RU2592574C2 - Оптический способ оценки функционального состояния растений - Google Patents
Оптический способ оценки функционального состояния растений Download PDFInfo
- Publication number
- RU2592574C2 RU2592574C2 RU2014148848/13A RU2014148848A RU2592574C2 RU 2592574 C2 RU2592574 C2 RU 2592574C2 RU 2014148848/13 A RU2014148848/13 A RU 2014148848/13A RU 2014148848 A RU2014148848 A RU 2014148848A RU 2592574 C2 RU2592574 C2 RU 2592574C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- light scattering
- seconds
- chlorophyll
- resistance
- scattering intensity
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P60/00—Technologies relating to agriculture, livestock or agroalimentary industries
- Y02P60/14—Measures for saving energy, e.g. in green houses
Landscapes
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области экспериментальной биологии, растениеводству, сельскому и лесному хозяйствам. Способ включает измерение оптических параметров хлорофиллсодержащих тканей. При этом регистрируют динамику светорассеяния фотосинтезирующей растительной ткани в процессе засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра (в зоне первого максимума поглощения хлорофилла 460-480 нм) плотностью мощности 150-800 Вт/м2 в течение 20-40 секунд. Затем активируют монохроматическое зондирующее излучение красной области спектра (в зоне второго максимума поглощения хлорофилла 650-660 нм) плотностью мощности 2500-6000 Вт/м2. В течение последующих 30-120 секунд продолжают регистрировать динамику светорассеяния того же самого участка ткани. О фотосинтетической активности и устойчивости к фотодеструкции судят по величине и знаку показателей α и β, которые рассчитываются по формулам: и где |α| - скорость изменения интенсивности светорассеяния в течение засветки оптическим излучением синей области спектра; I01 - средняя интенсивность светорассеяния в первые 1-3 секунды засветки оптическим излучением синей области спектра; |β| - скорость изменения интенсивности светорассеяния в течение засветки оптическим излучением красной области спектра; I02 - средняя интенсивность светорассеяния в первые 1-3 секунды засветки оптическим излучением красной области спектра; t - текущее время. Чем выше значение модулей данных показателей при отрицательном знаке, тем выше фотосинтетическая активность и устойчивость к фотодеструкции, и чем выше значение модулей показателей α и β при положительном знаке, тем слабее фотосинтетическая активность и устойчивость к фотодеструкции. Способ позволяет снизить трудоемкость определения функционального состояния растений и повысить ее эффективность посредством количественной оценки фотосинтетической активности и устойчивости к фотодеструкции хлорофиллсодержащих тканей за один измерительный цикл. 1 ил., 1 табл., 1 пр.
Description
Изобретение относится к экспериментальной биологии, растениеводству, сельскому и лесному хозяйству и может быть использовано для оценки функционального состояния растений и плодов, в том числе при оптимизации агротехнических условий выращивания, хранения, а также для выявления степени устойчивости растений к различным неблагоприятным факторам среды.
Известны оптические способы оценки функционального состояния растений и плодов, основанные на регистрации спектров поглощения или коэффициентов отражения/пропускания на определенных длинах волн или параметров флуоресценции хлорофиллсодержащих тканей [1-4]. О функциональном состоянии судят по различиям оптических параметров, полученных при измерениях опытных и контрольных растений. Наиболее точное определение функционального состояния хлорофиллсодержащих тканей основано на комплексной информации о фотосинтетической активности и об устойчивости к фотодеструкции, но ни один из известных оптических методов и реализующих их устройств не позволяет проводить такие оценки за один измерительный цикл. Для этого приходится привлекать два различных методологических подхода с различной технической базой и алгоритмами обработки данных, что существенно увеличивает трудоемкость и стоимость измерений. Точность получаемых оценок вследствие того, что измерения проводятся с разрывом во времени, также снижается.
Цель изобретения - снижение трудоемкости определения функционального состояния растений и повышение ее эффективности посредством количественной оценки фотосинтетической активности и устойчивости к фотодеструкции хлорофиллсодержащих тканей за один измерительный цикл.
Способ осуществляется следующим образом. Регистрируют динамику светорассеяния небольшого участка хлорофиллсодержащей растительной ткани (листья, побеги, покровные ткани фруктов и овощей) в процессе первой засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра (в зоне первого максимума поглощения хлорофилла 460…480 нм) плотностью мощности 150…800 Вт/м2 в течение 20…40 секунд, затем активируют монохроматическое зондирующее излучение красной области спектра (в зоне второго максимума поглощения хлорофилла 650…660 нм) плотностью мощности 2500…6000 Вт/м2 и в течение последующих 30-120 секунд продолжают регистрировать динамику светорассеяния того же самого участка ткани в процессе засветки красным излучателем. При этом спектральная чувствительность фотоприемного устройства, предназначенного для регистрации интенсивности светорассеяния, должна быть в несколько раз выше (в 2 и более) в диапазоне длин волн 650…740 нм, по отношению к спектральной чувствительности в диапазоне длин волн 460-480 нм.
О фотосинтетической активности судят по скорости изменения интенсивности светорассеяния в течение первых 20…40 секунд засветки оптическим излучением синей области спектра, а об устойчивости к фотодеструкции - по скорости изменения интенсивности светорассеяния в процессе засветки оптическим излучением красной области спектра. Количественно фотосинтетическая активность и устойчивость к фотодеструкции определяются показателями α и β соответственно, которые рассчитываются по формулам:
где |α| - скорость изменения интенсивности светорассеяния в течение всего времени засветки оптическим излучением синей области спектра; I01 - средняя интенсивность светорассеяния в первые 1-3 секунды засветки оптическим излучением синей области спектра; |β| - скорость изменения интенсивности светорассеяния в течение второй фазы засветки оптическим излучением красной области спектра; I02 - средняя интенсивность светорассеяния в первые 1-3 секунды засветки оптическим излучением красной области спектра; t - текущее время.
При этом о фотосинтетической активности и устойчивости к фотодеструкции судят по величине и знаку показателей α и β соответственно. Чем выше значение модулей данных показателей при отрицательном знаке, тем выше фотосинтетическая активность и устойчивость к фотодеструкции. Чем выше значение модулей показателей α и β при положительном знаке, тем слабее фотосинтетическая активность и устойчивость к фотодеструкции.
Пример. Для измерений использовали листья смородины черной, со средним, высоким и низким уровнем функционального состояния фотосинтетического аппарата. Для этого были проведены с помощью хлорофилл-флуориметра измерения потенциального квантового выхода Y фотосистемы 2, величина которого прямо пропорциональна активности фотосинтеза. Листья разделяли на три группы: с высоким (Y≥0,65 отн. ед.), средним (Y≈0,35…0,45 отн. ед.) и низким функциональным состоянием фотосинтетического аппарата (Y≤0,30 отн. ед.). После темновой адаптации в течение 30 минут небольшой участок листа площадью 2 мм2 подвергали засветке оптическим излучением с длиной волны 475 нм и плотностью мощности 600 Вт/м2. Длительность засветки продолжалась 30 секунд, по окончании которой включался источник красного излучения (655 нм) с плотностью мощности 4200 Вт/м2, экспонирующий ту же самую зону листа в течение последующих 120 секунд. Фиксировали динамику изменения интенсивности светорассеяния в процессе засветки синим и затем красным светом и определяли параметры α и β по формуле 1. Для удобства рассмотрения, графики представлены в относительных единицах, приведенных к 100% относительно начальных значений, полученных в течение первых 1-2 секунд засветки синим светом. Типичные качественные кривые (фиг. 1) имеют следующие особенности реакции ФСА на засветку в зависимости от функционального состояния:
- в варианте с высоким функциональным состоянием ФСА (верхний график фиг. 1 «Высокое ФС») динамика интенсивности светорассеяния в первые секунды засветки синим светом в основном обусловлена медленной индукцией флуоресценции хлорофилла (МИФХ); после включения красного света большей интенсивности этот процесс возобновляется до выхода на плато. Через весьма продолжительное время (от единиц до десятков минут в зависимости от вида растения и мощности зондирующего потока) можно наблюдать очень слабый подъем;
- в варианте со средним функциональным состоянием ФСА (средний график фиг. 1 «Среднее ФС») амплитуда и скорость МИФХ значительно меньше; после включения красного излучателя сигнал изменяет свою интенсивность, но без возобновления перепада (или второй перепад очень слабый), и затем начинается подъем светорассеяния, обусловленный процессами фотодеструкции хлорофилла. При этом крутизна подъема интенсивности больше, чем у верхнего графика;
- в варианте с низким функциональным состоянием ФСА (нижний график фиг. 1 «Низкое ФС») амплитуда и скорость МИФХ еще меньше, а после включения красного источника процессы фотодеструкции начинаются почти мгновенно и с высокой скоростью фотовыцветания хлорофилла.
Эти закономерности характерны для всех хлорофиллсодержащих тканей, с вариациями по амплитуде и скорости изменения кривых в зависимости от генотипических и фенотипических особенностей.
По результатам измерений (таблица 1) следует важный вывод о независимости регистрируемых параметров от оптической плотности листа, а соответственно, и от формы представления данных. Следовательно, существенно упрощается процесс сравнительной оценки параметров листьев растений и других хлорофиллсодержащих органов различной толщины, формы и пигментного состава.
Регистрируемые параметры α и β зависят только от функционального состояния ФСА, причем по сравнению с известными методами оценки функционального состояния по потенциальному квантовому выходу Y фотосистемы 2 предлагаемые параметры имеют существенно больший динамический диапазон варьирования, что позволяет давать более точную оценку функционального состояния растений.
Таким образом, предлагаемый метод позволяет в рамках единой оптической схемы, за один цикл измерений в течение нескольких минут количественно оценивать уровень фотосинтетической активности и устойчивости к фотодеструкции любых тканей растений, содержащих хлорофилл. На аналогичные оценки с помощью типовых методик и оборудования затрачивается несколько часов.
Литература
1. Веселовский В.А., Веселова Т.В. Люминесценция растений. Теоретические и практические аспекты. - М.: Наука, 1990. - 200 с.
2. Лепедуш X., Вильевач М, Цезар В., Любешич Н. Оценка функционального состояния фотосинтетического аппарата у хвои ели с признаками хлороза на слабом и сильном свету по изменению флуоресценции хлорофилла in vivo // Физиология растений. - 2005. - Т. 52, №2. - С. 191-197.
3. Мерзляк, М.Н. Гительсон А.А., Чивкунова О.Б., Соловченко А.Е., Погосян С.И. Использование спектроскопии отражения в анализе пигментов высших растений // Физиология растений. - 2003. - Т. 50, №5. - С. 785-792.
4. Kumar S.P. Photoinhibition of photosynthesis and mechanism of protection against photodamage in crop plant // Everyman′s Sci. - 2002. - V. 36, №4. - C. 237-252.
Claims (1)
- Оптический способ оценки функционального состояния растений, включающий измерение оптических параметров хлорофиллсодержащих тканей, отличающийся тем, что регистрируют динамику светорассеяния фотосинтезирующей растительной ткани в процессе засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра (в зоне первого максимума поглощения хлорофилла 460-480 нм) плотностью мощности 150-800 Вт/м2 в течение 20-40 секунд, затем активируют монохроматическое зондирующее излучение красной области спектра (в зоне второго максимума поглощения хлорофилла 650-660 нм) плотностью мощности 2500-6000 Вт/м2 и в течение последующих 30-120 секунд продолжают регистрировать динамику светорассеяния того же самого участка ткани; о фотосинтетической активности и устойчивости к фотодеструкции судят по величине и знаку показателей α и β, которые рассчитываются по формулам: и где |α| - скорость изменения интенсивности светорассеяния в течение засветки оптическим излучением синей области спектра; I01 - средняя интенсивность светорассеяния в первые 1-3 секунды засветки оптическим излучением синей области спектра; |β| - скорость изменения интенсивности светорассеяния в течение засветки оптическим излучением красной области спектра; I02 - средняя интенсивность светорассеяния в первые 1-3 секунды засветки оптическим излучением красной области спектра; t - текущее время; при этом чем выше значение модулей данных показателей при отрицательном знаке, тем выше фотосинтетическая активность и устойчивость к фотодеструкции, и чем выше значение модулей показателей α и β при положительном знаке, тем слабее фотосинтетическая активность и устойчивость к фотодеструкции.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014148848/13A RU2592574C2 (ru) | 2014-12-03 | 2014-12-03 | Оптический способ оценки функционального состояния растений |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014148848/13A RU2592574C2 (ru) | 2014-12-03 | 2014-12-03 | Оптический способ оценки функционального состояния растений |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014148848A RU2014148848A (ru) | 2016-06-27 |
RU2592574C2 true RU2592574C2 (ru) | 2016-07-27 |
Family
ID=56195371
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014148848/13A RU2592574C2 (ru) | 2014-12-03 | 2014-12-03 | Оптический способ оценки функционального состояния растений |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2592574C2 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2688464C1 (ru) * | 2018-03-20 | 2019-05-21 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр имени И.В. Мичурина" | Способ неразрушающей диагностики функционального состояния растений ex vitro и in vitro |
RU2756526C2 (ru) * | 2020-03-24 | 2021-10-01 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр имени И.В. Мичурина" | Оптический способ оценки функционального состояния растений |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2316366C2 (ru) * | 2006-02-08 | 2008-02-10 | ООО "Наука-Сервис-Центр" | Способ фотодинамической инактивации бактерий |
RU2364077C2 (ru) * | 2007-09-26 | 2009-08-20 | Ольга Николаевна Будаговская | Оптический способ оценки устойчивости растений к фотоингибированию и фотодеструкции |
RU2384045C2 (ru) * | 2008-04-17 | 2010-03-20 | Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт садоводства им. И.В. Мичурина (ГНУ ВНИИС) | Способ оценки реакции растений яблони на латентную вирусную инфекцию |
-
2014
- 2014-12-03 RU RU2014148848/13A patent/RU2592574C2/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2316366C2 (ru) * | 2006-02-08 | 2008-02-10 | ООО "Наука-Сервис-Центр" | Способ фотодинамической инактивации бактерий |
RU2364077C2 (ru) * | 2007-09-26 | 2009-08-20 | Ольга Николаевна Будаговская | Оптический способ оценки устойчивости растений к фотоингибированию и фотодеструкции |
RU2384045C2 (ru) * | 2008-04-17 | 2010-03-20 | Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт садоводства им. И.В. Мичурина (ГНУ ВНИИС) | Способ оценки реакции растений яблони на латентную вирусную инфекцию |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
BLAHA L. Vliv vyzivy a kvality osvetleni na habitus klicnich rostlin psenice jarni //Genet. Slecht,Т. 21, N 4, 1985, s. 259-268. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2688464C1 (ru) * | 2018-03-20 | 2019-05-21 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр имени И.В. Мичурина" | Способ неразрушающей диагностики функционального состояния растений ex vitro и in vitro |
RU2756526C2 (ru) * | 2020-03-24 | 2021-10-01 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр имени И.В. Мичурина" | Оптический способ оценки функционального состояния растений |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014148848A (ru) | 2016-06-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6485850B2 (ja) | 植物の活力診断方法、並びにこれに用いられる計測システム及び診断システム | |
Perkins et al. | Light response curve methodology and possible implications in the application of chlorophyll fluorescence to benthic diatoms | |
EP2638797A1 (en) | Plant health diagnostic method and plant health diagnostic device | |
US20190033216A1 (en) | Microalgae monitoring apparatus and microalgae monitoring method | |
RU2592574C2 (ru) | Оптический способ оценки функционального состояния растений | |
Hideg et al. | Parallel assessment of ROS formation and photosynthesis in leaves by fluorescence imaging | |
Coelho et al. | Effects of desiccation on the photosynthetic activity of intertidal microphytobenthos biofilms as studied by optical methods | |
Barletta et al. | The direct measurement of intracellular pigments in phytoplankton using resonance Raman spectroscopy | |
RU2364077C2 (ru) | Оптический способ оценки устойчивости растений к фотоингибированию и фотодеструкции | |
Babourina et al. | Uptake of aluminium into Arabidopsis root cells measured by fluorescent lifetime imaging | |
RU2688464C1 (ru) | Способ неразрушающей диагностики функционального состояния растений ex vitro и in vitro | |
RU2604302C2 (ru) | Способ оценки функционального состояния растений in vitro без нарушения стерильности | |
RU2569241C2 (ru) | Оптический способ оценки устойчивости фотосинтезирующих тканей растений к фотоингибированию и устройство для его осуществления | |
da Silva | Monitoring photosynthesis by in vivo chlorophyll fluorescence: application to high-throughput plant phenotyping | |
JP2014240825A (ja) | 土壌地力形質の分析方法及び分析装置 | |
EP2659262B1 (en) | A method of measurement of agrotechnical spraying, in which parts of a plant covered with chemical substances, in particular agrochemicals, are analyzed. | |
Badgujar et al. | A light‐mediated study of carotenoids in carrots (Daucus carota) using resonance Raman spectroscopy | |
JP2013183702A (ja) | 植物の生育状態を診断する方法及びこれに用いられる装置 | |
RU2626586C1 (ru) | Способ оценки селекционного материала гороха посевного на интенсивность фотосинтеза листьев | |
Wilson et al. | Assessment of chilling sensitivity by chlorophyll fluorescence analysis | |
RU2756526C2 (ru) | Оптический способ оценки функционального состояния растений | |
Kancheva et al. | Chlorophyll fluorescence as a plant stress indicator | |
JP5717066B2 (ja) | 水ポテンシャル測定方法及び水ポテンシャル測定装置 | |
Razinger et al. | Delayed fluorescence imaging of photosynthesis inhibitor and heavy metal induced stress in potato | |
RU2384045C2 (ru) | Способ оценки реакции растений яблони на латентную вирусную инфекцию |