RU2730680C1 - Device for determining fluctuating asymmetry of optical characteristics of plant leaves - Google Patents

Device for determining fluctuating asymmetry of optical characteristics of plant leaves Download PDF

Info

Publication number
RU2730680C1
RU2730680C1 RU2020107793A RU2020107793A RU2730680C1 RU 2730680 C1 RU2730680 C1 RU 2730680C1 RU 2020107793 A RU2020107793 A RU 2020107793A RU 2020107793 A RU2020107793 A RU 2020107793A RU 2730680 C1 RU2730680 C1 RU 2730680C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
light guide
light source
guide
flexible light
spectrometer
Prior art date
Application number
RU2020107793A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Анатольевич Ракутько
Елена Николаевна Ракутько
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ)
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 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ)
Priority to RU2020107793A priority Critical patent/RU2730680C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2730680C1 publication Critical patent/RU2730680C1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A01AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01GHORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G7/00Botany in general
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A01AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01HNEW PLANTS OR NON-TRANSGENIC PROCESSES FOR OBTAINING THEM; PLANT REPRODUCTION BY TISSUE CULTURE TECHNIQUES
    • A01H1/00Processes for modifying genotypes ; Plants characterised by associated natural traits

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Botany (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Forests & Forestry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Developmental Biology & Embryology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: agriculture.
SUBSTANCE: device for determining fluctuating asymmetry of optical characteristics of plant leaves comprises a first clamp with first input and output optical connectors, a first light source, a first flexible light guide connecting the first light source to the first input optical connector, spectrometer, control device, wherein it additionally comprises a second clamp with second input and output optical connectors located thereon, a second light source, a second flexible light guide, a branched flexible light guide, guide, wherein the second flexible light guide connects the second light source to the second input optical connector, branched flexible light guide with its branched bundles is connected to the first and second output optical connectors, and unbranched bundle is connected to the spectrometer, first and second clamps are connected to guide with possibility of mutual movement and fixation on it, electrically control device is connected to first, second light sources and spectrometer.
EFFECT: invention enables to determine fluctuation asymmetry of optical characteristics of plant leaves to assess stability of their development.
1 cl, 1 dwg, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области сельского хозяйства, биоиндикации, экологии, к исследованию оптических свойств частей растений и может быть использовано для оперативной оценки стабильности развития растений, выращиваемых как в естественных, так и в искусственных условиях.The invention relates to the field of agriculture, bioindication, ecology, to the study of the optical properties of parts of plants and can be used for the rapid assessment of the stability of the development of plants grown both in natural and artificial conditions.

Факторы окружающей среды (температура, освещенность, влажность и т.д.) оказывают большое влияние на рост и развитие растений. Соответствие уровней факторов требуемым значениям находит отражение в явлении стабильности развития растения. Стабильность развития как явление представляет собой набор механизмов, которые позволяют обеспечить устойчивое развитие (поддержку фенотипа) живого организма несмотря на изменения условий окружающей среды или генетические отклонения [Debat, V. and P. David. 2001. Mapping phenotypes: canalization, plasticity and developmental stability. T. Ecol. and Evol. 16(10), 555-561]. Environmental factors (temperature, light, humidity, etc.) have a great influence on the growth and development of plants. The correspondence of the factor levels to the required values is reflected in the phenomenon of plant development stability. Development stability as a phenomenon is a set of mechanisms that allow for sustainable development (phenotype support) of a living organism despite changes in environmental conditions or genetic deviations [Debat, V. and P. David. 2001. Mapping phenotypes: canalization, plasticity and developmental stability. T. Ecol. and Evol. 16 (10), 555-561].

Мерой стабильности развития является величина флуктуирующей асимметрии (ФА) билатеральных (зеркальных) признаков. При отклонении условий окружающей среды от оптимальных наблюдаются небольшие отклонения значений биометрических параметров у симметричных структур растения – половинок листа, оппозитных листьев и т.д., носящие случайный характер. В качестве биометрических параметров применяют линейные и угловые размеры, для определения которых используют измерительный циркуль, линейку и транспортир [Мазуркин П.М., Семенова Д.В. Способ измерения флуктуирующей асимметрии листьев березы. Пат. РФ № 2556987. Дата подачи заявки 02.07.2013. Опубликовано 20.07.2015 Бюл. № 20]. Величину ФА определяют по формулеThe measure of developmental stability is the value of fluctuating asymmetry (FA) of bilateral (mirror) features. When the environmental conditions deviate from the optimal, small deviations of the values of biometric parameters are observed in symmetrical plant structures - leaf halves, opposite leaves, etc., which are random. As biometric parameters, linear and angular dimensions are used, for the determination of which a measuring compass, a ruler and a protractor are used [Mazurkin P.M., Semenova D.V. Method for measuring fluctuating asymmetry of birch leaves. Pat. RF No. 2556987. Application filing date 02.07.2013. Published on July 20, 2015 Byull. No. 20]. The FA value is determined by the formula

Figure 00000001
, (1)
Figure 00000001
, (1)

где

Figure 00000002
и
Figure 00000003
- значения принятого параметра для билатеральной структуры соответственно на левой и правой стороне листа, N – количество измерений.Where
Figure 00000002
and
Figure 00000003
- the values of the accepted parameter for the bilateral structure, respectively, on the left and right sides of the sheet, N - the number of measurements.

Недостатком известного технического решения является большая трудоемкость измерения линейных и угловых величин. Кроме того, величина ФА, вычисленная через геометрические размеры билатеральных структур, недостаточно адекватно характеризует стабильность развития растения. Более информативными являются оптические характеристики, отражающие физиологическое состояние растения. Так, отражающая способность листьев на различных длинах волн напрямую зависит от содержания в них пигментов, которые в большой степени определяют физиологические процессы в растении.The disadvantage of the known technical solution is the great complexity of measuring linear and angular values. In addition, the FA value calculated through the geometric dimensions of bilateral structures does not adequately characterize the stability of plant development. Optical characteristics reflecting the physiological state of the plant are more informative. Thus, the reflectivity of leaves at different wavelengths directly depends on the content of pigments in them, which to a large extent determine the physiological processes in the plant.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для определения спектральных оптических характеристик листьев растений, содержащее первый зажим с расположенными на нем первыми входным и выходным оптическими разъемами, первый источник света, первый гибкий световод, соединяющий первый источник света с первым входным оптическим разъемом, спектрометр, устройство управления. Информация со спектрометра через блок управления поступает на компьютер, где сохраняется для последующей математической обработки [https://www.cid-inc.com/plant-science-tools/leaf-spectroscopy/ci-710-miniature-leaf-spectrometer/]. The closest technical solution to the claimed one is a device for determining the spectral optical characteristics of plant leaves, containing the first clamp with the first input and output optical connectors located on it, the first light source, the first flexible light guide connecting the first light source with the first input optical connector, a spectrometer, control device. Information from the spectrometer through the control unit is sent to the computer, where it is stored for subsequent mathematical processing [https://www.cid-inc.com/plant-science-tools/leaf-spectroscopy/ci-710-miniature-leaf-spectrometer/] ...

Недостатками известного устройства, при его применении для определения ФА оптической плотности листьев растений, являются следующие. The disadvantages of the known device, when used to determine the FA of the optical density of plant leaves, are as follows.

1. Недостаточная функциональность. При определении величины ФА необходимы парные измерения, на левой и правой частях билатеральных структур. Применение одноканального измерителя требует проведения последовательно двух измерений. Необходима так же обработка полученной первичной информации во внешнем компьютере с помощью статистических программ.1. Insufficient functionality. When determining the PA value, paired measurements are required on the left and right sides of the bilateral structures. The use of a single-channel meter requires two measurements in succession. It is also necessary to process the received primary information in an external computer using statistical programs.

2. Недостаточное удобство в работе. Жесткое конструктивное совмещение элементов в одном корпусе, без возможности выноса зажима от устройства в ценоз, а так же необходимость внешнего компьютера создают неудобство при проведении измерений в ценозе. 2. Lack of convenience in work. Rigid constructive combination of elements in one case, without the possibility of removing the clamp from the device into the cenosis, as well as the need for an external computer create inconvenience when taking measurements in the cenosis.

3. Низкая точность. Перенос измерительного зажима с одной точки поверхности листа в другую при поочередных измерениях осуществляется приблизительно, точное позиционирование зажима последовательно на необходимые точки затруднено.3. Low accuracy. The transfer of the measuring clamp from one point of the sheet surface to another during alternate measurements is carried out approximately, the exact positioning of the clamp sequentially to the required points is difficult.

4. Длительное время измерений. Проведение двух последовательных измерений требует более длительного времени по сравнению с одновременным измерением двух величин.4. Long measurement time. Taking two consecutive measurements takes a longer time than measuring two quantities at the same time.

Техническая задача изобретения – реализация назначения устройства, повышение его функциональности, удобства в работе, точности измерений и скорости их проведения. The technical problem of the invention is to implement the purpose of the device, increase its functionality, ease of use, measurement accuracy and speed of their implementation.

Технический результат – определение величины флуктуирующей асимметрии оптических характеристик листьев растений для оценки стабильности их развития как комплексного показателя влияния факторов окружающей среды на растения при оптимизации светокультуры. EFFECT : determination of the value of fluctuating asymmetry of optical characteristics of plant leaves to assess the stability of their development as a complex indicator of the influence of environmental factors on plants when optimizing photoculture.

Технический результат достигается тем, что устройство содержит первый зажим с расположенными на нем первыми входным и выходным оптическими разъемами, первый источник света, первый гибкий световод, соединяющий первый источник света с первым входным оптическим разъемом, спектрометр, устройство управления, второй зажим с расположенными на нем вторыми входным и выходным оптическими разъемами, второй источник света, второй гибкий световод, разветвленный гибкий световод, направляющую, при этом второй гибкий световод соединяет второй источник света с вторым входным оптическим разъемом, разветвленный гибкий световод своими разветвленными жгутами соединен с первым и вторым выходными оптическими разъемами, а неразветвленым жгутом соединен с спектрометром, первый и второй зажимы присоединены к направляющей с возможностью взаимного перемещения и фиксации на ней, электрически устройство управления соединено с первым, вторым источниками света и спектрометром. The technical result is achieved in that the device comprises a first clamp with the first input and output optical connectors located on it, a first light source, a first flexible light guide connecting the first light source with the first input optical connector, a spectrometer, a control device, a second clamp with second input and output optical connectors, a second light source, a second flexible light guide, a branched flexible light guide, a guide, while the second flexible light guide connects the second light source to the second input optical connector, the branched flexible light guide is connected with its branched bundles to the first and second output optical connectors , and is connected to the spectrometer by an unbranched bundle, the first and second clamps are connected to the guide with the possibility of mutual movement and fixation on it, the control device is electrically connected to the first, second light sources and the spectrometer.

Новые существенные признаки: устройство дополнительно содержит второй зажим с расположенными на нем вторыми входным и выходным оптическими разъемами, второй источник света, второй гибкий световод, разветвленный гибкий световод, направляющую, при этом второй гибкий световод соединяет второй источник света с вторым входным оптическим разъемом, разветвленный гибкий световод своими разветвленными жгутами соединен с первым и вторым выходными оптическими разъемами, а неразветвленым жгутом соединен с спектрометром, первый и второй зажимы присоединены к направляющей с возможностью взаимного перемещения и фиксации на ней, электрически устройство управления соединено с первым, вторым источниками света и спектрометром. New essential features : the device additionally contains a second clip with second input and output optical connectors located on it, a second light source, a second flexible light guide, a branched flexible light guide, a guide, while the second flexible light guide connects the second light source to the second input optical connector, branched the flexible light guide with its branched bundles is connected to the first and second output optical connectors, and the unbranched bundle is connected to the spectrometer, the first and second clamps are connected to the guide with the possibility of mutual movement and fixation on it, the control device is electrically connected to the first, second light sources and the spectrometer.

Технический результат обеспечивается тем, что: The technical result is provided by the fact that:

- совокупность новых элементов конструкции во взаимодействии с известными обеспечивает реализацию назначения устройства;- a set of new structural elements in interaction with known ones ensures the implementation of the device's purpose;

- применение двух каналов измерения повышает функциональность устройства и сокращает время измерения;- the use of two measurement channels increases the functionality of the device and reduces the measurement time;

- пространственная разнесенность зажимов, располагаемых на листе растения и устройства управления, находящегося при измерениях в руках оператора, повышает удобство в работе;- the spatial separation of the clamps located on the leaf of the plant and the control device, which is in the hands of the operator during measurements, increases the convenience in work;

- возможность позиционирования зажимов на листе растения с помощью направляющей повышает точность измерений.- the ability to position the clamps on the plant leaf using a guide increases the measurement accuracy.

Возможность использование предлагаемого изобретения в биомониторинге и в сельском хозяйстве при выращивании растений, известность программно–аппаратных методов и средств, с помощью которых возможна реализация устройства в целом и его отдельных блоков в описанном виде позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «промышленная применимость».The possibility of using the proposed invention in biomonitoring and in agriculture when growing plants, the popularity of software and hardware methods and tools with which it is possible to implement the device as a whole and its individual blocks in the described form allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "industrial applicability" ...

Анализ уровня техники не выявил устройство того же назначения, что и предлагаемое техническое решение, которому присуща совокупность приведенных в независимом пункте формулы существенных признаков, что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».The analysis of the prior art did not reveal a device for the same purpose as the proposed technical solution, which is characterized by a set of essential features given in the independent claim, which indicates that the proposed technical solution meets the "novelty" criterion.

Сущность изобретения не следует для специалиста явным образом из уровня техники, поскольку не выявлена известность влияния признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, на основной технический результат – реализацию назначения изобретения. В изобретении используется неизвестный ранее, найденный авторами в экспериментальных исследованиях эффект, а именно, возможности определения флуктуирующей асимметрии по оптическим характеристикам листа растения, определяемым в парных точках листовой поверхности. Предлагаемое изобретение соответствует условию изобретательского уровня, т.к. основано на дополнении известного технического решения (измерение коэффициентов отражения от некоторой точки поверхности листа растения) новыми признаками, которые обоснованы полученными авторами новыми знаниями, при этом достигается неожиданный технический результат, обусловленный взаимосвязью дополнительных и известных признаков.The essence of the invention does not follow explicitly for a specialist from the prior art, since the knowledge of the influence of features that coincide with the distinctive features of the claimed invention on the main technical result - the implementation of the purpose of the invention has not been revealed. The invention uses a previously unknown effect found by the authors in experimental studies, namely, the possibility of determining fluctuating asymmetry by the optical characteristics of a plant leaf, determined at paired points of the leaf surface. The proposed invention meets the condition of an inventive step, since based on the addition of a known technical solution (measurement of the reflection coefficients from a certain point on the surface of a plant leaf) with new features, which are substantiated by the new knowledge obtained by the authors, while an unexpected technical result is achieved due to the relationship of additional and known features.

На фиг. 1 показана конструкция заявляемого устройства: 1 – первый зажим, 2 – первый входной оптический разъем, 3 – первый выходной оптический разъем, 4 – первый источник света, 5 – первый гибкий световод, 6 – спектрометр, 7 – устройство управления, 8 – второй зажим, 9 – второй входной оптический разъем, 10 – второй выходной оптический разъем, 11 – разветвленный гибкий световод, 12 – второй источник света, 13 – второй гибкий световод, 14 – направляющая, Л – лист растения. FIG. 1 shows the design of the claimed device: 1 - the first clamp, 2 - the first input optical connector, 3 - the first output optical connector, 4 - the first light source, 5 - the first flexible light guide, 6 - spectrometer, 7 - control device, 8 - second clamp , 9 - second input optical connector, 10 - second output optical connector, 11 - branched flexible light guide, 12 - second light source, 13 - second flexible light guide, 14 - guide, L - plant leaf.

В основе изобретения лежат следующие положения. The invention is based on the following provisions .

Сочетания факторов окружающей среды даже в искусственных, специально подобранных условиях могут не в полной мере удовлетворять требованиям растений. Стрессовые воздействия вызывают возмущения в процессе роста и развития растения. Способность живого организма поддерживать траекторию своего развития проявляется в явлении стабильности, которая является чувствительным индикатором состояния растения. Соответственно, нестабильность развития наблюдается в том случае, когда под воздействием внешних факторов организм не способен корректировать их проявление. О нестабильности развития свидетельствуют отклонения в симметрии билатеральных (зеркальных) морфологических структур, которые оценивают по ФА различных признаков. В качестве последних наиболее широко используют геометрические параметры: ширину листа, расстояния между характерными точками листовой поверхности, углы между жилками. Морфологические признаки наиболее доступны для определения величины ФА и позволяют получить интегральную оценку состояния организма при всем комплексе возможных воздействий. Однако такие измерения достаточно трудоемки, обеспечение их точности представляет серьезную проблему.Combinations of environmental factors, even in artificial, specially selected conditions, may not fully meet the requirements of plants. Stress influences cause disturbances in the process of plant growth and development. The ability of a living organism to maintain the trajectory of its development is manifested in the phenomenon of stability, which is a sensitive indicator of the state of the plant. Accordingly, developmental instability is observed when, under the influence of external factors, the body is not able to correct their manifestation. Developmental instability is evidenced by deviations in the symmetry of bilateral (mirror) morphological structures, which are assessed by the FA of various characters. Geometric parameters are most widely used as the latter: leaf width, distances between characteristic points of the leaf surface, angles between veins. Morphological signs are the most accessible for determining the value of PA and make it possible to obtain an integral assessment of the state of the organism with the entire complex of possible influences. However, such measurements are quite laborious, and ensuring their accuracy is a serious problem.

Пигменты являются важным биохимическим компонентом молекулярного аппарата, обеспечивающего протекание различных процессов в растении. Поэтому оценка стабильности развития растений возможна не только по геометрическим признакам, но и по содержанию пигментов в симметричных структурах листа, величина которых может быть найдена по измерениям его спектральных характеристик.Pigments are an important biochemical component of the molecular apparatus that ensures the course of various processes in a plant. Therefore, the assessment of the stability of plant development is possible not only by geometric characteristics, but also by the content of pigments in symmetrical leaf structures, the value of which can be found by measuring its spectral characteristics.

Основными пигментами зеленых листьев являются каротиноиды и хлорофиллы. Хлорофилл обеспечивает процесс фотосинтеза в растении. Каротеноиды выполняют ряд уникальных физико-химических и фотофизических функций: играют важную роль в организации фотосинтетических мембран, участвуют в сборе света, передачи энергии, гашении возбужденных состояний хлорофилла, диссипации избыточной энергии в хлоропластах. Сохранение каротиноидов в процессе разрушения хлорофилла является механизмом фотозащиты во время старения листьев. Изменения содержания каротеноидов в листьях используют для диагностики физиологического состояния растений во время развития, старения, акклиматизации и адаптации к различным средам и стрессам. Перспективным для определения содержания пигментов в листьях растений является применение неразрушающих оптических методов [Dar A. Roberts, Keely L. Roth, Ryan L. Perroy. Hyperspectral Vegetation Indices. https://www.researchgate.net/publication/288952459]. The main pigments of green leaves are carotenoids and chlorophylls. Chlorophyll supports the process of photosynthesis in the plant. Carotenoids perform a number of unique physicochemical and photophysical functions: they play an important role in the organization of photosynthetic membranes, participate in the collection of light, energy transfer, quenching of excited states of chlorophyll, and dissipation of excess energy in chloroplasts. Preservation of carotenoids during chlorophyll degradation is a photoprotection mechanism during leaf aging. Changes in the content of carotenoids in leaves are used to diagnose the physiological state of plants during development, aging, acclimatization and adaptation to various environments and stresses. Promising for determining the content of pigments in plant leaves is the use of non-destructive optical methods [Dar A. Roberts, Keely L. Roth, Ryan L. Perroy. Hyperspectral Vegetation Indices. https://www.researchgate.net/publication/288952459].

Например, количество каротеноидов в листе растения может быть определено по величине индекса CRI (Carotenoid Reflection Index)For example, the number of carotenoids in a plant leaf can be determined by the value of the CRI (Carotenoid Reflection Index)

Figure 00000004
, (2)
Figure 00000004
, (2)

где

Figure 00000005
,
Figure 00000006
- значения коэффициентов отражения на длинах волн 510 и 550 нм соответственно.Where
Figure 00000005
,
Figure 00000006
- the values of the reflection coefficients at the wavelengths of 510 and 550 nm, respectively.

Значения коэффициентов отражения R на соответствующих длинах волн для формулы 2 получают опытным путем, как отношение величины отраженного потока к падающему на данной длине волны. Производя измерения на левой и правой стороне листа, по формуле 1 получают величину ФА индекса CRI, а значит и оценку неравномерности распределения каротеноидов между половинами листа, по которой судят о стабильности развития растений.The values of the reflection coefficients R at the corresponding wavelengths for formula 2 are obtained empirically as the ratio of the magnitude of the reflected flux to the incident flux at a given wavelength. Making measurements on the left and right sides of the leaf, according to formula 1, the FA value of the CRI index is obtained, and hence the assessment of the uneven distribution of carotenoids between the leaf halves, which is used to judge the stability of plant development.

Устройство включает (фиг. 1) первый зажим 1, первый входной оптический разъем 2, первый выходной оптический разъем 3, первый источник света 4, первый гибкий световод 5, спектрометр 6, устройство управления 7, второй зажим 8, второй входной оптический разъем 9, второй выходной оптический разъем 10, разветвленный гибкий световод 11, второй источник света 12, второй гибкий световод 13, направляющую 14, The device includes (Fig. 1) a first clip 1, a first input optical connector 2, a first output optical connector 3, a first light source 4, a first flexible light guide 5, a spectrometer 6, a control device 7, a second clip 8, a second input optical connector 9, a second output optical connector 10, a branched flexible light guide 11, a second light source 12, a second flexible light guide 13, a guide 14,

Первый гибкий световод 5 соединяет первый источник света 4 с первым входным оптическим разъемом 2, второй гибкий световод 13 соединяет второй источник света 12 с вторым входным оптическим разъемом 9, разветвленный гибкий световод 11 своими разветвленными жгутами соединен с первым 3 и вторым 10 выходными оптическими разъемами, а неразветвленым жгутом соединен с спектрометром 6, электрически устройство управления 7 соединено с первым 4, вторым 12 источниками света и спектрометром 6. Первый 1 и второй 8 зажимы присоединены к направляющей 14 с возможностью взаимного перемещения и фиксации на ней. Длины гибких световодов 5, 11 и 13 при конструктивном исполнении устройства выбираются из возможности выноса зажимов 1 и 8 внутрь ценоза.The first flexible light guide 5 connects the first light source 4 to the first input optical connector 2, the second flexible light guide 13 connects the second light source 12 to the second input optical connector 9, the branched flexible light guide 11 is connected to the first 3 and second 10 output optical connectors with its branched bundles, and an unbranched cord is connected to the spectrometer 6, the control device 7 is electrically connected to the first 4, the second 12 light sources and the spectrometer 6. The first 1 and second 8 clamps are connected to the guide 14 with the possibility of mutual movement and fixation on it. The lengths of the flexible light guides 5, 11 and 13 in the design of the device are selected from the possibility of removing the clamps 1 and 8 inside the cenosis.

Устройство работает следующим образом. Перед измерениями устройство калибруют с использованием вместо листа растения белой диффузно отражающей пластины для определения спектров излучения первого 4 и второго 12 источников света и учета возможной несимметрии каналов измерения. The device works as follows . Before measurements, the device is calibrated using a white diffusely reflecting plate instead of a plant leaf to determine the emission spectra of the first 4 and second 12 light sources and take into account the possible asymmetry of the measurement channels.

На поверхности листа растения намечают две точки, расположенные слева и справа симметрично относительно центральной жилки листа. Первый 1 и второй 8 зажимы перемещают вдоль направляющей 14 до совпадения мест измерения оптических характеристик листа с этими точками и фиксируют их на направляющей. Выбранный для измерений лист помещают в зажимы. On the surface of the leaf of the plant, two points are marked, located on the left and right symmetrically relative to the central vein of the leaf. The first 1 and the second 8 clamps move along the guide 14 until the points of measurement of the optical characteristics of the sheet coincide with these points and fix them on the guide. The sheet selected for measurement is placed in the clamps.

Поступающий от устройства управления 7 сигнал производит включение первого источника света 4. Поток света по первому гибкому световоду 5 через первый входной оптический разъем 2 падает на поверхность листа в первой точке его поверхности. Отразившийся от поверхности поток через первый выходной оптический разъем 3 по соответствующему разветвленному жгуту поступает в спектрометр 6 и далее в устройство управления 7, где производится вычисление спектральных коэффициентов отражения листа в первой точке. The signal coming from the control device 7 turns on the first light source 4. The light flux through the first flexible light guide 5 through the first input optical connector 2 falls on the surface of the sheet at the first point of its surface. The flux reflected from the surface through the first output optical connector 3 through the corresponding branched bundle enters the spectrometer 6 and further to the control device 7, where the spectral reflectances of the sheet are calculated at the first point.

После стабилизации измеренных величин устройство управления 7 выключает первый 4 и включает второй 12 источники света. Поток света по второму гибкому световоду 13 через второй входной оптический разъем 9 падает на поверхность листа во второй точке его поверхности. Отразившийся от поверхности поток через второй выходной оптический разъем 10 по соответствующему разветвленному жгуту поступает в спектрометр 6 и далее в устройство управления 7, где производится вычисление спектральных коэффициентов отражения листа во второй точке. После стабилизации измеренных величин устройство управления 7 выключает второй источник света 12 и определяет величину показателя ФА для данного листа растения. Результаты измерений сохраняются в памяти, входящей в состав устройства управления 7. Для обеспечения статистически достоверных значений измерения повторяют на других листьях с определением среднего значения показателя ФА.After stabilization of the measured values, the control device 7 turns off the first 4 and turns on the second 12 light sources. The light flux through the second flexible light guide 13 through the second input optical connector 9 falls on the surface of the sheet at the second point of its surface. The flux reflected from the surface through the second output optical connector 10 through the corresponding branched bundle enters the spectrometer 6 and then to the control device 7, where the spectral reflectances of the sheet are calculated at the second point. After stabilization of the measured values, the control device 7 turns off the second light source 12 and determines the value of the FA index for the given plant leaf. The measurement results are stored in the memory included in the control device 7. To ensure statistically reliable values, the measurements are repeated on other leaves with the determination of the average value of the FA index.

Пример. Оценку флуктуирующей асимметрии коэфициентов отражения листьев томата производили в блоке теплиц «Межвиди». Измерения проводили на растениях томата двух сортов, Энкоре и Бользано, выращиваемых в одинаковых условиях. Измеряли оптические характеристики (спекральные коэффициенты отражения) листьев нижнего яруса, без признаков хлороза, достигших длины 25-30 см. Измерения проводили на 60 образцах растений каждого сорта. An example . The assessment of the fluctuating asymmetry of the reflection coefficients of tomato leaves was carried out in the block of greenhouses "Mezhvidi". The measurements were carried out on tomato plants of two varieties, Encore and Bolzano, grown under the same conditions. We measured the optical characteristics (spectral reflectances) of the leaves of the lower layer, without signs of chlorosis, reaching a length of 25-30 cm. The measurements were carried out on 60 samples of plants of each variety.

В таблице показаны средние значения коэффициентов отражения R на двух длинах волн, индекса CRI и величины ФА для различных сортов томата.The table shows the average values of the reflection coefficients R at two wavelengths, the CRI index and the PA value for different varieties of tomato.

Как следует из результатов эксперимента, различия как между коэффициентами отражения R, так и между индексами CRI (а значит, между концентрацией каротеноидов в листе), вычисленные для половинок листа, незначительны (величина k отличается на единицы процента) для двух сортов томата и не могут быть использованы при анализе влияния сорта и условий окружающей среды на стабильность развития растений. Напротив, ФА концентрации каротеноидов (т.е. неравномерности их распределения между левой и правой частями листа) для растений томата сорта Бользано в 1,26 раза превышает это значение для растений сорта Энкоре. As follows from the experimental results, the differences between both the reflection coefficients R and between the CRI indices (and, therefore, between the concentration of carotenoids in the leaf), calculated for leaf halves, are insignificant (the value of k differs by a few percent) for two tomato varieties and cannot be used to analyze the influence of the variety and environmental conditions on the stability of plant development. On the contrary, the PA concentration of carotenoids (i.e., uneven distribution between the left and right parts of the leaf) for tomato plants of the Bolzano variety is 1.26 times higher than that for plants of the Encore variety.

СортVariety R510, %R 510 ,% R550, %R 550 ,% CRI, отн.ед.CRI, rel. LL RR LL RR LL RR ФАF ЭнкореAnchor 14,714.7 14,814.8 24,224.2 24,424.4 0,02670.0267 0,02710.0271 0,04070.0407 БользаноBolzano 14,014.0 14,314.3 23,123.1 23,623.6 0,02840.0284 0,02810.0281 0,05140.0514 kk 0,950.95 0,970.97 0,960.96 0,970.97 1,071.07 1,041.04 1,261.26

Таким образом, с помощью заявляемого устройства возможна оценка стабильности развития растений по ФА оптических характеристик (в частности, коэффициентов отражения) листьев растений. Данное устройство возможно использовать как при оценке состояния растения в процессе биомониторинга в естественных условиях, так и в условиях светокультуры, для комплексной оценки действия фактров окружающей среды на растения.Thus, using the proposed device, it is possible to assess the stability of plant development by the FA of optical characteristics (in particular, the reflection coefficients) of plant leaves. This device can be used both for assessing the state of a plant in the process of biomonitoring in natural conditions, and under conditions of photoculture, for a comprehensive assessment of the effect of environmental factors on plants.

Claims (1)

Устройство для определения флуктуирующей асимметрии оптических характеристик листьев растений, содержащее первый зажим с расположенными на нем первыми входным и выходным оптическими разъемами, первый источник света, первый гибкий световод, соединяющий первый источник света с первым входным оптическим разъемом, спектрометр, устройство управления, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй зажим с расположенными на нем вторыми входным и выходным оптическими разъемами, второй источник света, второй гибкий световод, разветвленный гибкий световод, направляющую, при этом второй гибкий световод соединяет второй источник света с вторым входным оптическим разъемом, разветвленный гибкий световод своими разветвленными жгутами соединен с первым и вторым выходными оптическими разъемами, а неразветвленым жгутом соединен с спектрометром, первый и второй зажимы присоединены к направляющей с возможностью взаимного перемещения и фиксации на ней, электрически устройство управления соединено с первым, вторым источниками света и спектрометром. A device for determining the fluctuating asymmetry of the optical characteristics of plant leaves, comprising a first clamp with first input and output optical connectors located on it, a first light source, a first flexible light guide connecting the first light source with a first input optical connector, a spectrometer, a control device characterized by that it additionally comprises a second clip with second input and output optical connectors located on it, a second light source, a second flexible light guide, a branched flexible light guide, a guide, while the second flexible light guide connects the second light source to the second input optical connector, a branched flexible light guide with its own branched bundles are connected to the first and second output optical connectors, and an unbranched bundle is connected to the spectrometer, the first and second clamps are connected to the guide with the possibility of mutual movement and fixation on it, electrically the control device is connected but with the first, second light sources and a spectrometer.
RU2020107793A 2020-02-20 2020-02-20 Device for determining fluctuating asymmetry of optical characteristics of plant leaves RU2730680C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020107793A RU2730680C1 (en) 2020-02-20 2020-02-20 Device for determining fluctuating asymmetry of optical characteristics of plant leaves

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020107793A RU2730680C1 (en) 2020-02-20 2020-02-20 Device for determining fluctuating asymmetry of optical characteristics of plant leaves

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2730680C1 true RU2730680C1 (en) 2020-08-24

Family

ID=72237792

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020107793A RU2730680C1 (en) 2020-02-20 2020-02-20 Device for determining fluctuating asymmetry of optical characteristics of plant leaves

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2730680C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU219512U1 (en) * 2023-05-22 2023-07-21 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) Device for ecological monitoring of stress conditions of plants

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2011141321A (en) * 2011-10-13 2013-04-20 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт рапса METHOD FOR SELECTION OF RAPE PLANTS (BRASSICA NAPUS L.) AS A SIGN OF DRY RESISTANCE
RU2556987C2 (en) * 2013-07-02 2015-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный технологический университет" Method of measuring fluctuating asymmetry of birch leaves
CN110139552A (en) * 2016-11-08 2019-08-16 道格图斯科技有限公司 Robot fruit picker system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2011141321A (en) * 2011-10-13 2013-04-20 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт рапса METHOD FOR SELECTION OF RAPE PLANTS (BRASSICA NAPUS L.) AS A SIGN OF DRY RESISTANCE
RU2556987C2 (en) * 2013-07-02 2015-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный технологический университет" Method of measuring fluctuating asymmetry of birch leaves
CN110139552A (en) * 2016-11-08 2019-08-16 道格图斯科技有限公司 Robot fruit picker system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU219512U1 (en) * 2023-05-22 2023-07-21 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) Device for ecological monitoring of stress conditions of plants

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Richardson et al. An evaluation of noninvasive methods to estimate foliar chlorophyll content
Neto et al. Vis/NIR spectroscopy and chemometrics for non-destructive estimation of water and chlorophyll status in sunflower leaves
Ciganda et al. Non-destructive determination of maize leaf and canopy chlorophyll content
US7660698B1 (en) Phytometric intelligence sensors
JP2517858B2 (en) Nondestructive measurement method of fruit sugar content by near infrared transmission spectrum
CN107796764B (en) Method for constructing wheat leaf area index estimation model based on three-band vegetation index
US10024832B2 (en) Method for evaluating vitality of plant, and measurement system and evaluation system
Jones et al. Estimating water stress in plants using hyperspectral sensing
CN103528965B (en) A kind of wheat leaf equivalent water thickness EO-1 hyperion monitoring method
US12066380B2 (en) Methods and systems for detecting water status in plants using terahertz radiation
Panneton et al. Discrimination of corn from monocotyledonous weeds with ultraviolet (UV) induced fluorescence
RU2730680C1 (en) Device for determining fluctuating asymmetry of optical characteristics of plant leaves
Khan et al. Use of models as non-destructive method for leaf area estimation in horticultural crops
CN105608296B (en) A kind of blade potassium concn inversion method based on lichee canopy spectra
Jones et al. Non-destructive estimation of Pinus taeda L tracheid morphological characteristics for samples from a wide range of sites in Georgia
Sookchalearn et al. A low-cost sensor for measuring and mapping chlorophyll content in cassava leaves
CN105004707B (en) The online Raman spectrometer spectrogram standardized method of ccd array
ES2208729T3 (en) METHOD OF NORMALIZATION OF OXIMETERS AND INTERPRETATION OF RESULTS.
Panneton et al. Improved discrimination between monocotyledonous and dicotyledonous plants for weed control based on the blue-green region of ultraviolet-induced fluorescence spectra
Qin et al. A non-linear model of nondestructive estimation of anthocyanin content in grapevine leaves with visible/red-infrared hyperspectral
CN106501189B (en) A kind of spectral measurement method and device
Surase et al. Estimation of water contents from vegetation using hyperspectral indices
JP3352848B2 (en) Pseudo-object for calibration of internal property measuring device and calibration method of internal property measuring device
CN114609091A (en) Water turbidity and chlorophyll a concentration linkage calibration and measurement method based on spectrum technology
Huang et al. Estimation of chlorophyll content in pepper leaves using spectral transmittance red-edge parameters