according to internal transcribed spacer of nuclear genome sequences，and the credibility of clade was higher，so the method was suitable for the close genetic relationship sequence in the construction of phylogenetic tree.Key words sequence alignment；neighbor-joined method；phylogenetic tree；construct

核酸序列比对（Nucleic acid sequence alignment）又称为核酸序列联配，是通过2个或多个核酸序列的比对，显示出其中相似结构区域的过程[1]，是进一步进行相似性、序列间亲缘关系和系统发育分析的基础[2-3]。在系统发育分析中，最常用的可视化表示进化关系的方法就是绘制系统发育进化树（Phylogenetic trees）。系统发育树构建有非加权分组平均法（Unweighted-pair-groop-method with arithmetic means，UPGMA）、邻接法（Neighbor-joined，NJ）、最大简约法（Maximum parsimony，MP）和最大似然法（Maximum likelihood，ML）等多种方法[4]，由于邻接法具有构建的树相对准确、假设少且计算速度快的特点，因而是目前最常用的方法之一。但NJ法所分析序列的遗传距离不能太大，适用于相似度较高、亲缘关系较近的短序列[5]。

核基因组序列中的内转录间隔区（Internal transcribed spacer，ITS）主要编码植物的核糖体RNA，属于中度保守序列，因此可用于较低分类阶元的系统发育研究[6-7]。本文以Ziziphus Mill.的部分ITS序列为对象，介绍了ClustalX2.1[8-9]、Boxshade、DNAman和MEGA6[10]等软件在序列比对、着色美化、序列分析和植物系统发育树构建中的应用。序列获取

从NCBI网站（http：//）或Espript在线工具（http：//espript.ibcp.fr/ESPript/cgi-bin/ESPript.cgi）对aln文件进行着色美化。将aln文件序列粘贴到Boxshade序列框中，点击“Run boxshade”，结果以.ps格式存储，用Ghostview和Ghostspript软件打开，如图3所示。DNAman多序列比对和序列一致性

DNAman软件除了可对序列进行比对之外，还可进行引物的设计、限制性内切酶和质粒图谱的绘制，功能较为强大。双击DNAman图标，打开“File”菜单→“Open”，选择four sequences.aln文件，再打开“Sequence”菜单→“Alignment”→“Multiple sequence alignment”，从显示结果可看出，这4条ITS序列的序列一致性为90.10%（图4），结果可以以Phylip、Clustal和GCG等多种格式输出。MEGA进行系统发育分析

4.1 打开分子进化遗传分析（Molecular evolution genetic analysis，MEGA）软件

由于MEGA只能识别.meg文件格式，故需要对.aln格式的文件进行转化。点击“File”→“Convert file format to MEGA”，将.aln格式文件转化为.meg格式，存储于桌面上，命名为four sequences.meg。或进行在线文件格式转换（http：//sing.ei.uvigo.es/ALTER/）。

4.2 主窗口中打开“Phylogeny”菜单

可以看到，MEGA提供了UPGMA法、NJ法、MP法和ML法等多种算法，如前所述，NJ法在处理相似度较高、亲缘关系较近的序列时是最可靠的一种算法。选择“Construct/Test neighbor-joined tree”，在弹出的对话框“Options summary”→“Test phylogeny”中，选择“Bootstrap method”，重复次数为1000次，模式框中选择Kimura-2-parameter model对进化树进行评估（图5），本次所构建的系统进化树如图6所示。

从构建的NJ树可知，基因登录号为EU075099和EU07 5097的序列聚为一类，bootstrap支持率为97%，表明该进化枝的可信度较高。结语

本文以Ziziphus Mill.的部分ITS序列为对象，介绍了ClustalX、Boxshade、DNAman和MEGA等软件在序列比对、着色美化、序列分析和植物系统发育树的构建中的应用。在此需要特别指出，在基于序列构建进化树的过程中，由于不同的算法，不同的重复次数，选用不同的模型所构建的树是不完全相同的[11]，因此，这种单纯的依靠某段核酸序列建立的进化树只能提供物种进化的部分信息，而不能完全代表该物种进化的全过程。参考文献

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第三篇：计算机类毕业论文-matK和rbcL序列在半夏属中的应用-上虞论文网

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半夏是一味传统的中药材，广布于长江流域，在华北、东北等地也有分布。临床上多用于治疗痰多咳喘，痰饮眩悸，风痰眩晕，痰厥头痛，呕吐反胃等[1-2]。半夏属（Pinellia）是天南星科（Araceae）一个重要的属，该属共9种，其中7种为中国特有[3]。该属被认为是天南星科的一个进化类群[4]。近年来用很多方法对该属以及其他物种的种间亲缘关系进行了研究[5-8]。matK序列是植物叶绿体trnK基因的内含子中的一个开放阅读框,功能与RNA转录体中Ⅱ型内含子的剪切有关，进化速率较快，在科、属级水平能提供较多的进化和系统发育信息[9]。rbcL基因编码核酮糖1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenas）大亚基，其序列高度保守[10]，郑思浩等[11]研究matK+rbcL联合序列能够鉴别半夏及其混伪品，但对matK序列和rbcL序列在半夏属的应用尚未见报道。本研究拟利用matK+rbcL联合序列分析半夏属植物的系统发育亲缘关系，在一定程度上为半夏药材及其近缘种的种间分子鉴定提供参考依据。1 材料和方法 1.1 材料来源

部分半夏样品采自陕西商洛，部分来自genbank下载，其余物种的matK序列和rbcL序列均从genbank下载。经比对剪切后共21条序列，见表1。

提取、PCR扩增及序列测定 1.2.1 半夏总基因组DNA提取

2015年5~6月份，半夏植物生长盛期内，在商洛学院校园及二龙山采集其新鲜叶片，迅速用硅胶干燥，保存备用。实验室中采用改良CTAB 法[12]提取基因组总DNA后，溶解于少TE溶液中。-20 ℃保存备用。1.2.2 matK和rbcL序列扩增及测序

参考赵月梅等[13]中的matK序列和rbcL序列的所用的PCR引物、扩增条件及扩增体系。扩增的PCR产物经琼脂糖凝胶电泳检测合格后，送往上海生物工程有限公司进行测序。1.3 数据处理

用ClustalX 2.0对测序获得的半夏的matK序列进行查看和比对。同时，在GenBank数据库中下载其同属植物闽半夏、盾叶半夏、大叶半夏、心叶半夏、掌叶半夏及三裂半夏的matK序列和rbcL序列，共21条用于后续分析。用MEGA5.0计算种间遗传距离，并用matK序列和rbcL序列及二者联合matK+rbcL序列分别构建NJ树分析各物种之间的关系。结果与分析

2.1 种内、种间序列比对分析

将半夏属半夏等7种植物的matK序列及rbcL序列测序或下载获得的序列进行查看和比对后，组成二者联合序列（表2），其中matK序列比对后总长度为418 bp，无插入缺失序列。其中变异位点20个（4.78%），T、C、A、G的含量分别为36.9%、16.8%、29.3%、17.0%；

序列比对后的长度为638 bp，无插入缺失序列，变异位点12个（1.88%），T、C、A、G的含量分别为28.1%、20.7%、28.4%、22.9%。二者相比，matK序列变异较大。二者的变异多位于种间，种内变异较少。

2.2 半夏及其伪品的K2P遗传距离分析

表3及图1均显示了matK序列在种内及种间的K2P距离分布。由表3可知：种间距离最大的为心叶半夏和闽半夏之间，为0.019，种间距离最小为半夏与盾叶半夏之间，盾叶半夏与大叶半夏之间，均为0.001。值得注意的是，闽半夏与其余6个种之间的遗传距离均较大，表明该物种与半夏属其他物种之间亲缘关系较远。2.3 聚类分析

由matK序列构建的系统发育树只有掌叶半夏，大叶半夏和三裂叶半夏的几个个体各自聚成了一支；同理，由于rbcL序列构建的系统发育树只有半夏、掌叶半夏、三裂叶半夏三个物种的个体能聚在一起。由matK+rbcL联合片段构建的系统发育树（图1）可知：半夏属这7种植物均能独立聚为一支。半夏的7个个体聚在了一起，支持率为65，盾叶半夏与半夏亲缘关系较近，聚在一起，支持率为78。掌叶半夏6个个体聚在一起，支持率为90，三裂叶半夏3个个体聚在了一起，支持率为55，闽半夏与其他种之间亲缘关系较远，最先形成一个独立的枝，支持率为89。3 结论与讨论

matK和rbcL联合序列分析了半夏（Pinellia ternata）及其同属物种共7个种，包括序列特征、种间遗传距离及种间的亲缘关系。从实验方法上来看，采集自商洛市的半夏植物的matK序列和rbcL序列的PCR反应条件及通用引物应用情况均表现良好，且在采样不足的情况下，在genbank中也有丰富的序列信息可供参考。欧阳钟鸣等[6]研究了掌叶半夏与盾叶半夏、心叶半夏、半夏和石蜘蛛等4个种呈姐妹类群，张乐荣等[8]研究了滴水珠与盾叶半夏聚在一起，石蜘蛛，半夏亲缘关系较近，虎掌与上述几个物种距离较远，形成一个独立的枝。由于这几个研究中所涉及的物种种类和分子标记都不同，因此在进化树的结果上存在较大差异。本文用matK与rbcL联合数据分析半夏属7个物种的亲缘关系发现：闽半夏与其余6个物种之间亲缘关系最远，半夏与盾叶半夏亲缘关系较近，由于缺乏石蜘蛛和虎掌等物种的数据，因此无法判断这两个物种与这7个物种之间的关系。本研究结论能将这7个物种各自聚类，对于半夏属种内之间的物种鉴定有参考意义，但要探讨本属的所有物种之间的亲缘关系，则需要联合更多的基因片段才能提供的足够的变异信息来进行系统分化分析。参考文献：

[1] 杨虹,侴桂新,王峥涛,等.半夏的化学成分研究[J].中国药学杂志,2007(12):313-321.[2] 赵永娟,王蕾,侯琳,等.半夏多糖抗肿瘤作用研究[J].中国药理学通报,2006,22(3):368-371.[3] 中国科学院中国植物志编辑委员会.中国植物志(第十三卷第二分册)

北京:科学出版社,1979.[4] 李恒.从生态地理探索天南星科的起源[J].云南植物研究,1996,18(1):1-3.[5] 成玉,陈成彬,薛梅,等.应用AFLP技术探讨半夏属五个种的亲缘关系[J].云南植物研究,2006,28(6):559-564 [6] 欧阳钟鸣,赵静,彭正松,等.中国半夏属植物亲缘关系的SRAP分析[J].植物科学学报,2012,30(2):116-121.[7] 赵月梅,韩冰.ITs序列鉴别三七及其伪品[J].商洛学院学报,2016,30(2):61-64.[8] 张乐荣,杨在君,欧阳钟鸣,等.半夏属药用植物trnL-F序列与种间遗传关系分析[J].中国农学通报,2012,28(21):81-85.[9] 郑红建,张安世.苔藓植物matK基因PCR反应体系的建立和优化[J].安徽农业科学,2012,40(4):1961-1962,2069.[10] ANDERSSON I, BACKLUND A.Structure and function of Rubisco[J].Plant Physiol Biochem,2008,46:275-291.[11] 郑思浩,魏文龙,任伟光,等.基于DNA条形码的半夏属及其伪品分子鉴别[J].植物学报,2014,49(6):710-719.[12] 赵月梅,胡枝子属部分植物的ITS序列分析[J].商洛学院学报,2014,28(6):68-72.[13] 赵月梅,张玲.蒟蒻薯属(薯蓣科)植物DNA条形码研究[J].植物分类与资源学报,2011,33(6):674-682.学校地址： 联系人：方老师

报名地址：上虞市百官街道解放路步行街138号（原大通控股医药大楼）6楼。云飞龙商场对面，舜江商场旁边。报名日期：

周一至周日 8:30—21:00 节假日照常报名 学校网址：www.xiexiebang.com

第四篇：扫描电镜及其在储层研究中的应用分析

扫描电镜测试技术原理及其在储层研究中的应用

1、扫描电镜的结构和工作原理

扫描电镜的主要构成分为四部分：镜筒、电子信号的显示与记录系统、电子信号的收集与处理系统、真空系统及电源系统(图 1)。以下是各部分的简介和工作原理。1.1 扫描电镜结构 1.1.1镜筒

镜筒包括电子枪、聚光镜、物镜及扫描系统，其作用是产生很细的电子束(直径约几个nm)，并且使该电子束在样品表面进行扫描，同时激发出各种信号。1.1.2电子信号的收集与处理系统

在样品室中，扫描电子束与样品发生相互作用后产生多种信号，其中包括二次电子、背散射电子、X射线、吸收电子、俄歇(Auger)电子等。在上述信号中，最主要的是二次电子，它是被入射电子所激发出来的样品原子中的外层电子，产生于样品表面以下几nm 至几十nm 的区域，其产生率主要取决于样品的形貌和成份。通常所说的扫描电镜图像指的就是二次电子像，它是研究样品表面形貌的最有用的电子信号。检测二次电子的检测器的探头是一个闪烁体，当电子打到闪烁体上时，就在其中产生光，这种光被光导管传送到光电倍增管，光信号即被转变成电流信号，再经前置放大及视频放大，将电流信号转变成电压信号，最后被送到显像管的栅极。

1.1.3电子信号的显示与记录系统

扫描电镜的图像显示在阴极射线管（显像管）上，并由照相机拍照记录。显像管有两个，一个用来观察，分辨率较低，是长余辉的管子；另一个用来照相记录，分辨率较高，是短余辉的管子。1.1.4真空系统及电源系统

扫描电镜的真空系统由机械泵和油扩散泵组成，其作用是使镜筒内达到 10 托的真空度。电源系统则供给各部件所需的特定电源。

图1 扫描电镜结构图

1.2扫描电镜的基本原理

扫描电镜的电子枪发射出电子束，电子在电场的作用下加速，经过两次电磁透镜的作用后在样品表而聚焦成极细的电子束。该细小的电子束在末透镜的上方的双偏转线圈作用下在样品表而进行扫描，被加速的电子与样品相互作用，激发出各种信号，如二次电子，背散射电子，吸收电子、X射线、俄歇电子、阴极发光等。这些信号被按顺序、成比例的交换成视频信号、检测放大处理成像，从而在荧光屏上观察到样品表而的各种特征图像。

2、扫描电镜在矿物岩石学领域的应用 2.1矿物研究

不同矿物在扫描电镜中会呈现出其特征的形貌，这是在扫描电镜中鉴定矿物的重要依据。如高岭石在扫描电镜中常呈假六方片状、假六方板状、假六方似板状；埃洛石常呈管状、长管状、圆球状;蒙脱石为卷曲的薄片状；绿泥石单晶呈六角板状，集合体呈叶片状堆积或定向排列等。王宗霞等在扫描电镜下观察了硅藻上的形貌，硅藻上多呈圆盘状、板状，根据这一特征即可将它鉴定出来。

矿物特征及残余结构可以推断其成岩环境和搬运演化历史，扫描电镜可对矿物的结构和成分进行分析，为推断矿物的成岩环境和搬运演化历史提供基础资料。矿物颗粒脱离母岩后，在搬运和沉积的过程中必然会受到外界环境的影响。不同的搬运介质、搬运形式以及不同的沉积环境常会在矿物颗粒表而留下反映搬运和沉积的痕迹，因而矿物表而就会具有不同的形状及外貌特征。光学显微镜、差热、化学分析等传统分析方法往往无法将其加以识别，而配接有X射线的能谱仪的扫描电镜能直接观察到矿物变化过程中所发生的结构、形貌等微观现象的变化和形成新矿物的特点，并且可以同时确定其化学元素组成及相对含量的变化，为研究矿物的变化提供了良好的途径。2.2包裹体研究

包裹体是成矿时留在矿物中的遗迹化石，其物质组成反映了成岩成矿时期的介质环境，扫描电镜为分析包裹体物质提供了良好条件。首先，扫描电镜的形貌分析使我们能准确观察包裹体；其次，扫描电镜的能谱分析可以直接对已经打开的包裹体进行分析，从而确定了包裹体的物质组成。单强等利用扫描电镜对四川冕宁稀土矿床早期萤石的单个流体—熔融包裹体进行研究，为进一步证实四川冕宁稀土矿床是一个与盐熔体有关的热液矿床打下坚实的基础。谢玉玲等利用扫描电镜对铜官山铜矿床矽卡岩矿物中的包裹体进行研究，发现其中的石榴石存在二相包裹体，并在透辉石中发现流体包裹体及子矿物。

3、扫描电镜在粘土矿物方面的研究

由于粘上矿物在石油生成、运移、聚集及油气勘探开发研究中的重要作用，利用扫描电镜研究粘上矿物的优越性尤其明显。以往对粘土矿物的分析手段着重于精确分析粘上矿物的成分和晶体结构（如X粉晶衍射等），但对其形态特征及分布研究不多，而粘上矿物在储层中的分布及存在状态、成岩作用的影响、油气运移及开发的影响，使得粘上矿物的形态、分布及其变化的研究更加深入。粘上矿物是以微米为计量单位的质点，一般粘上矿物仅为几个微米，用普通的光学显微镜已经很难区分粘上矿物的成分、形态及分布特征，利用扫描电镜完全可以弥补这一不足。

（1）研究粘上矿物的形态及分布，确定成岩作用过程、成岩阶段及次生变化；

（2）研究粘上矿物的共生组合及变化，确定成岩环境及地球化学背景，如温度、压力、酸碱度；（3）对粘上矿物的成分分析（结合X衍射分析），确定埋藏深度、恢复盆地埋藏史及热演化史、反映油气成熟度。3.1粘土矿物的显微形貌特征

一般来说，在碎屑岩储层中常见的粘土矿物主要有高岭石、伊利石、绿泥石及伊蒙混层等粘土。根据粘土矿物分析结果，24-3构造韩江组和珠江组储层中的粘土矿物主要以伊利石和高岭石为主（图2）。

伊利石：伊利石在24-3构造韩江组和珠江组储层中是较为常见的粘土矿物。在电镜扫描下，其单晶形态呈丝带状，其集合体呈丝缕状（图2-A），通常包裹在颗粒的表面，形成粘土薄膜。

高岭石：高岭石晶体呈假六角片状、假六角板状、假六角似板状，它们依次具有良好的假六角薄片状晶形，部分完整假六角形晶形和表面稍弯曲的较差六角晶形，它们大小约为1-5µm，个别见团粒状，高岭石团粒大小不一，约为0.2-0.7 µm，为细小高岭石晶粒集合体。但西江24-3构造韩江组和珠江组储层中的高岭石，在电镜扫描下常见的单体形态呈假六角片状、假六角板状和微晶粒状（图2-B），集合体形态呈叠片状和扇状、叠板状、蠕虫状。高岭石往往在孔隙中形成定向排列或者杂乱堆积状态充填或半充填着储集层的孔隙。

图2颗粒表面贴附和粒间充填的粘土矿物

3.2粘土矿物在储层中产状特征

电镜扫描下可以直观地看到，粘土矿物的空间分布特征，24-3构造韩江组和珠江组砂岩储层中粘土矿物的产状主要有:孔隙衬垫式、孔隙充填式及粘土桥式。（1）孔隙衬垫式

这种产状是指粘土矿物在碎屑岩颗粒表面呈定向排列，组成连续的贴附于孔隙壁上的薄膜。在镜下看，粘土矿物在颗粒表面排列具明显的方向性，根据其排列方向与颗粒表面夹角的关系，可分为两种：一种是其排列与颗粒表面近于平行另一种是垂直于颗粒表面向孔隙内生长，即栉壳状。

在24-3构造韩江组和珠江组砂岩储层中，具有此类产状的代表性粘土矿物为皱晶状高岭石（图3）和丝缕状伊利石（图2-A）。在镜下，可以观察到高岭石和伊利石主要覆于颗粒表面，在粒间孔隙边缘形成孔隙衬边（图3）。但是由于没有完全把孔隙充填，还保留了一定量的粒间孔隙。

图3高岭石、伊利石在粒间孔隙边缘形成孔隙衬边

（2）孔隙充填式

孔隙充填式是指粘土矿物以分散质点形式充填于孔隙之中。在镜下可以观察到粘土矿物往往以集合体形态充填于孔隙内，按其充填的程度可分为完全充填与不完全充填。在24-3构造韩江组和珠江组砂岩储层中，具有此类产状的较为常见的粘土矿物为高岭石（图4）。在24-3构造中，粘土矿物充填孔隙较为严重，对该区块的储层物性有一定的影响。（3）搭桥式

搭桥式产状是指粘土矿物晶体自孔隙壁向孔隙空间内生长，并在孔隙内形成粘土桥。通过电镜扫描可以看到，在24-3构造韩江和珠江组储层中，粘土薄膜具有明显的由孔隙边缘向孔隙中央生长的特征，有的已形成网格状或桥接型胶结（图5）。

图4 24-3油田中的粘土矿物充填孔隙

图5粘土薄膜及形成的“粘土桥”

4、扫描电镜在储层研究中的应用

扫描电镜在碎屑岩及碳酸盐岩储层研究中具非常广泛的应用。扫描电镜研究储层结构，评价储层质量。它可以对储集岩的矿物成分、结构构造、孔隙类型及成因、胶结程度及次生变化作深入系统的研究，并对储层优劣提供评价，其应用主要包括如下几个方面：

（1）研究分析储层的胶结类型，胶结物种类及次生变化；

（2）研究储层的孔隙结构，分析孔隙成因类型及成岩作用和胶结作用对孔隙度、渗透率变化的影响，预测孔隙演化方向；

（3）利用图像分析软件测量孔隙、喉道大小，综合评价储集性能；

（4）扫描电镜在微孔隙、微裂隙发育的储集岩研究中得到广泛应用。微孔隙、微裂隙在油气运移、聚集中起很大作用，微孔隙的发育与连通常形成良好的油气储集层，扫描电镜微观分析，可以非常直观、有效地对微孔、微隙进行分析；

（5）扫描电镜对储层岩石铸体的分析研究，运用扫描电镜背散射电子成分图像，可以决速、直观地反映孔隙喉道分布情况，精确计算而孔隙，对酸溶孔隙铸体的二次电子形貌图像分析，可以综合评价储层质量；

（6）扫描电镜分析在储层岩石物理流动单元研究中的应用，同一岩石物理流动单元具有相对一致的（相似的）孔隙喉道分布及相似的性质，储层岩石物理流动单元的研究在油藏描述及油田开发中具有重要的意义。运用扫描电镜对储层结构的分析，通过对岩石微观分析结果的综合，结合测井等资料，可以在宏观上将储层划分为性质相对独立的多个流动单元组合。

5、扫描电镜在油气层保护研究中的应用

保护油气层是石油勘探开发过程中的重要技术措施，保护油气层技术立足于预防为主，解堵为辅的原则。岩心分析是认识油气层地质的基础，油气层敏感性评价、损害机理的研究、保护油气层技术方案的设计都必须建立在岩心分析基础上。而储层岩石微观特征分析又是油气层保护研究的重点，因此扫描电镜微区分析在油气层保护研究之中具有非常重要的作用。

（1）利用扫描电镜研究储层岩石学特征，从微观形态及微区成分上对储层岩石进行岩石矿物成分及结构分析，胶结特征及充填作用分析，孔隙及喉道连通性分析等，并预测储层敏感性；

（2）储层敏感性扫描电镜分析，通过酸、水、速、碱、盐及温度敏感性试验，利用扫描电镜分析储层样品敏感性试验前后的变化，分析储层样品的粘上矿物的变化，胶结物及储层格架的变化，孔隙及喉道的变化，确定储层敏感性发生的类型和程度，并采取预防措施；

（3）在油气田开发过程中，对储层岩心样品进行开发前后的微观分析，可以判断储层损害程度，提出改进措施，提高产量。特别是注水、注气开发中，运用扫描电镜的分析，可以观察到粘土矿物的膨胀，粘土矿物及其它微粒的迁移，水岩反应形成新矿物等各种现象，而使孔隙喉道变小或堵塞而造成储层的损害，进而研究采用添加降粘剂，防膨胀剂及控制温度、酸碱度等措施，而使储层损害的程度降到最低。扫描电镜在油气层保护研究上具有重要作用，应用前景十分广阔，能够解释油气开采中遇到的诸如引起孔喉堵塞、渗透率降低等原因，进而提出油气层保护措施，提高采收率，降低成本，增加产量。

6、小结

扫描电镜可以直观再现有机质富集的显微组分、干酪根、煤及富含有机质的全岩样品在地层条件下的动态生气过程，对于评价不同地质样品的产气潜力提供了一种行之有效的新手段。另外，扫描电镜在矿物岩石学、粘土矿物分析、储层研究、油气层保护等方面已经发挥了重要作用。扫描电镜在反映物质微区信息方面具有分辨高、放大倍数大、景深大、立体感强、样品制备简单的优点，因而广泛应用于不同领域的研究，在地学微区信息提取方面有不可代替的优势。随着扫描电镜性能的提高，扫描电镜高温热台及微注入系统的使用，环境扫描电镜出现，使扫描电镜在油气领域中的应用进一步扩大。

参考文献：

[1] 刘伟新, 史志华, 朱樱, 等.扫描电镜/能谱分析在油气勘探开发中的应用.石油实验地质，2001, 23(3): 341-343.[2] 张新言, 李荣玉.扫描电镜的原理及TFT-LCD生产中的应用[J].现代显示, 2010, 108: 10-14.[3] 于丽芳, 杨志军, 周永章, 等.扫描电镜和环境扫描电镜在地学领域的应用综述.中山大学研究生学刊(自然科学、医学版), 2008, 29(1): 54-60.[4] 胡圆圆, 胡再元.扫描电镜在碎屑岩储层粘土矿物研究中的应用.四川地质学报, 2012, 32(1): 25-28.[5] 严启团, 马成华, 单秀琴, 等.环境扫描电镜在我国油气工业中的应用研究.电子显微学报, 2001, 20(3): 224-231.[6] 谢增业, 严启团, 卢新卫, 等.环境扫描电镜技术在气源岩评价中的应用.天然气工业, 2003, 23(4): 27-30.[7] 焦淑静, 韩辉, 翁庆萍, 等.页岩孔隙结构扫描电镜分析方法研究.电子显微学报, 2012, 31(5): 432-436.[8] 刘伟新, 承秋泉, 王延斌, 等.油气储层特征微观分析技术及其应用.石油实验地质，2006, 28(5): 489-492.

第五篇：基于相关投影分析的特征提取研究及在图像识别中的应用

基于相关投影分析的特征提取研究及在图像识别中的应用

摘 要：特征抽取是模式识别研究中的基本。就图像识别而言，抽取有效的图像特征在完成识别任务中十分重要。线性和非线性投影分析在特征抽取中是比较经典且应用范围最广的方法，且取得了成功，在线性和非线性投影分析中主要是处理模式中的特征，不适合大量的表示数据特征中的融合与抽取。

关键词：图像识别；特征提取；图像识别

中图分类号： TP391 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）14-158-2

0 引言

主成分分析的基本思路是找出最优的单位正交矢量集，在线性组合下重建原始样本，重建后样本和原样本间会出现比较小的误差。一般情况下会采用训练样本协方差矩阵方法作为开展基，选择适合的若干最大非零特征的特征向量最终成为主成分或是主分量，模式样本在主成分中的投影系数被称为主成分特征。非线性投影分析

1.1 在流形基础上的特征提取

复杂高维模式样本可能会通过一组维数中出现严重低于样本特征维数实现确定。就几何学而言，上述属性数据简称为流形。将流形假设当成基础，利用流形中的基本性质，研究高维空间数据并简化数据，降低维数，对复杂式的内在规律学习方法进行探寻叫作流形学习。更加严格的表述是：假设数据是均匀采样在一个高维空间中的低维流形，求得对应的嵌入映射，目的是实现维数约减或者是对其可视化需求进行满足。Seung等人在2000年站在的认知角度上对流形角度开展了讨论，确定感知是在流形的方式下存在，并在实验中证明了人脑的确存在稳态流形，这就是在模式识别以及人类的感知中构架其连同桥梁，使得流形学习存在了较为坚实的理论基础。主流行、谱分析以及变分法在本世纪初流形的学习研究中是三个热点，具有代表性的方法是同构映射、局部线性嵌入和拉普拉斯本征映射等。通过以上方法会获取较好的低维可视效果，针对映射非线性，如何得到测试样本低维将会存在一定的困难，对此不适合对特征降维实现直接性的应用。

此时需要注意，若将流形的学习映射转为限制线性投影，流形学习方法线性化方式，取得测试样本低维表示形式会更加容易。在如此的初衷基础上，He等人提出了局部的保持投影以及邻域保持嵌入等，分别通过LE和LLE的线性化方法的基础上，成功应用在人脸识别当中。

1.2 稀疏学习上特征中的提取

针对以上线性投影方法，学习投影向量在所有原始特征变量基础上实现线性组和，做出特征和变量层方面的解释含义较为困难，这是其不能说明什么变量在数据中的表示和分类中的十分关键作用的原因。实践性利用线性投影抽取特征，不但会获取最有效低维特征，还能更清楚了解什么样的维数在压缩中的作用更加关键，进而对未来的数据特征的采集当作指导和参考，同时也可以进一步加深人们对数据的更深层次的理解。一方面可以对关键特征进行少量的收集，降低工作难度及强度；此外还能对算法的时间以及空间效应进行提升。也就是在这一应用背景下，提取样本稀疏特征，正确方式是模式的识别舞台。[1]对系数特征进行提取，在一定基础上引入L0和L1范数同时对其实现优化，其中的一部分表征变量权重系数将0作为目的。0元素对应的变量在特征提取中未做到贡献，因此，稀疏特征就提取本质上可看作特征选择。相关投影分析

2.1 典型相关分析的基本理论和研究

典型相关分析属于经典的多元统计方法，该方法的首次提出者是Hotelling，CCA在很多的领域中都被进行了应用，除了应用价值，在理论上也存在着较为深刻的意义，因而被研究学者所重视，多元回归分析在某种意义上，可以判别分析等数据，被看作归结典型分析的特例。

典型相关分析主要是研究两组的随机矢量数据相关性问题，具体来讲，已经存在的两个已被去掉的均值随机矢量样本X=[x1，x2，…，xn]∈Rp×N和Y=[y1，y2，…，yn]∈Rp×N，CCA的目的是要找出一对投影的方向w和u，对投影后的样本特征进行满足后，z1=wTX和z2=uT之间是存在最大相关性的。通常情况下，投影方可以在最大化准则下将得到函数：

2.2 偏最小二乘基本理论

偏最小二乘的回归分析是在应用领域中对新型多元数据分析法来提取，该理论是Word等人在1983年提出的。近20年后，PLS通过方法、理论、应用取得了十分快速的发展。PLS模型的鲁棒性使得其出现了回归性的分析以及维数压缩分类中的有力工具，在最近几年被广泛应用在了程序控制、图像处理等领域内。

偏最小二乘的基本思想是对两个去掉均值的随机样本X=[x1，x2，x3，…，xN]∈Rp×N和Y=[y1，y2，y3，…，yN]∈Rq×N，找出一对投影方向上w和u，对于投影后样本特征z1=wTX与Z2=uTY相互的最大协方差系数。在投影的方向选择中，可以在最优化情况获得最优的目标函数：

JPLS（w，u）=Cov（z1，z2）=wTSxyu

上式中的约束条件为：wTw=uTu=1，Sxy表示的为两组特征相互间的协方差矩阵。对函数极值准则进行优化，转为两组特征矩阵下SxyTSxy和SxySxyT最大本征值同本征向量的求解相关问题。[3]

图像识别中的应用

3.1 人脸识别

人脸识别是在计算机作为辅助手段下，对静态人脸图像以及动态序列图像实现各种人脸图像的匹配和分类。人脸识别技术可以被看做是模式识别研究中的重点研究内容，这是图像处理、模式识别和计算机视觉较差影响的最为积极的研究方向。人脸识别中的关键性问题是如何在人脸图像中抽取稳定有效的个体特征，并且使其可以和其他个体之间进行区别。这一方式存在多种运用优势。

无侵犯性是人脸识别技术中最大的优点，该技术可在不被识别察觉中实行，基本上不需要被识别者进行合作，更不会造成反感情绪，进而被广泛的运用在安全监控和嫌疑人认定等场景内。

较为自然，人脸识别方式和人类识别特征相互之间有着较高相似度。日常生活中人们相互间的身份识别最直接且对常用的手段就是人脸识别。因此对于其他的生物特征，该方式更易被人接受。

性价比高，在人脸识别中运用的硬件设备十分简单，基本上只需要对普通摄像头进行使用就可以，并且可以利用人脸识别的数据库资源，这种情况下引起的系统成本往往比较低。

交互性强，就人脸识别来看，授权用户交互和配合可有效提升系统可靠性与可用性，就虹膜和指纹等识别系统而言，一般的用户识别并不会发挥正常的作用。

3.2 手写字体识别

在获得字符的特征表示之后，我们可以对投影分析实行二次特征抽取和分类，通过这一方式可以消除原始特征变量的相关性，随后降低特征空间的维数，并且在识别的过程中可以在低维特征空间内实施，进而提升识别的速度。

3.3 图像集的匹配和分类

汇总识别图像的过程，就单复图像的目标可能会遭遇各种问题引起的结果不稳定情况，并且图像会受到光照、视觉以及姿态和距离等多种因素的影响，进而出现鉴别信息不稳定的情况，或是在出现突发事件后造成目标特征不显著的问题。在现实的生活中总是会出现大量的图像资源，并且多数场合是在视频序列下通过多模态的形式而出现的，常见的有多方位以及全天候的视频监控，就相同的监控以及考察对象而言，其中是会存在各种不同的视角以及多个成像方式的问题的。[4]传统的识别方法是在多个图像资源中选取比较高的成像质量，且目标十分明确的一张或者是多个图片，实现分别判断。小结

文章在投影特征的分析基础上开展深入的研究与分析，同时对图像识别在一般情况下的运用进行了详细的介绍，希望可以为相关工作者和研究者提供一定的参考。

参 考 文 献

[1] 施展.图像特征提取与识别的迹空间投影方法研究[D].华南理工大学，2012：10-24.[2] 侯书东.基于相关投影分析的特征提取研究及在图像识别中的应用[D].南京理工大学，2012：15-29.[3] 胡俐蕊.非负矩阵分解方法及其在选票图像识别中的应用[D].安徽大学，2013：21-39.[4] 汤德俊.人脸识别中图像特征提取与匹配技术研究[D].大连海事大学，2013：14-27.