DD300049A7

DD300049A7 - METHOD FOR DETECTING AND EVALUATING LIGHT-INDUCED CHALLENGES OF CHLOROPHYL FLUORESCENCE

Info

Publication number: DD300049A7
Application number: DD31610488A
Authority: DD
Inventors: Mathias Senoner; Bernhard Hoier; Uwe Thierbach
Original assignee: Humboldt-Universitaet Zu Berlin Sektion Physik,De
Priority date: 1988-05-26
Filing date: 1988-05-26
Publication date: 1992-05-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung und Auswertung von lichtinduzierten Veraenderungen der Chlorophyllfluoreszenz. Die Erfindung bezweckt hierzu die Bereitstellung eines wirtschaftlichen und objektiven Verfahrens, welches unter Feldbedingungen ohne die Zerstoerung des zu untersuchenden pflanzlichen Materials eine reproduzierbare Bewertung des physiologischen Zustandes einer Pflanze mittels eines einzigen Geraetes innerhalb einer kurzen Zeit gestattet. Als Loesung ist nunmehr vorgesehen, dasz durch eine elektronische Steuerung ein Zyklus mit definierter Vorbelichtung und definierter Dunkelpause mit sich anschlieszender Erfassung und Verarbeitung zweier Kennwerte der ermittelten Induktionskurve durchgefuehrt wird und der Quotient aus den beiden Kennwerten die Aussage ueber den physiologischen Zustand der untersuchten Pflanze liefert. Fig. 1{Chlorophyllfluoreszenz; Induktionskurvenmessung; photosynthetische Aktivitaet}The invention relates to a method for detecting and evaluating light-induced changes in chlorophyll fluorescence. The purpose of the invention is to provide an economical and objective method which allows a reproducible evaluation of the physiological state of a plant by means of a single device in a short time under field conditions without the destruction of the plant material to be investigated. As a solution, it is now provided that an electronic control is used to carry out a cycle with a defined pre-exposure and a defined dark break with subsequent acquisition and processing of two characteristic values of the determined induction curve and the quotient of the two characteristic values provides the statement about the physiological state of the examined plant. Fig. 1 {chlorophyll fluorescence; Induction curve measurement; photosynthetic activity}

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung und Auswertung von lichtinduzierten Veränderungen der Chlorophyllfluoreszenz lebender Pflanzen, welches sowohl im Rahmen wissenschaftlicher Untersuchungen als auch im Bereich der Land- und Forstwirtschaft zur Charakterisierung des physiologischen Zustandes von Pflanzen genutzt werden kann.The invention relates to a method for detecting and evaluating light-induced changes in the chlorophyll fluorescence of living plants, which can be used both in the context of scientific studies as well as in the field of agriculture and forestry to characterize the physiological state of plants.

Characteristic of the known state of the art

Der physiologische Zustand von Pflanzen wird bestimmt durch ihren Entwicklungsstand, Krankheiten, natürlichen (Hitze, Trockenheit) und anthropogenen (Luftschadstoffe) Stress sowie andere Faktoren. Die Untersuchung des Einflusses dieser Faktorun und der Nachweis von Pflanzenschädigungen wird zur Zeit in erster Linie mit biochemischen Methoden durchgeführt. Diese Methoden erfordern eine chemische Aufarbeitung und damit Zerstörung des pflanzlichen Materials. Dies ist mit dem Verlust wertvollen Pflanzenmaterials verbunden (z. B. bei der Züchtung neuer Sorten) und erlaubt es nicht, den zeitlichen Verlauf des physiologischen Zustandes an einer Pflanze zu verfolgen. Aus diesem Grunde besitzen zerstörungsfreie Meßmethoden, dies sind neben Messungen des <~ aswechsels vor allem optische Methoden, eine zunehmende Bedeutung für die Untertuchung von Pflanzen. Dies gilt im besonderen für die Messung der Chlorophyllfluoreszenz, da sie hervorragend geeignet ist, Schädigungen des Photosyntheseapparates nachzuweisen. Die Messung von lichtinduzierten Veränderungen der Chlorophyllfluoreszenz (Induktionskurve) ist heute eine weit verbreitete Methode in pflanzenphysiologischen Laboro. Dabei wird die Induktionskurve aufgezeichnet und anschließend ausgewertet. Um diese Methode auch unter Feldbedingungen einzusetzen, wurde ein tragbares Fluorometer (US-PS 4084905) entwickelt. Beim Einsatz dieses Gerätes muß neben dem eigentlichen Fluorometer noch ein weiteres Gerät zur Speicherung der Induktionskurve (Speicheroszilloskop oder x-t-Schreiber) eingesetzt werden. Dies ist ein wesentlicher Nachteil, da beide Geräte nicht von einer Person getragen werden können. Darüber hinaus muß nach der eigentlichen Messung noch eine Auswertung oder zumindest Bewertung der Induktionskurve vorgenommen werden. Dar zeitliche Aufwand für eine Messung wird neben der eigentlichen Messung vor allem durch die zwischen dem Ejnspannen des Blattes und dem Beginn der Messung gelegenen Zeit für die Dunkeladaptation des Blattes (5 bis 10 Minuten) bestimmt. Daher sind mit diesem Gerät maximal 10 Messungen pro Stunde durchführbar.The physiological state of plants is determined by their level of development, diseases, natural (heat, drought) and anthropogenic (air pollutants) stress as well as other factors. The study of the influence of these factors and the detection of plant damage is currently being carried out primarily by biochemical methods. These methods require a chemical workup and thus destruction of the plant material. This is associated with the loss of valuable plant material (eg when breeding new varieties) and does not allow to follow the time course of the physiological state of a plant. For this reason, have destructive measuring methods, these are in addition to measurements of <~ aswechsels mainly optical methods of increasing importance for the Untertuchung of plants. This is especially true for the measurement of chlorophyll fluorescence, since it is excellently suited to detect damage to the photosynthetic apparatus. The measurement of light-induced changes in chlorophyll fluorescence (induction curve) is now a widely used method in plant physiology Laboro. The induction curve is recorded and subsequently evaluated. To use this method under field conditions, a portable fluorometer (US-PS 4084905) was developed. When using this device, in addition to the actual fluorometer another device for storing the induction curve (storage oscilloscope or xt-writer) must be used. This is a significant disadvantage since both devices can not be carried by one person. In addition, an evaluation or at least evaluation of the induction curve must be made after the actual measurement. The time required for a measurement is determined, in addition to the actual measurement, above all by the time between darkening of the leaf and the beginning of the measurement for the dark adaptation of the leaf (5 to 10 minutes). Therefore, a maximum of 10 measurements per hour can be carried out with this device.

Eine andere Methode zur Untersuchung des physiologischen Zustandes von Pflanzen basiert auf der Messung von blitzlampenangeregten Impulsen der Chlorophyllfluoreszenz vor und nach einer Vergiftung der Pflanze mit dem Herbizid DCMU (DE-PS 2938056). Dieses Meßverfahren weist mehrere Nachteile auf. Grundsätzlich kann nicht an ganzen höheren Pflanzen gemessen werden, sondern es muß an abgetrennten Blättern oder Stanzscheiben aus Blättern gemessen werden. Somit wird bei jeder Messung Pflanzenmaterial vernichtet und es ist nicht möglich den zeitlichen Verlauf einer Schädigung an ein und dem selben Blatt zu verfolgen. Darüber hinaus ist dieses Meßverfahren relativ zeitaufwendig, da vor der ersten Messung eine Dunkelzeit (laut Gerriiebeschreibung 10 min) und vor der zweiten Messung eine Zeit für das Eindringen des Herbizids einzuhalten ist.Another method for studying the physiological state of plants is based on the measurement of flash-lamp-stimulated pulses of chlorophyll fluorescence before and after a poisoning of the plant with the herbicide DCMU (DE-PS 2938056). This measuring method has several disadvantages. Basically, it can not be measured on whole higher plants, but it must be measured on severed leaves or puncture discs from leaves. Thus, plant material is destroyed at each measurement and it is not possible to track the time course of damage to one and the same leaf. In addition, this measurement method is relatively time consuming, since before the first measurement, a dark time (according to the description of the device 10 minutes) and before the second measurement, a time for the penetration of the herbicide is observed.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines wirtschaftlichen und objektiven Verfahrens zur Erfassung und Auswertung von lichtinduzierten Veränderungen der Chlorophyllfluoreszenz.The aim of the invention is to provide an economical and objective method for detecting and evaluating light-induced changes in chlorophyll fluorescence.

-2- 300 049 Darlegung dee Wesens der Erfindung-2- 300 049 Presentation of the essence of the invention

The invention is based on the object oin process for detecting and Auswar ung of light-induced changes in the Chlorophyllfluorescence to create under field conditions without destroying the plant to be examined Material a reproducible assessment of the physiological state of a plant by means of a single device within

eines kurzen Zyklus gestattet.a short cycle.

According to the invention the object is achieved in that by an electronic control a cycle with defined Preexposure and defined dark break with subsequent acquisition and processing of two characteristics of the

liiduktionskurve durchgeführt wird. Hierdurch wird erstmals als Ausgangspunkt für die Messung einer Induktionskurve nicht derdunkeladaptierte Zustand der Pflanze sondern ein durch Vorbelichtung und kurze Dunkelpause definierter Zwischenzustandgenutzt.liiduktionskurve is performed. As a result, for the first time the starting point for the measurement of an induction curve is not the dark-adapted state of the plant but a intermediate state defined by pre-exposure and short dark break.

Advantageously, the electronic detection and processing dt, characteristics are that they are stored,

der Quotient dieser Werte berechnet und digital ausgegeben wird. Dies gestattet eine signifikante Information über die Form derthe quotient of these values is calculated and output digitally. This allows significant information about the shape of the

Induction curve output by means of a single number. In an advantageous embodiment of the invention are as electronically stored characteristics maximum and minimum of Induction curve used. In this context, it is also possible that as electronically stored characteristic values of the induction curve

bestimmten festen Zeiten nach Beginn der Belichtung genutzt werden.certain fixed times after the beginning of the exposure.

embodiment The invention will be explained in more detail in an exemplary embodiment. In the accompanying drawing show

Fig. 1: eine Darstellung einer typischen Induktionskurve der Chlorophyllfluoreszenz Fig. 2: ein Blockschaltbild der elektronischen Steuerung.Fig. 1: a representation of a typical induction curve of chlorophyll fluorescence Fig. 2 is a block diagram of the electronic control.

Um definierte Auspangsbodingungen für die Messung der Induktionskurve zu schaffen wird das zu untersuchende pflanzliche Objekt zunächst einer kurzen Vorbalichtung von beispielsweise 10 Sekunden und einer anschließenden Dunkelpause von beispielsweise 60 Sekunden unterzogen. Die dann gemessene Induktionskurve unterscheidet sich etwas von der üblicherweise nach 5 bis 10min Dunkolpajse gemessenen Induktionskurve. Da aber der Form der Induktionskurve ohnehin keine absolute Bedeutung zukommt, sondern die Informationen über das untersuchte Objekt durch Vergleich von Induktionskurven gewonnen werden, spielt der oben genannte Unterschied keine Rolle. Durch die Einführung von Vorbelichtung und kurzer Dunktlpause wird die Zeit vcr dor eigentlichen Messung gegenüber der bisher üblichen Methode mindestens um den Faktor 5 verkürzt. ,Mach Vorbalichtung und Dunkelpause erfolgt während einer zweiten Belichtung die Messung der Induktionskurve. Dabei wird mit einem photoelektrischen Empfänger die Chlorophyllfluoreszenz in eine dieser Größe proportionale elektrische Spannung verwandelt. Aus dem zeitlichen Verlauf dieser Spannung werden dann zwei Kennwerte gespeichert. Diese Kennwerte sind entweder das Maximum und das Minimum der Spannung oder zwei andere, zu bestimmten festen Zeiten nach dem Beginn der zweiten Belichtung gemessene, Spannungswerte (Fig. 1). Aus den beiden gespeicherten Kennwerten wird elektronisch der Quotient berechnet und digital ausgegeben. Damit wird aus der Gesamtmenge der Informationen, die in der Induktionskurve enthalten sind, nur ein charakteristischer Wert ausgewählt und angezeigt. Der Sinn der Quotientenbildung besteht darin, daß dadurch nur die Form der Induktionskurve und nicht deren absolute Größe erfaßt wird, denn die Form der Induktionskurve wird durch den physiologischen Zustand der Pflanze bestimmt, wohingegen die absolute Größe der Chlorophyllfluoreszenz durch die in diesem Zusammenhang nicht interessierenden Parameter Blattdicke und Chlorophyllkonzentration wesentlich beeinflußt wird.In order to create defined Auspangsbodingungen for the measurement of the induction curve, the plant object to be examined is first subjected to a short pre-exposure of, for example, 10 seconds and a subsequent dark break, for example, 60 seconds. The induction curve then measured differs slightly from the induction curve usually measured after 5 to 10 minutes of Dunkolpajse. Since, however, the shape of the induction curve is in any case of no absolute significance, but the information about the examined object is obtained by comparison of induction curves, the above-mentioned difference plays no role. The introduction of pre-exposure and a short dimming interval shortens the time of the actual measurement by at least a factor of 5 compared with the previously customary method. , Make pre-illumination and dark pause during a second exposure, the measurement of the induction curve. In this case, the chlorophyll fluorescence is converted into a voltage proportional to this size with a photoelectric receiver. From the time course of this voltage then two characteristic values are stored. These characteristics are either the maximum and the minimum of the voltage or two other voltage values measured at certain fixed times after the start of the second exposure (FIG. 1). From the two stored characteristic values, the quotient is calculated electronically and output digitally. Thus, out of the total amount of information contained in the induction curve, only one characteristic value is selected and displayed. The purpose of the quotient formation is to detect only the shape of the induction curve and not its absolute size, because the shape of the induction curve is determined by the physiological state of the plant, whereas the absolute size of the chlorophyll fluorescence is determined by the parameters not of interest in this context Leaf thickness and chlorophyll concentration is significantly affected.

Das beschriebene Verfahren kann mit Hilfe der folgenden konkreten Realisierung durchgeführt worden. Ausgehend von der manuellen Betätigung eines Bedienolementes 1 steuert ein Einchipmikrorechner 2 nach der Vorschrift des im · Mikrorechnerspeicher 3 enthaltenen Programmes das Verfahren (Fig. 2). Dabei werden folgende Verfahrensschritte programmiert abgearbeitet:The described method can be carried out with the help of the following concrete realization. Starting from the manual actuation of a control element 1, a single-chip microcomputer 2 controls the method according to the specification of the program contained in the microcomputer memory 3 (FIG. 2). The following process steps are executed programmed:

Mittels einer Lichtquelle 4 wird das zu untersuchende Objekt 5 einer kurzen Vorbelichtung von beispielsweise 10s unterzogen. Nach einer Dunkelpause von beispielsweise 60s, nach der definierte Ausgangsbedingungen für die Messung der Induktionskurve vorliegen, wird während einer weiteren Belichtung des Objektes 5 die Chlorophyllfluoreszenz angeregt, von einem Lichtempfänger 6 registriert und mit Hilfe eines Vorverstärkers 7 in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal umgeformt. Der Einchipmikrorechner 2 mißt mittels einer Abtast-Halte-Schaltung 8 und eines Analog-Digital-Umsetzers 9 die notwendigen Kennwerte, berechnet das Endergebnis und stellt es auf einer Digitalanzeige 10 dar. Die gesamte Einrichtung wird aus einer Stromversorgung 11 mit elektrischer Energie versorgt.By means of a light source 4, the object 5 to be examined is subjected to a short pre-exposure of, for example, 10 s. After a dark pause of, for example, 60 s, according to the defined starting conditions for the measurement of the induction curve, the chlorophyll fluorescence is excited during a further exposure of the object 5, registered by a light receiver 6 and converted by means of a preamplifier 7 into a further processable electrical signal. The single-chip microcomputer 2 measures by means of a sample and hold circuit 8 and an analog-to-digital converter 9, the necessary characteristics, calculates the final result and displays it on a digital display 10. The entire device is supplied from a power supply 11 with electrical energy.

Zusammenfassend zeigt sich, daß durch Datenreduktion und automatische Meßwertverarbeitung die Verwendung eines Aufzsichnungsgerätes und eine der Messung folgende Auswertung überflüssig wird. Diese Vereinfachung und die durch die Anwendung einer Vorbelichtung wesentlich verkürzte Dunkelpause füliren dazu, daß beim Einsatz des oben beschriebenen Verfahrens der gesamte Meßvorgang einschließlich Auswertung in weniger als zwei Minuten von einer Arbeitskraft durchgeführt werden kann.In summary, it can be seen that the use of a recording device and an evaluation following the measurement become redundant due to data reduction and automatic measured value processing. This simplification and the significantly reduced by the application of a pre-exposure dark break fill that when using the method described above, the entire measurement process including evaluation in less than two minutes by a worker can be performed.

Claims

1. A method for detecting and evaluating light-induced changes in Chiorophyllfiuoreszenz on the basis of electronic detection of an induction curve of chlorophyll fluorescence, characterized in that a cycle with defined pre-exposure and defined dark break with subsequent detection and processing of two characteristic values of the induction curve is performed by an electronic control ,

2. The method according to claim 1, characterized in that the electronic detection and processing of the characteristics consists in that they are stored, the quotient of these values is calculated and output digitally.

3. The method according to claim 1, characterized in that are used as electronically stored characteristics maximum and minimum of the induction curve.

4. The method according to claim 1, characterized in that are used as electronically stored characteristic values of the induction curve at certain fixed times ruich beginning of the exposure.