EA000801B1

EA000801B1 - Способ и система для определения качества культурных растений

Info

Publication number: EA000801B1
Application number: EA199800925A
Authority: EA
Inventors: Олаф Ван Котен; Джереми Харбинсон
Original assignee: Инститют Вор Агротехнологис Ондерзук (Ато-Дло)
Priority date: 1996-04-15
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 2000-04-24
Also published as: EA199800925A1; AU703267B2; WO1997039350A1; JP2000509489A; NL1002870C2; AP972A; US6100093A; IL126608A0; DE69706162T2; DE69706162D1; CA2251137A1; EP0897539B1; NO984707D0; EP0897539A1; ATE204382T1; AP9801359A0; NZ332259A; NO984707L; BR9708662A; AU2309797A

Description

Настоящее изобретение относится к способу определения качества культуры, который заключается в определении, по крайней мере, одного характеристического параметра процесса фотосинтеза культуры, где указанный параметр служит показателем качества культуры.

Культуры, такие как растения и цветы, а также овощи и фрукты, используют процесс фотосинтеза для извлечения из окружающей среды энергии, которая необходима для их жизнедеятельности. При этом следует отметить, что используемый термин культура означает как полевые культуры, так и продукты собранного с них урожая. В процессе вышеуказанного фотосинтеза двуокись углерода превращается под действием солнечного света в углеводородные соединения, и в процессе этого превращения также выделяется кислород. Для этой цели каждая культура имеет свою собственную систему фотосинтеза, присутствующую в зеленых частях культуры, таких как листья, стебель или плод. Системы фотосинтеза этого типа снабжены, inter alia, светоулавливающей системой, которая содержит два важных белково-пигментных комплекса, а именно фотосистемы I и II (ФС1 и ФС11, соответственно), которые снабжены компонентами для переноса фотонов. С помощью своей светоулавливающей системы культура поглощает солнечный свет. Указанный солнечный свет вызывает, inter alia, каскад последовательных окислительно-восстановительных реакций компонентов в фотосинтетической системе, при этом захваченная солнечная энергия транспортируется компонентами переноса фотонов, в основном в ФС1 и в ФС11. Затем, транспортированная солнечная энергия используется для продуцирования в культуре фотохимической реакции, в процессе которой транспортируются электроны и высвобождается кислород.

Метод типа, упомянутого в предисловии, описан в статье О/van Kooten, озаглавленной Determination of the physiological state of potted plants and cut flowers by modulated chlorophyll fluorescence (Определение физиологического состояния горшечных растений и срезанных цветов по модулированной флуоресценции хлорофилла) в Acta Horticulturae 298, 1991. С помощью этого известного метода была определена in vivo-эффективность линейного потока электронов в фотосинтетических мембранах горшечных растений и срезанных роз. Для этого, прежде всего, измеряют продуцированную флуоресценцию F молекул хлорофилла, которые образуют часть ФСП, в определенном диапазоне длин волн при нормальной интенсивности окружающего светового излучения. Затем, в том же самом диапазоне длин волн при насыщающей интенсивности светового излучения окружающей среды измеряют максимально продуцированную флуоресценцию F_m молекул хлорофилла. В этом известном методе используют первый источник активирующего света с регулируемой интенсивностью света и второй источник света с постоянной интенсивностью света для измерения света. Оба источника света испускают свет в первом диапазоне длин волн, который составляет около 350-700 нм. Затем, по истечении определенного периода времени, осуществляют детекцию флуоресценции хлорофилла во втором диапазоне длин волн, составляющем 700-730 нм. Поскольку флуоресценция по своему существу означает потерю солнечной энергии, поглощенной культурой, то детектированная продуцированная флуоресценция F и F_mможет быть затем использована для подсчета эффективности линейного потока электронов. Этот параметр может быть использован в соответствии с известным методом как показатель качества культуры.

Этот известный метод имеет тот недостаток, что значение параметра, определяемого в этом методе, в высокой степени зависит, в частности, от интенсивности светового излучения окружающей среды. На значение этого параметра также влияют другие условия окружающей среды, такие как температура, газовый состав атмосферы и степень относительной влажности воздуха. Поэтому, перед измерением параметра, который является абсолютным показателем качества, с использованием описанного известного метода, сначала должна быть введена поправка на все вышеуказанные факторы. Кроме того, для снижения влияния этих факторов окружающей среды культура должна быть, предпочтительно, отобрана, исходя из условий окружающей среды, насколько это возможно при осуществлении указанного метода. Для проведения такого отбора требуется дополнительное сложное, а поэтому дорогостоящее, оборудование.

В основу настоящего изобретения положена задача устранения вышеуказанного недостатка и разработка метода типа, упомянутого в начале описания, который обеспечивал бы надежное определение абсолютного показателя качества культуры in vivo.

Для решения этой задачи был разработан способ настоящего изобретения, отличающийся тем, что в нем параметр относится к фотосистеме I (ФС1), а также тем, что в нем определение параметра включает следующие стадии:

a) приведение, по крайней мере, некоторых типов молекул, которые находятся на донорной стороне ФШ. в окисленное состояние;

b) обеспечение восстановления, по крайней мере, некоторых из окисленных молекул; и

c) определение параметра релаксации, который содержит информацию о скорости восстановления, где указанная стадия (с) включает, по крайней мере, следующие подстадии:

) измерение поглощения света в предварительно определенном диапазоне длин волн окисленными молекулами в культуре в процессе их восстановления; и

2) вычисление скорости изменения измеренного поглощения в зависимости от времени, где параметр скорости является параметром релаксации.

На донорной стороне ФС1 имеется триплет молекул, последовательно связанных друг с другом, а именно Р-700, пластоцианин и цитохром-f. Восстановление донорной стороны ФС1 представляет собой более медленное звено в каскаде окислительно-восстановительных реакций фотосинтетического транспорта электро нов. Скорость релаксации указанной окислительно-восстановительной реакции регулируется потребностью всего растения в фотосинтетических метаболитах, а поэтому она является критерием скорости релаксации всего процесса фотосинтеза культуры. Указанная скорость релаксации характеризуется параметром релаксации, величина которого не зависит от света. Поэтому, параметр релаксации может быть использован как абсолютный показатель качества культуры, который не требует обязательной коррекции на условия окружающей среды в процессе измерения параметров культуры, для того, чтобы привести полученные данные к нормальным условиям для данной культуры.

В способе согласно настоящему изобретению стадия определения такого параметра релаксации включает, по крайней мере, следующие подстадии: (1) измерение поглощения света в заранее определенном диапазоне длин волн окисленными молекулами культуры в процессе их восстановления, и (2) вычисление параметра скорости, который содержит информацию относительно скорости изменения величины измеренного поглощения в зависимости от времени, где указанным параметром скорости является параметр релаксации. Использование такой техники измерения позволяет измерять процесс, протекающий в культуре, который имеет динамику в несколько кГц или даже выше. Такая техника измерений является исключительно подходящей для измерения вышеуказанного параметра релаксации, поскольку характеристические значения, например, для констант скорости при восстановлении окисленных молекул вышеуказанного триплета, составляют, в основном, величины порядка от нескольких Гц до нескольких кГц.

Исходя из динамики восстановительного процесса, который был описан выше, очевидно, что способ настоящего изобретения имеет также то преимущество, что показатель качества культуры, которым является параметр релаксации, может быть определен с использованием этого способа фактически в режиме реального времени.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения, по крайней мере, некоторые молекулы являются окисленными под действием света в первом диапазоне длин волн, при этом указанный первый диапазон длин волн составляет, в основном, от 350 до 700 нм. В этом варианте число окисленных молекул возрастает в той последовательности, которая позволяет измерять более высокий сигнал поглощения.

В другом предпочтительном варианте настоящего изобретения изменение поглощения измеряют с использованием света в диапазоне длин волн, который составляет от 800 до 850 нм. Свет с такой длиной волны преимущественно поглощается почти исключительно молекулами триплета, в том случае, когда эти молекулы находятся в окисленном состоянии, но они не используются для фотосинтетического транспорта электронов. Поэтому, в случае света с таким диапазоном длин волн, изменение в поглощении может быть измерено при повышенном отношении сигнал/шум, поскольку при отсутствии такого влияния на транспорт электронов измерение интенсивности света может быть высокоэффективным.

Настоящее изобретение также относится к устройству для определения показателя качества культуры, исходя из параметра релаксации, полученного с использованием вышеописанного способа, где указанное устройство включает:

a) средство для приведения, по крайней мере, некоторых типов молекул, которые находятся на донорной стороне ФС1, в окисленное состояние;

b) средство для обеспечения восстановления, по крайней мере, некоторых из окисленных молекул; и

c) средство определения параметра релаксации, который содержит информацию о скорости восстановления, где указанное средство для определения параметра релаксации включает, по крайней мере:

) средство для измерения поглощения света в предварительно определенном диапазоне длин волн окисленными молекулами в культуре в процессе их восстановления; и

2) средство для вычисления параметра скорости, который содержит информацию о скорости изменения измеренного поглощения в зависимости от времени, где указанный параметр скорости является параметром релаксации.

Управление указанным устройством может быть преимущественно и надежно осуществлено с помощью программного обеспечения. Использование программного обеспечения также дает возможность осуществлять измерение показателя качества культуры в реальном масштабе времени.

Ниже приводится более подробное описание настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, где:

фиг. 1 представляет собой график константы скорости восстановления, в основном, реакционного центра Р-700', в зависимости от интенсивности света;

фиг. 2 - график зависимости максимальной скорости фиксации СО₂ от константы скорости реакции восстановления, в основном, Р-700', для пяти различных культур; и фиг. 3 - блок-схему предпочтительного варианта устройства настоящего изобретения.

На фиг. 1 показан график константы скорости реакции восстановления, в основном, реакционного центра Р-700^' в зависимости от интенсивности света для двух различных культур, то есть для кукурузы и хуануллоа. Величины, представляющие константу скорости, были вычислены, исходя из изменений в поглощении света, которые были измерены для света с длиной волны, составляющей, в основном, 820 нм. Как видно на фиг. 1, указанная константа скорости почти не зависит от преобладающей интенсивности света. Такой неожиданный результат был получен для многих типов культур, как было продемонстрировано заявителем, исходя из последующего экспериментального исследования. Из экспериментов было также обнаружено, что независимая от света константа скорости относится, в основном, к изменениям поглощения, которые были измерены для света с длиной волны в диапазоне от 690 до 1100 нм. Свет, имеющий такой диапазон длин волн, легко поглощается двумя из трех вышеуказанных молекул триплета, находящихся на донорной стороне ФС1, а именно Р-700 и пластоцианином, в том случае, когда указанные молекулы находятся в окисленном состоянии.

На фиг. 2 показан график максимальной скорости фиксации CO₂ в зависимости от константы скорости реакции восстановления Р-700^'для пяти различных культур. И снова величины, представляющие константу скорости, были вычислены, исходя из изменений в поглощении, которые были измерены для света с длиной волны, в основном, 820 нм. Измерения проводили, в основном, при комнатной температуре 20°С и концентрации кислорода 2%. Указанными пятью культурами были хуануллоа, рододендрон, сенполия, плющ и горох. Как можно видеть из фиг. 2, константа скорости восстановления, в основном, для Р-700^' и максимальная скорость фиксации СО₂ показывают линейную зависимость. Указанная зависимость может быть приблизительно описана следующим уравнением:

у = аК_е - b (1) где у представляет максимальную скорость фиксации CO₂, а К представляет константу скорости восстановления Р-700'. При этом, 0,07 < а < 0,21, а 0,5 < b < 1,5, где точные величины а и b зависят, главным образом, от концентрации кислорода. Для сравнения проиллюстрированного на фиг. 2 а = 0,143 и b = 1,018. Уравнение (1) справедливо для многих сортов культур и не зависит от длины волны, как было установлено из различных экспериментов.

На практике было установлено, что максимальная скорость, с которой растительная культура способна связывать CO2, является показателем физиологического состояния данной культуры. Это становится очевидным, если понять, что в процессе фотосинтеза, который был описан выше, как в большинстве реакций жизненного цикла культуры, двуокись углерода превращается в углеводородные соединения и кислород в соответствии со следующим уравнением:

СО2 + Н2О (СН2О) + О2 (2)

Результаты, обсуждаемые выше и показанные на фиг. 1 и 2, оказались весьма неожиданными и легли в основу идеи настоящего изобретения, а именно, идеи определять качество культуры, исходя из параметра релаксации, который содержит информацию относительно скорости реакции восстановления из окисленного состояния, по крайней мере, некоторых типов молекул, находящихся на донорной стороне ФС1. Большинство важных преимуществ использования указанного параметра релаксации как показателя качества культуры заключается в том, что значение этого параметра может быть определено независимо от интенсивности светового излучения окружающей среды.

В соответствии с настоящим изобретением определение параметра релаксации заключается, по крайней мере, в измерении поглощения света культурой в предварительно определенном диапазоне длин волн с последующим определением параметра релаксации, исходя из изменения поглощения в зависимости от времени. Наиболее важное преимущество использования указанного способа измерения заключается в том, что этот способ является пригодным для проведения измерений в реальном масштабе времени. Кроме того, указанный способ измерения может быть надежно реализован с использованием компактной системы устройств, известных по существу.

В предпочтительном варианте осуществления метода настоящего изобретения параметр релаксации для восстановления одного или нескольких типов вышеуказанных молекул из их окисленного состояния определяют в несколько стадий. В первой стадии, по крайней мере, некоторые из этих молекул окисляют под действием света с длиной волны в первом предварительно определенном диапазоне длин волн. Этот предварительно определенный диапазон длин волн составляет предпочтительно 350-700 нм. Затем определяют поглощение света, имеющего длину волны во втором предварительно определенном диапазоне длин волн, окисленными молекулами в течение предварительно определенного периода времени. Указанный второй предварительно определенный диапазон длин волн составляет, предпочтительно, 690-1100 нм. Более предпочтительно длина волны этого диапазона находится в пределах 800-850 нм и составляет, например, 820 нм. Изменение в поглощении света, измеряемое с использованием света с длиной волны 820 нм, обозначено ниже AAg₂₀.

Измеряемое поглощение света будет изменяться в зависимости от времени в результате естественного восстановления окисленных молекул. Уменьшение сигнала поглощения показывает, приблизительно, моно-экспоненциальную зависимость в соответствии со следующим уравнением:

АД) = е^-Ке‘ (3) где A(t) обозначает поглощение за время t, а К,, обозначает ассоциированную характеристическую константу скорости, которая является критерием скорости восстановления. Затем, в третьей стадии способа настоящего изобретения, исходя из изменения поглощения в зависимости от времени, которое описано выше, вычисляют ассоциированную константу скорости реакции восстановления. В качестве альтернативы, вместо константы скорости можно, конечно, также определять другой параметр скорости, такой как период полужизни.

Измерение света, предпочтительно, проводят на длине волны приблизительно 820 нм. На этой длине волны, в основном, 60% от измеренного изменения поглощения света вызвано восстановлением окисленных молекул Р-700, т.е. специальных молекул хлорофилла-а, которые образуют реакционный центр ФС1. Для определения максимальной скорости фиксации CO₂для культур с помощью уравнения (1), которое позволяет определить максимальную скорость фиксации СО₂, может быть использована, но не обязательно, константа скорости, ассоциированная с АА₈₂₀, которая может служить показателем качества исследуемой культуры.

Исходя из полной серии проведенных экспериментов, для конкретной культуры можно проследить связь показателя качества с параметром релаксации, определенным методом настоящего изобретения. Указанный показатель качества может относиться к характеристике конкретной культуры, которая является важной для потребителя. Например, для роз в качестве характеристики качества может быть выбрано раскрытие бутона в вазе. Исходя из уже проведенных экспериментов, было обнаружено, что фактически распускание роз, обычно, соответствует константе скорости для АА₈₂₀, составляющей более чем 100 с^-1. При константе скорости для АА₈₂₀, составляющей менее чем 40 с^-1, можно определенно сказать, что роза не распуститься и цветок начнет увядать в течение нескольких дней. В случае промежуточных значений константы скорости можно ожидать, что роза частично распустится. Поэтому, в этом примере может быть указано три диапазона качества, которые непосредственно связаны с константой скорости и которые могут быть определены способом настоящего изобретения, описанным выше. Константы скорости в этом примере были определены при температуре 20°С с использованием листьев роз, которые находились в воде, по крайней мере, в течение двух часов.

Критерий качества, выбираемый для каждой конкретной культуры, будет варьироваться. Например, в случае огурцов таким критерием качества может служить уменьшение содержания хлорофилла в коже огурца. Чем темнее огурец, тем выше его бонитировочный класс. Скорость, при которой огурец становится светлее в стандартных условиях, является критерием его жизнеспособности. Аналогично вышеописанному примеру, снова могут быть указаны три диапазона качества, для которых были определены пределы соответствующих констант скорости 100 с^-1 и 50 с^-1. Чем выше константа скорости, тем ниже скорость, с которой огурец будет обесцвечиваться.

В случае горшечных растений, таких как кальцеолярия, их качество может быть выражено как время, которое пройдет до того, как растение больше не будет иметь товарный вид. В этом примере значение константы скорости 75 с^-1 является очень хорошим показателем, а значение 20 с^-1 - очень плохим.

Альтернативно, может быть также выбран показатель качества, связанный с характеристиками культуры, которые являются очень важными для производителя. Так, например, критерием качества культуры может быть выбрана стадия развития этой культуры для того, чтобы на основании этого критерия определить оптимальное время сбора урожая данной культуры, например фруктов, таких как яблоки и бананы. Эксперименты показали, что параметр релаксации определяют по оптимальной кривой, которая построена в зависимости от стадии развития или спелости культуры, пригодной для сбора урожая. В основном, значение параметра релаксации, которое предшествует на этой кривой значению параметра релаксации, являющемуся оптимальным значением для этой кривой, будет указывать на подходящее время сбора урожая. При этом, насколько это значение параметра релаксации должно предшествовать оптимальному значению, зависит, inter alia, от ожидаемого времени транспортировки культуры с учетом ее дозревания. Кроме того, стадия развития картофеля может быть использована, например, для определения большинства подходящих моментов времени для уничтожения ботвы картофеля путем опыления или путем протравки до уборки картофеля. В этом примере значение параметра релаксации (измеренного в верхней части кривой), которое находится непосредственно позади упомянутого оптимального значения, будет указывать на оптимальный момент времени, подходящий для этого случая.

На основании вышеуказанного, диапазоны качества могут быть определены для каждой культуры, исходя из предварительно выбранного критерия качества. Параметр релаксации, который был затем определен для данной культуры, указывал на диапазон качества исследуемой культуры. В параметр релаксации может быть, но не обязательно, внесена поправка на температуру, способом, который будет описан ниже. В том случае, когда концентрация двуокиси углерода варьируется в пределах нормальных значений (т.е. концентрация СО₂ составляет от 300 до 700 мл. д. по объему), она, фактически, не будет оказывать нежелательного воздействия на определение параметра релаксации.

Исходя из вышеуказанного, можно, например, составить базу данных для каждой культуры, для которой различные значения или диапазоны параметра релаксации связаны с показателем качества. В предпочтительном варианте осуществления способа настоящего изобретения эта база данных может быть использована для определения показателя качества культуры на основании определенного параметра релаксации. Для решения этой задачи указанный способ включает следующие стадии:

- сравнение определенного параметра релаксации с одним или несколькими параметрами релаксации или диапазонами параметра релаксации культуры, занесенными в базу данных;

- поиск в базе данных показателя качества, ассоциированного с параметром релаксации или диапазоном параметра релаксации, занесенным в базу данных, который, в основном, соответствует определенному параметру релаксации.

На фиг. 3 проиллюстрирован предпочтительный вариант системы, используемой для осуществления способа настоящего изобретения. Система 1 включает первый источник света 2 для излучения света в первом диапазоне длин волн, который является подходящим для окисления, по крайней мере, некоторых из указанных молекул на донорной стороне ФС1 в рассматриваемой культуре. Лист 3 культуры показан схематично. Первый источник света 2, предпочтительно, излучает свет на длине волны 400-700 нм. Более предпочтительно, если этот свет излучается в виде короткой вспышки. Продолжительность такой вспышки составляет, предпочтительно, около 1 мс. В результате такой световой вспышки, по крайней мере, некоторые из указанных молекул, присутствующих в листе 3, будут окисляться. Характер поглощения света указанными молекулами в окисленном состоянии будет отличаться от характера поглощения света неокисленными молекулами по отношению к свету во втором диапазоне длин волн, который составляет 690-1100 нм. Указанный свет излучается вторым источником света 4. Более предпочтительно, чтобы свет, идущий от второго источника света 4, имел длину волны 800-850 нм, например 820 нм. Свет, имеющий такую длину волны, легко поглощается окисленными молекулами, присутствующими в листе 3. После поглощения окисленные молекулы будут естественным образом восстанавливаться в результате процесса фотосинтеза. В результате этого, сигнал поглощения света во втором предварительно определенном диапазоне длин волн будет уменьшаться с течением времени. Как уже было описано выше, указанное снижение поглощения света представляет собой почти моноэкспоненциальную функцию, а поэтому может быть охарактеризовано, исходя из константы скорости или другого параметра скорости, такого, как период полужизни. Для измерения поглощения света имеется детектор 5, который предназначен для детекции изменений интенсивности света, испускаемого во втором диапазоне длин волн и рассеиваемого листом 3. В показанном варианте детектор 5 расположен так, чтобы он собирал свет, рассеиваемый листом 3.

Источником света 4 является, предпочтительно, светодиод, испускающий свет в ИКдиапазоне, который может быть снабжен, но не обязательно, фильтром. При этом важно, чтобы внешний сигнал, идущий от второго источника 4, был очень стабильным, поскольку изменения в измеряемом поглощении света очень малы (порядка величины 1 0^-4). В показанном предпочтительном варианте свет, идущий от источника 4, подвергается модуляции модулятором/демодулятором 7. Модулированный свет более легко поддается детекции детектором 5, при этом, по возможности, исключается интерференция с другим световым излучением, испускаемым в том же самом диапазоне волн. Под модуляцией подразумевается, предпочтительно, модуляция амплитуды светового излучения. Частота модуляции должна быть достаточно высокой для того, чтобы можно было отфильтровать и/или демодулировать обнаруживаемый сигнал, который прямо пропорционален интенсивности луча света, испускаемого источником света 4, а также для того, чтобы можно было определить небольшие изменения в поглощении сигнала, время существования которого составляет несколько миллисекунд. Требуемая частота модуляции зависит от разных факторов, но предпочтительно она составляет 20 кГц или выше.

Детектор 5 предпочтительно содержит один или несколько фотодиодов, например кремниевые диоды. Для придания детектору 5 большей чувствительности к соответствующим диапазонам длин волн, в которых имеет место изменение поглощения света, могут быть использованы оптические фильтры. Указанные оптические фильтры могут состоять из цветного стекла (например, Schott RG 9 или RG 780), либо они могут представлять собой тонкую пленку. Поскольку кремниевые фотодиоды продуцируют сигналы низкой мощности, то, предпочтительно, чтобы указанные сигналы были сна11 чала усилены, после чего их подвергают последующей обработке. Для этого может быть использован стандартный усилитель 6. При этом очевидно, что частотная характеристика комбинации детектора 5 и предусилителя 6 должна быть подходящей для детекции амплитудномодулированного света, который рассеивается листом 3 в этой частотной области. Затем сигнал поглощения, детектированный с помощью детектора 5, подвергают первой модуляции в модуляторе/демодуляторе 7.

После этого демодулированный сигнал подается на фильтр 8 для удаления нежелательных компонентов шума. Для этого может быть использован стандартный фильтр, такой как фильтр низкой проницаемости. В представленном предпочтительном варианте системы 1 может также присутствовать блок вычитания 9, с помощью которого стандартный сигнал поглощения листом 3 при соответствующей длине волны, например 820 нм, вычитается из измеренного сигнала поглощения. В этом случае, разность в поглощении, которая обусловлена восстановлением указанных окисленных молекул (т.е. нужный сигнал), дифференцируется более точно. В качестве иллюстрации величины сигнала разности в поглощении можно указать, что полное окисление всех реакционных центров Р-700, присутствующих в характеризуемой культуре, приводит, например, к изменению интенсивности рассеянного луча света от 5000 до 4975 мВ. Сигнал, обработанный таким образом, может быть сохранен в запоминающем устройстве 1 0 для дальнейшей обработки.

В представленном предпочтительном варианте осуществления система 1 также включает систему 11 для определения показателя качества, исходя из изменения поглощения в течение определенного периода времени, которое было зарегистрировано в детекторе 5 и которое было также обработано с помощью сигналобрабатывающего устройства, описанного выше. Система 11 снабжена компьютером 1 2 для вычисления параметра релаксации, такого как константа скорости, ассоциированная с изменением поглощения с течением времени. Система 11 также содержит средство сравнения 1 3 для осуществления сравнения вычисленного параметра релаксации с одним или несколькими параметрами релаксации или диапазонами параметров релаксации для культуры, которые были занесены в базу данных, как описано выше. Система 11 также содержит средство поиска 1 4 для осуществления поиска показателя качества, ассоциированного с параметром или несколькими параметрами релаксации или диапазонами параметров релаксации для культуры, которые были занесены в базу данных и которые, в основном, соответствуют вычисленному параметру релаксации. Система 11 может, но не обязательно, содержать корректирующее устройство (не показано) для внесения поправок в параметр релаксации в целях учета условий окружающей среды в процессе определения изменения поглощения света. Затем, в течение эксперимента должны быть измерены условия окружающей среды, такие как температура или концентрация О₂/СО₂, исходя из которых может быть определен, например, поправочный коэффициент для параметра релаксации. Предпочтительно, чтобы корректирующее устройство было адаптировано для повторного вычисления параметра релаксации для получения значения параметра релаксации при стандартной температуре, что позволяет использовать температуру растительного организма. Проведенные эксперименты показали, что, например, указанная константа скорости, полученная по оптимальной кривой, зависит от температуры культуры во время измерения поглощения. Температура, при которой константа скорости является максимальной, может, до определенной степени, варьироваться для различных культур. Кроме того, было обнаружено, что константа скорости, измеренная при температуре, которая заметно отличается от оптимальной температуры, может быть в 4-5 раз ниже, чем максимальное значение константы скорости. Однако изменение константы скорости в зависимости от температуры является, в основном, одинаковым для всех культур. Отсюда следует, что поправка на температуру может быть, например, введена, исходя из одной модели для всех культур. Поэтому, в вышеуказанную базу данных можно включить данные температуры. Показатель качества может быть затем определен, исходя из значения температуры и значения параметра релаксации.

И, наконец, в представленном предпочтительном варианте источник света 2 присоединен к приводному элементу 15. Указанный элемент предпочтительно подсоединен к запоминающему устройству 1 0 для выхода стартового сигнала в начале измерения. Такой стартовый сигнал может, например, подаваться после окончания вспышки света, испускаемого источником света 2, а запоминающее устройство 1 0 автоматически сохраняет сигналы, идущие от детектора 5, после того, как был получен стартовый сигнал.

Элементы 6-15, описанные выше, предпочтительно сконструированы, по возможности, в виде одного или нескольких компонентов аппаратного обеспечения, таких как микропроцессоры, которые управляются соответствующим программным обеспечением. Указанный предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения имеет то преимущество, что эта система является очень компактной и в высокой степени надежной и не требует особенно серьезного технического обслуживания. Кроме того, последующие стадии вычисления, сравнения и поиска могут быть, фактически, осуществлены в реальном масштабе времени.

В другом предпочтительном варианте настоящего изобретения система 1 содержит по13 зиционное устройство для размещения системы вблизи зеленых органов культуры, таких как листья или стебель. Это позиционное устройство содержит, предпочтительно, фиксатор (не показан), с помощью которого эта система может быть закреплена на культуре. В этом фиксаторе источник света 2 и/или 4 присутствует, предпочтительно, в форме светоизлучающих диодов. Один или несколько источников света помещают в фиксированном положении по отношению к культуре путем закрепления системы с помощью фиксатора на одном из листьев или на стебле культуры. Система, описанная выше, может быть сконструирована в компактной конфигурации так, чтобы ее было легко переносить вручную.

Каждому специалисту ясно, что возможны многочисленные модификации вариантов изобретения, описанных выше. Так например, источник света 2 может быть, но не обязательно, исключен из системы 1, показанной на фиг. 3. Однако в этом случае необходимо альтернативное измерение окисления указанных молекул. Один из примеров такого измерения заключается в том, чтобы культура, практически, не получала больше света. В этом случае фактически все присутствующие окисленные молекулы указанного типа будут восстановлены естественным образом. Характеристический параметр релаксации, ассоциированный с таким восстановлением, может быть затем снова определен в предположении о моноэкспоненциальной функции. При вычислении ассоциированной константы скорости в качестве альтернативного метода можно также, вместо описанного моноэкспоненциального метода, выбрать метод колебаний. В случае метода колебаний каждая молекула рассматривается как осциллятор, окисление которой стимулируется световым импульсом, а ее восстановление стимулируется транспортом электронов. При этом можно вычислить константу скорости для транспорта электронов путем анализа частотной характеристики амплитуды и фазы сигнала поглощения в зависимости от времени при предварительно определенной длине волны, например при 820 нм, в культуре, которая была экспонирована модулированным фотохимическим облучением.

Кроме того, в качестве альтернативы к вышеописанной базе данных, где параметры релаксации или их диапазоны являются показателями качества культуры, может быть использован алгоритм для вычисления показателя качества, исходя из определенного параметра релаксации.

Возможно, излишне указывать на то, что настоящее изобретение не ограничивается описанными и проиллюстрированными вариантами его осуществления и может включать любой вариант, который соответствует описанию и прилагаемым чертежам и который не выходит за рамки формулы изобретения, сформулированной ниже.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1 . Способ определения качества культуры, предусматривающий определение, по крайней мере, одного характеристического параметра процесса фотосинтеза культуры, где указанный параметр служит показателем качества культуры, и отличающийся тем, что включает следующие стадии:

приведение, по крайней мере, некоторых типов молекул, которые находятся на донорской стороне ФС1, включая Р-700, в окисленное состояние, восстановление, по крайней мере, некоторых из окисленных молекул и определение параметра релаксации, который содержит информацию о скорости восстановления, при этом измерение поглощения света в предварительно определенном диапазоне длин волн окисленными молекулами в культуре в процессе их восстановления и вычисление скорости изменения измеренного поглощения в зависимости от времени, где указанным параметром скорости является параметр релаксации.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приведение некоторых типов молекул в окисленное состояние осуществляют под действием света в первом диапазоне длин волн, где указанный первый диапазон длин волн составляют длины волн от 350 до 700 нм.
3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что измерение поглощения света осуществляют во втором диапазоне длин волн окисленными молекулами в течение предварительно определенного периода времени, где указанный второй диапазон длин волн составляют длины волн от 690 до 1100 нм.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что указанный второй диапазон длин волн составляют длины волн от 800 до 850 нм.
5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что указанный параметр релаксации представляет собой константу скорости восстановления и кроме того осуществляют определения максимальной скорости фиксации СО2 в культуре, исходя из константы скорости в соответствии с уравнением:

у = аК_е - b, где у представляет максимальную скорость фиксации СО₂, а К_е представляет константу скорости и где а и b находятся в пределах 0,07 < а < 0,21; 0,5 < b < 1,5.
6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что определяют показатель качества, исходя из параметра релаксации, при этом осуществляют сравнение определенного параметра релаксации с одним или несколькими параметрами релаксации или диапазонами параметра релаксации культуры, занесенными в базу данных;

осуществляют поиск в базе данных показателя качества, ассоциированного с параметром релаксации или диапазоном параметра релаксации, занесенным в базу данных, где указанный показатель качества соответствует определенному параметру релаксации.
7. Устройство для определения качества культуры, предусматривающее определение, по крайней мере, одного характеристического параметра процесса фотосинтеза культуры, где указанный параметр служит показателем качества культуры, отличающееся тем, что включает:

средство (2) для приведения, по крайней мере, некоторых из молекул определенного типа, находящихся на донорной стороне ФС1, в окисленное состояние;

средство (4) для обесценения восстановления, по крайней мере, некоторых из окисленных молекул и измерения поглощения света;

средство для определения параметра релаксации, который содержит информацию о скорости восстановления, где указанное средство для определения параметра релаксации включает, по крайней мере:

средство (4, 5) для измерения поглощения света в предварительно определенном диапазоне длин волн окисленными молекулами в культуре в процессе их восстановления; и средство (12) для вычисления скорости изменения измеренного поглощения в зависимости от времени, где указанным параметром скорости является параметр релаксации.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что указанное средство для определения параметра релаксации, кроме того, содержит:

средство (13) для сравнения определенного параметра релаксации с одним или несколькими параметрами релаксации или диапазонами параметра релаксации культуры, занесенными в базу данных;

средство (1 4) для поиска в базе данных показателя качества, ассоциированного с параметром релаксации или диапазоном параметра релаксации, занесенным в базу данных, где указанный показатель качества, в основном, соответствует определенному параметру релаксации.
9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что, кроме того, снабжено корректировочным приспособлением для внесения поправки в параметр релаксации.
10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что указанное корректировочное приспособление адаптировано для пересчета параметра релаксации и получения параметра релаксации при стандартной температуре с использованием температуры растительного организма культуры.
11. Устройство по любому из пп.7, 8, 9 или 1 0, где средство для приведения, по крайней мере, некоторых типов молекул, находящихся на донорной стороне ФС1, в окисленное состояние, состоит из первого источника света (2), излучающего свет в первом диапазоне длин волн и предназначенного для окисления, по крайней мере, некоторых из указанных молекул, где указанный первый диапазон длин волн составляют, в основном, длины волн от 400 до 700 нм;

средство для обеспечения восстановления, по крайней мере, некоторых из окисленных молекул состоит из второго источника света (4), излучающего свет во втором диапазоне длин волн и выполненного с возможностью восстановления окисленных молекул, где указанный второй диапазон длин волн составляют, в основном, длины волн от 680 до 1100 нм;

средство (4,5) для измерения поглощения света в предварительно определенном диапазоне длин волн окисленными молекулами в культуре в процессе их восстановления состоит из детектора (5) для последующего измерения поглощения света, идущего от второго источника света, окисленными молекулами в течение предварительно определенного периода времени.
1 2. Устройство по п. 11, где, по крайней мере, один из источников света содержит светодиод, лазерный диод или другой узкополосный источник света, выполненный с возможностью модуляции.
1 3. Устройство по п. 11 или 1 2, где указанное устройство включает фиксатор для фиксации культуры и где, по крайней мере, один из источников света установлен на фиксаторе.