KR20160052367A - 엽록소 형광영상을 이용한 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응의 진단방법 - Google Patents

엽록소 형광영상을 이용한 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응의 진단방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20160052367A
KR20160052367A KR1020150150649A KR20150150649A KR20160052367A KR 20160052367 A KR20160052367 A KR 20160052367A KR 1020150150649 A KR1020150150649 A KR 1020150150649A KR 20150150649 A KR20150150649 A KR 20150150649A KR 20160052367 A KR20160052367 A KR 20160052367A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
plant
fluorescence
chlorophyll fluorescence
herbicide
plants
Prior art date
Application number
KR1020150150649A
Other languages
English (en)
Inventor
김도순
김진원
이태영
나경주
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Publication of KR20160052367A publication Critical patent/KR20160052367A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6486—Measuring fluorescence of biological material, e.g. DNA, RNA, cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/062—LED's

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

본 발명은 (1) 식물을 파괴하지 않고 식물 전체로부터 엽록소 형광영상을 획득하는 단계; (2) 상기 획득된 형광영상을 이용하여 식물의 광계 2(photosystem II; PS II)에서 방출하는 엽록소 형광 값을 획득하는 단계; 및 (3) 상기 획득한 형광 값으로부터 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴적 방식으로 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 진단하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 진단 방법은 외부로부터 빛을 차단하는 챔버, 식물의 형광을 발광시키는 청색 광원, 반사광으로부터 식물의 엽록소 형광만 여과시키는 필터, 여과된 엽록소 형광을 촬영하는 카메라, 획득한 영상정보를 처리하는 영상처리기기를 포함하는 엽록소 형광영상을 촬영하기 위한 장치를 이용하며, 본 발명의 진단 방법은 벼와 콩 등의 작물의 비생물적 스트레스 반응이나 생리활성물질에 대한 반응의 진단 및 품종 육종 선별에 활용할 수 있으며, 제초제나 생리활성물질에 대한 잡초의 반응을 진단하여 제초제나 생리활성물질의 스크리닝 및 제초제 저항성 잡초의 진단에 활용하는 것이 가능하다.

Description

엽록소 형광영상을 이용한 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응의 진단방법{Method of diagnosing responses of plants to abiotic stress or herbicide using chlorophyll fluorescence image}
본 발명은 엽록소 형광영상을 이용하여 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응의 진단방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 (1) 식물을 파괴하지 않고 식물 전체로부터 엽록소 형광영상을 획득하는 단계; (2) 상기 획득된 형광영상을 이용하여 식물의 광계 2(photosystem II; PS II)에서 방출하는 엽록소 형광 값을 획득하는 단계; 및 (3) 상기 획득한 형광 값으로부터 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴적 방식으로 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 진단하는 방법에 관한 것이다.
식물의 엽록소에서 방출되는 형광은 광합성 초기 광화학 반응에 사용되지 못한 빛 에너지의 일부가 다시 빛으로 방출되는 것으로, 식물에서 광화학 반응이 감소하면 형광 값이 증가하며, 반대의 경우에는 감소하는 상보적인 양상을 보이므로, 형광 값의 측정 및 분석을 통하여 식물의 생리적 상태에 따른 광합성 기구의 구조 및 기능의 변화를 민감하게 알 수 있다.
암적응(dark adaptation)하여 전자전달과정의 전자운반체들이 산화된 상태인 식물잎에 빛을 쪼이면, 형광이 증가하였다가 감소하여 정류상태(steady state)에 도달하는 형광유도(fluorescence induction) 과정이 일어난다. 즉, 어두운 상태에 있는 잎에 빛을 비추면 형광이 순간적으로 증가하였다가 일정한 값을 유지하는데 이를 정류상태 형광(ground fluorescence; F0)이라고 한다. 이때 반응중심(reaction center)은 모두 빛 에너지를 받을 준비가 되어있는 상태인 열린 상태에 있다.
F0 광보다 강한 광을 비추면 형광 유도곡선을 보이며, 포화광을 비추거나 제초제를 처리하여 전자전달계를 차단하면 광화학 반응이 일어날 수 없기 때문에 형광은 급격히 증가한 후 최대치를 보이게 되고 이때의 형광 값을 Fm이라고 한다. 이때 반응중심의 전자수용체는 모두 환원된 닫힌 상태로 있다.
빛이 약할 때 엽록소가 흡수한 빛 에너지는 광합성에 거의 이용되지 못하고 형광으로 방출된다. 안테나로서 기능을 수행할 수 없는 즉 반응중심에 에너지를 전달을 할 수 없는 엽록소 분자들이 많아지면 F0 값이 증가한다. 일반적으로 식물이 스트레스를 받을 때 F0가 증가하며, 스트레스를 받은 식물에서는 보통 Fm의 감소도 보여준다. 이들 두 값은 엽록소의 함량이 많으면 큰 값을 나타내므로 잎의 두께나 나이에 따라 값에 차이가 있으므로 두 값의 비, 즉 Fm/F0를 스트레스 지표로 사용한다. Fm에서 F0를 뺀 값을 Fv(maximum variable fluorescence)라 하며 Fv를 Fm로 나눈 값은 광화학 반응에 대한 양자수율의 최대치를 의미한다. 즉, 상기 Fv를 Fm로 나눈 값은 식물잎의 광합성을 수행할 수 있는 최대값의 잠재력을 의미한다.
따라서, 작물과 잡초 등을 포함하는 식물의 엽록체에서는 전자전달계를 통해 빛 에너지를 전달하는 과정에서 엽록소가 빛을 흡수하여 발광하는 형광(fluorescence) 량에 따른 Fv/Fm 값은 식물의 스트레스, 또는 제초제에 대한 반응을 진단하는데 유용하게 사용될 수 있다.
이와 관련된 기술로는 한국공개특허 제2013-0042791호에서 형광영상을 촬영하는 장치 및 방법에 관한 기술이 개시되어 있으나, 광합성 과정에서 자연적으로 발광하는 형광을 유도하여 이미지로 획득하고 식물을 진단하는 기술에 대해서는 언급되어 있지 않다. 또한, 미국공개특허 제2005-0072935호에서는 식물의 건강을 진단하는 휴대용 엽록소 형광 이미징 타임(CFIT) 시스템에 관한 기술이 개시되어 있으나, Fv/Fm 값으로 나타낼 수 있는 식물의 스트레스 지표를 획득하는 방법에 대해서는 개시되어 있지 않다.
즉, 아직까지는 효과적으로 식물의 형광 이미지 획득 및 분석을 통한 정량화된 엽록소 형광 값인 Fv/Fm 값을 이용하여 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제에 대한 반응을 진단하는 방법에 대해서는 알려져 있지 않다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명은 식물형광 이미지를 이용한 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응의 진단방법에 관한 것으로, 상세하게는 청색광을 인공으로 조사하여 광합성을 유도하여 형광을 발생시켜 발생된 형광만을 여과하는 필터를 장착한 카메라를 이용하여 엽록소 형광 이미지를 획득하고, 각 픽셀의 레드채널(red channel) 값을 추출하여 식물로부터 방출된 엽록소 형광량을 정량화하는 것이다. 이러한 일련의 식물형광 이미지 획득 및 분석을 통해 정량화된 엽록소 형광 값을 이용하여 Fv/Fm 값을 계산하고, 엽록소 형광 값을 작물이나 잡초의 생리지표와 연계하는 수학적인 상관/회귀분석을 통해 이를 작물이나 잡초의 생리적 및 생장 상태를 진단함으로써, 본 발명을 완성하였다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
(1) 식물을 파괴하지 않고 식물 전체로부터 엽록소 형광영상을 획득하는 단계;
(2) 상기 획득된 형광영상을 이용하여 식물의 광계 2(photosystem II; PS II)에서 방출하는 엽록소 형광 값을 획득하는 단계; 및
(3) 상기 획득한 형광 값으로부터 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴적 방식으로 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 진단하는 방법을 제공한다.
본 발명은 엽록소 형광영상을 이용하는 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응의 진단방법에 관한 것으로, 상세하게는 식물의 크기에 상관없이 엽록소 형광을 빠르고 비파괴적으로 측정하여 이미지 처리를 하고, Fv/Fm 값을 구하는 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응의 진단방법에 관한 것이다. 본 발명의 진단 방법은 식물의 잎이나 특정부위가 아닌, 식물 전체의 형광영상을 측정함으로써 정확한 진단이 가능할 뿐만 아니라, 클리핑 등 식물에게 직접적으로 가해하지 않는 비파괴적 방법으로 식물에게 영향을 거의 미치지 않는 낮은 에너지를 가하여 형광영상을 측정하는 것이다.
또한, 본 발명의 진단 방법은 작물의 환경 스트레스나 생리활성물질에 대한 생리적 반응, 잡초의 제초제나 생리활성물질에 대한 반응의 자동화 진단 시스템에 적용하는 것이 가능하며, 환경 스트레스에 대한 내성 작물을 이용한 품종 개발, 생리활성 물질이나 제초제의 개발 또는 저항성 잡초의 진단에 효과적으로 활용될 수 있다.
도 1은 식물의 엽록소 형광이미지 획득 및 분석 개념도를 나타낸 도면이다.
도 2는 암 조건 적응 후 청색 광 조사 후 식물의 엽록소 형광 값 변화 및 이미지 촬영 시간을 나타낸 도면이다.
도 3은 식물 형광이미지 분석 흐름을 나타낸 도면이다.
도 4는 암 적응 벼에 청색광 조사 후, 1초(Fm, 왼쪽) 및 120초(F0, 오른쪽)에 획득한 형광영상을 나타낸 도면이다.
도 5는 기존 방식인 Handy-PEA와 본 발명의 형광이미지 분석을 통해 계산된 엽록소 형광 값을 나타낸 도면이다.
도 6은 대역통과 필터(Bandpass filter)와 IR 필터를 통해 획득된 돌피 형광영상의 엽록소 형광 값의 변화를 나타낸 도면이다.
도 7은 대역통과 필터(Bandpass filter)를 이용한 피의 종별 엽록소 형광 값의 변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 제초제 저항성 콩(ATSIZ6, 붉은 선)과 감수성 일반콩(광안콩, 검은 선)의 제초제 글루포시네이트(glufosinate) 처리 후, 1일 차의 엽록소 형광 값(A), 2일 차의 엽록소 형광 값(B) 및 12일 차의 생체중(C)을 나타낸 도면이다.
도 9는 제초제 글루포시네이트(glufosinate) 처리 후, 1일 차의 제초제 저항성 콩(ATSIZ6, 붉은 선)과 감수성 일반콩(광안콩, 검은 선)의 RGB 영상 및 엽록소 형광영상을 나타낸 도면이다.
본 발명은
(1) 식물을 파괴하지 않고 식물 전체로부터 엽록소 형광영상을 획득하는 단계;
(2) 상기 획득된 형광영상을 이용하여 식물의 광계 2(photosystem II; PS II)에서 방출하는 엽록소 형광 값을 획득하는 단계; 및
(3) 상기 획득한 형광 값으로부터 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴적 방식으로 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 진단하는 방법에 관한 것이다.
상기 단계 (1)의 엽록소 형광영상을 획득하는 단계는 외부로부터 빛을 차단하는 챔버, 식물의 형광을 발광시키는 청색 광원, 반사광으로부터 식물의 엽록소 형광만 여과시키는 필터, 여과된 엽록소 형광을 촬영하는 카메라를 이용하는 것이 바람직하지만 이에 한정하지 않으며, 촬영조건은 식물과 카메라의 거리는 20~200cm인 것이 바람직하며, 카메라(캐논, EOS 700D)는 1800만 화소이고, 100~12800 감도이며, 캐논 EF렌즈와 함께 식물의 엽록소 형광만을 통과시켜 주는 대역통과 필터(Bandpass filter) 또는 IR 필터를 장착한 것이 특징이다. 카메라의 사용 조건에서 노출시간은 1~5초이고 F값 5.0인 것이 바람직하지만 타겟 식물에 따라 적절하게 조절하는 것이 얼마든지 가능하다.
최적의 형광이미지를 확보하기 위해서는 하기 조건들이 필요하다. 식물의 생육단계는 벼 또는 피 등의 단자엽 화본과 식물의 경우 제2엽기에서 제2분얼기까지, 콩 등의 쌍자엽 광엽은 제1본엽기에서 제3본엽기까지가 바람직하다. 카메라의 촬영거리는 식물의 상층 캐노피(canopy, 초관)를 기준으로 20~200cm인 것이 바람직하지만, 식물의 크기에 따라 촬영거리는 늘어날 수 있다.
촬영각도는 정면광 촬영(Front lighting, 피사체를 기준으로 0o), 사광 촬영(Front-side lighting, 피사체를 기준으로 45o) 및 톱 라이팅 촬영(Top lighting, 피사체의 바로 위에서 빛이 비치는 상태에서 촬영)이 바람직하다. 식물의 형광 유도를 위한 청색광(중심파장 470nm)은 LED를 이용하여 발열을 최대한 줄이고, 최소 광량은 총 32W 이상을 사용하는 것이 바람직하다.
카메라는 ISO6400 이상의 감도에서 노출은 1~5초, F값은 5.0으로 설정하고, 촬영시간은 식물을 암적응(20분 이상)시킨 이후, Fm 형광영상은 0~5초 사이에, F0 형광영상은 120~600초 사이에 획득하는 것이 바람직하다.
상기 단계 (2)의 엽록소 형광 값을 획득하는 단계는 카메라의 외부기억장치에서 이미지를 추출하는 컴퓨터, 이미지로부터 레드 채널 값을 도출하는 프로그램 및 Fv/Fm을 구하는 알고리즘을 이용하는 것이 특징이다. 상기 단계 (2)의 식물의 광계 2(photosystem II; PS II)에서 방출하는 엽록소 형광 값은 하기 식(1)로부터 획득된 Fv/Fm 값인 것을 특징으로 한다.
Fv/Fm (PSII maximum quantum yield) = (Fm-F0)/Fm (식 1)
Fm: 최대 형광 값(maximum fluorescence)
Fv: 엽록소 형광 감소(chlorophyll fluorescence decrease; Fm-F0)
F0: 기저 형광(ground fluorescence)
상기 단계(3)의 형광 값을 분석하는 단계는 이미지 처리를 통해 획득한 Fv/Fm 값을 작물 또는 잡초에서 선택된 식물의 생리적 반응지표와 수학적인 알고리즘으로 연계하는 과정으로 상관분석 및 회귀분석 과정을 포함하는 것이 특징이다(도 1). 상기 획득한 형광 값으로부터 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 분석하는 단계는 획득한 형광 값이 상대적으로 높을수록 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 저항성이 상대적으로 높은 것으로 판단하고, 형광 값이 상대적으로 낮을수록 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 저항성이 상대적으로 낮은 것으로 판단할 수 있는 것이다.
이하, 실시예를 이용하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들에 의해 제한되지 않는다는 것은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 것이다.
실시예 1. 식물의 형광이미지 획득 및 분석을 통한 F v / F m 값 계산
(1) 식물의 엽록소 형광이미지 확보를 위한 조건
청색 광 LED 램프의 사용 조건은 총 광속(광량)은 810 lm(lumen)이고, 방사각은 150o이며, 소비전력은 8W이고, 중심파장은 470nm으로 하였다. 식물과 카메라의 거리는 20~200cm로 하였다. 카메라(캐논, EOS 700D)는 1800만 화소이고, 100~12800 감도이며, 캐논 EF렌즈를 사용하였다. 형광영상을 걸러내기 위한 필터는 대역통과 필터(Bandpass filter) (XNiteBPB, LPD LLC, USA)나 IR 필터(650nm, Fotga, China)를 이용하였다. 카메라의 사용 조건은 노출시간은 1~5초이고 F값 5.0으로 하였다.
본 실시예 1에서 이용한 식물의 생육단계는 1) 단자엽 화본과 식물(예: 벼, 피)은 제2엽기~분얼기이고, 쌍자엽 광엽 식물(예: 콩)은 제1본엽기~제3본엽기로 하였다. 상기 식물을 암 조건(20분 이상)에서 적응시킨 이후 Fm영상은 0~5초 사이에 촬영하고 F0영상은 120~600초 사이에서 촬영하였다(도 2).
(2) 엽록소 형광 이미지 분석 단계
제1단계의 이미지 획득(image acquisition) 단계는 청색광을 조사하여 식물의 엽록소 형광 이미지를 획득하였고, 제2단계의 데이터 추출(data extraction) 단계는 영상의 레드 채널(red channel) 값들을 추출하였다. 제3단계의 데이터 분석(data analysis) 단계는 엽록소 형광강도(Chlorophyll fluorescence intensity)를 이용하여 광계 2(PSII)의 효율(efficiency)을 구하였다(도 3).
(3) 하기 식(1)을 이용한 광계 2(PS II)의 효율(efficiency)을 구하기 위한 Fv/Fm 값 계산
Fv/Fm (PSII maximum quantum yield) = (Fm-F0)/Fm (식 1)
Fm: 최대 형광 값(maximum fluorescence; 암처리 후 청색광을 조사하자마자 바로(1초 후) 촬영한 형광 값)
Fv: 엽록소 형광 감소(chlorophyll fluorescence decrease; Fm-F0)
F0: 기저 형광 (ground fluorescence; 청색광을 조사하고, 240초 후 촬영한 형광 값)
(4) 벼의 Fv/Fm 값 계산
상기의 방법으로 암적응 벼에 청색 광 조사 후, 1초 및 240초에 형광 이미지를 획득하여(도 4) 영상분석을 통해 Fm 값(100.2)과 F0 값(82.46)을 구한 후 벼의 Fv/Fm 값을 계산할 수 있었다(표 1).
Fv = Fm - F0
Fv/Fm = (100.20-82.46/100.20 = 0.18)
기존 방법(Handy-PEA)과 본 발명에 따른 진단방법에서의 형광영상의 분석을 통해 측정한 벼의 엽록소 형광 값 Fv/Fm 비교
작물 Fv/Fm by Handy-PEA
(비교예)		 (F1-F240)/F1 by images
(실시예)
벼 0.847 0.18
실시예 2. 벼의 한발( PEG ) 스트레스 반응에 대한 형광영상 분석과 기존방법( Handy - PEA 이용)과의 비교
기존 방식과의 비교를 위해 식물의 엽록소 형광(PSII efficiency)을 분석하기 위해 보편적으로 많이 사용하는 Handy-PEA를 이용하여 Fv/Fm 값을 구하고, 본 발명의 형광 이미지 분석을 통해 계산된 Fv/Fm 값과 비교하였다(표 2).
추청벼에 한발(PEG)처리(0, 4, 8%)를 하고, 2일 후에 Handy-PEA를 통해 Fv/Fm을 측정하고, 엽록소 형광이미지를 촬영하여 Fv/Fm을 측정하였다. 그 결과, 두 가지 방법에서 PEG 처리농도에 따라 Fv/Fm 값이 유사한 비율로 감소함을 확인할 수 있었다(표 2). 이를 통해 본 발명의 기술이 기존 방법을 대체할 수 있음을 확인하였다.
한발스트레스(PEG) 처리 2일 후 종래 방법(Handy-PEA)과 본 발명의 개발기술(형광이미지 분석)을 통해 측정한 벼의 엽록소 형광 값 Fv/Fm 비교
PEG (%) Fv/Fm by Handy-PEA
(비교예)		 (F1-F240)/F1 by images
(실시예)
0 0.847 0.16
4 0.847 0.08
8 0.848 0.09
실시예 3. 콩의 염해 반응에 대한 형광이미지 분석과 종래 방법( Handy - PEA 이용)과의 비교
종래 방법과의 비교를 위해 식물의 엽록소 형광(PSII efficiency)을 분석하기 위해 보편적으로 많이 사용하는 Handy-PEA를 이용하여 Fv/Fm 값을 구하고 본 발명의 형광 이미지 분석을 통해 계산된 Fv/Fm 값과 비교하였다(도 5 및 표 3). 대원콩 제2복엽기에 염(NaCl)처리(0, 50, 100mM)를 하고, 1일 후에 Handy-PEA를 통해 Fv/Fm을 측정하고, 엽록소 형광영상을 촬영하여 Fv/Fm을 측정했다. 그 결과 두 가지 방법에서 염 처리농도에 따라 Fv/Fm 값이 유사한 비율로 감소함을 확인할 수 있었다. 이를 통해 본 발명의 기술이 기존 방법을 대체할 수 있음을 확인하였다.
염해 처리 2일 후, 종래 방법(Handy-PEA)과 본 발명의 진단방법에 따른 형광영상 분석을 통해 획득한 콩의 엽록소 형광 값 Fv/Fm 비교
염의 농도(NaCl, mM) Fv/Fm by Handy-PEA
(비교예)		 (F1-F240)/F1 by images
(실시예)
0 0.839 0.148
50 0.509 0.069
100 0.292 0.033
실시예 4. 잡초 피의 엽록소 형광 이미지 분석을 통한 F v / F m 값의 계산
주요 화본과 잡초인 피의 엽록소 형광반응을 측정하기 위하여 본 발명의 진단방법을 적용하였다. 우선 돌피(Echinochloa crus - galli var. praticola)를 대상으로 두 가지 필터(대역통과 필터(Bandpass filter)와 IR 필터)를 이용하여 형광영상 얻은 후 이를 분석 비교하였고(도 6 및 표 4), 동일한 대역통과 필터(Bandpass filter)를 이용하여 세 초종의 피(수원강피: Echinochloa oryzicola, 수원물피: Echinochloa crus - galli var. crus - galli, 수원돌피: Echinochloa crus - galli var. praticola)의 형광영상을 얻은 후 이를 분석 비교하였다(도 7 및 표 5). 4~5엽기까지 키운 피를 10초 단위로 6분 동안 엽록소 형광영상을 시간별로 촬영하였다.
카메라 감도는 12800이고, 노출시간 5초, F 값 5.0으로 하였다. 필터는 두 가지 다른 필터를 이용하여 돌피의 엽록소 형광을 측정하였으며, 결과는 대역통과 필터(Bandpass filter)(650nm~750nm사이의 파장 영역만 통과시킴)보다 IR 필터(650nm 이상의 파장 영역만 통과시킴)에서 큰 (F1-F330)/F1 값을 얻었으나, 두 필터 모두 Fv/Fm 값을 측정하는데 효과적임을 확인할 수 있었다(표 4). 또한, 피 초종별로 엽록소 형광을 대역통과 필터(Bandpass filter)를 이용하여 측정한 결과 강피의 (F1-F330)/F1 값이 다른 피의 형광 값에 비해 비교적 크다는 것을 알 수 있었으며, 본 기술을 통해 피 3종의 Fv/Fm 값을 효과적으로 측정할 수 있음을 확인할 수 있었다(도 7 및 표 5).
대역통과 필터(Bandpass filter)와 IR 필터를 이용해 측정한 돌피의 엽록소 형광 값 Fv/Fm 비교
Filters (F1-F330)/F1
대역통과 필터(Bandpass filter) 0.131
IR 필터 0.551
Bandpass 필터를 이용해 측정한 피 3종의 엽록소 형광 값 Bandpass 비교
피 종류 (F1-F330)/F1
Echinochloa crus - galli var. praticola (돌피) 0.16
Echinochloa crus - galli var. crus - galli (물피) 0.08
Echinochloa oryzicola (강피) 0.09
실시예 5. 엽록소 형광영상 분석을 콩의 제초제 반응 분석 및 제초제 저항성 콩의 진단
제초제 저항성 콩(ATSIZ6)과 감수성 일반콩(광안콩)에 제초제 글루포시네이트(glufosinate) 처리 후, 1일 차의 엽록소 형광 값과 2일 차의 엽록소 형광 값을 분석하였고, 12일 차의 생체중을 분석하였다.
도 8 및 9에 개시한 바와 같이, 일반콩의 경우, 제초제 글루포시네이트를 처리 후, 1일차 및 2일차 모두 엽록소 형광 값이 현저하게 감소되었고, 저항성 콩은 상대적으로 엽록소 형광 값이 거의 줄어들지 않았음을 확인함으로써, 본 발명의 진단방법이 제초제 반응을 진단할 수 있는 방법임을 확인하였다.

Claims (7)

  1. (1) 식물을 파괴하지 않고 식물 전체로부터 엽록소 형광영상을 획득하는 단계;
    (2) 상기 획득된 형광영상을 이용하여 식물의 광계 2(photosystem II; PS II)에서 방출하는 엽록소 형광 값을 획득하는 단계; 및
    (3) 상기 획득한 형광 값으로부터 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴적 방식으로 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 진단하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 식물은 단자엽 화본과 식물 또는 쌍자엽 광엽 식물인 것을 특징으로 하는 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 진단하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 (1)의 엽록소 형광영상의 획득은 외부로부터 빛을 차단하는 챔버, 식물의 형광을 발광시키는 청색 광원, 반사광으로부터 식물의 엽록소 형광만 여과시키는 필터, 여과된 엽록소 형광을 촬영하는 카메라, 획득한 영상정보를 처리하는 영상처리기기를 포함하는 엽록소 형광영상의 촬영 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 진단하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 식물의 형광을 발광시키는 청색 광원은 LED 광원인 것을 특징으로 하는 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 진단하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 필터는 대역통과 필터(bandpass filter) 또는 IR 필터인 것을 특징으로 하는 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 진단하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단계 (2)의 식물의 광계 2(photosystemII; PS II)에서 방출하는 엽록소 형광 값은 하기 식(1)로부터 획득된 Fv/Fm 값인 것을 특징으로 하는 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 진단하는 방법.
    Fv/Fm (PSII maximum quantum yield) = (Fm-F0)/Fm (식 1)
    Fm: 최대 형광 값(maximum fluorescence)
    Fv: 엽록소 형광 감소(chlorophyll fluorescence decrease; Fm-F0)
    F0: 기저 형광(ground fluorescence)
  7. 제6항에 있어서, Fm 형광영상은 식물을 암적응시킨 이후, 0~5초 사이에 획득하며, F0 형광영상은 식물을 암적응시킨 이후, 120~600초 사이에 획득하는 것을 특징으로 하는 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응을 진단하는 방법.
KR1020150150649A 2014-10-29 2015-10-29 엽록소 형광영상을 이용한 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응의 진단방법 KR20160052367A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140147891 2014-10-29
KR20140147891 2014-10-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20160052367A true KR20160052367A (ko) 2016-05-12

Family

ID=56024827

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150150649A KR20160052367A (ko) 2014-10-29 2015-10-29 엽록소 형광영상을 이용한 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응의 진단방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20160052367A (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190081535A (ko) * 2017-12-29 2019-07-09 충북대학교 산학협력단 이미지 형광값을 이용하여 기능성 물질 함량 증진을 위한 식물체의 스트레스 결정 방법
CN114034672A (zh) * 2021-10-22 2022-02-11 西北农林科技大学 一种基于叶绿素荧光技术的作物冷损伤程度分级方法
KR102399776B1 (ko) * 2020-11-25 2022-05-23 전북대학교산학협력단 상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법
KR20230063972A (ko) * 2021-11-01 2023-05-10 전북대학교산학협력단 수박의 염류 스트레스 지표 제공 방법 및 이에 기반한 수박 염류 이상 검출 시스템
KR102631597B1 (ko) 2023-06-29 2024-02-02 주식회사 리플로그 엽록소 형광값을 이용한 딸기의 스트레스 지수 산출방법 및 재배관리 시스템

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190081535A (ko) * 2017-12-29 2019-07-09 충북대학교 산학협력단 이미지 형광값을 이용하여 기능성 물질 함량 증진을 위한 식물체의 스트레스 결정 방법
KR102399776B1 (ko) * 2020-11-25 2022-05-23 전북대학교산학협력단 상추 유전자원의 내염성 평가 지표 산출 방법
CN114034672A (zh) * 2021-10-22 2022-02-11 西北农林科技大学 一种基于叶绿素荧光技术的作物冷损伤程度分级方法
CN114034672B (zh) * 2021-10-22 2023-07-07 西北农林科技大学 一种基于叶绿素荧光技术的作物冷损伤程度分级方法
KR20230063972A (ko) * 2021-11-01 2023-05-10 전북대학교산학협력단 수박의 염류 스트레스 지표 제공 방법 및 이에 기반한 수박 염류 이상 검출 시스템
KR102631597B1 (ko) 2023-06-29 2024-02-02 주식회사 리플로그 엽록소 형광값을 이용한 딸기의 스트레스 지수 산출방법 및 재배관리 시스템

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20160052367A (ko) 엽록소 형광영상을 이용한 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응의 진단방법
Dammer et al. Detection of head blight (Fusarium ssp.) in winter wheat by color and multispectral image analyses
US8249308B2 (en) Portable intelligent fluorescence and transmittance imaging spectroscopy system
Yao et al. Using vegetation index and modified derivative for early detection of soybean plant injury from glyphosate
CN104034710B (zh) 基于叶绿素荧光及成像技术的植物病害检测方法
US5981958A (en) Method and apparatus for detecting pathological and physiological change in plants
US20220397517A1 (en) Spectral imaging and analysis for remote and noninvasive detection of plant responses to herbicide treatments
US20220094861A1 (en) Multispectral imaging sensors and systems
Gulavnai et al. Deep learning for image based mango leaf disease detection
US20220108543A1 (en) Method and Device for Analyzing Plants
CN106841116A (zh) 人工绿色目标的检测方法和装置
Muniz et al. Monitoring cashew seedlings during interactions with the fungus Lasiodiplodia theobromae using chlorophyll fluorescence imaging
KR20210065607A (ko) 식물 생육 상태 판단 방법 및 이를 이용한 식물 생육 장치
KR101729169B1 (ko) 열영상을 이용한 식물의 비생물적 스트레스 또는 제초제 반응의 진단방법
CN106896077B (zh) 基于叶绿素荧光成像的转基因玉米草甘膦耐受性表型的检测方法
JP4839441B2 (ja) 受粉蕾の検出方法及び装置
JP6754114B2 (ja) 画像解析装置
Yang et al. Classification of fecal contamination on leafy greens by hyperspectral imaging
Chiu et al. Detecting cabbage seedling diseases by using chlorophyll fluorescence
Su et al. Computer vision technology for identification of snap bean crops using systemic Rhodamine B
Pourreza et al. Development of a multiband sensor for citrus black spot disease detection
Barjaktarović et al. A multispectral acquisition system for potential detection of Flavescence dorée
Pagano et al. Image analysis of the leaf vascular network: physiological considerations
Doi et al. Quantitative use of luminosity-normalized grayscale images of greenness, rednessand yellowness of a rice canopy derived from multi-temporally acquired digital photographs.
Lemes et al. Cunha, JPARd Triangular Greenness Index to Evaluate the Effects of Dicamba in Soybean. AgriEngineering 2022, 4, 758–769

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
E601 Decision to refuse application
E801 Decision on dismissal of amendment
SUBM Surrender of laid-open application requested