RU2756526C2 - Оптический способ оценки функционального состояния растений - Google Patents
Оптический способ оценки функционального состояния растений Download PDFInfo
- Publication number
- RU2756526C2 RU2756526C2 RU2020112341A RU2020112341A RU2756526C2 RU 2756526 C2 RU2756526 C2 RU 2756526C2 RU 2020112341 A RU2020112341 A RU 2020112341A RU 2020112341 A RU2020112341 A RU 2020112341A RU 2756526 C2 RU2756526 C2 RU 2756526C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- intensity
- chlorophyll
- monochromatic
- value
- spectrum
- Prior art date
Links
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
- A01G7/00—Botany in general
- A01G7/04—Electric or magnetic or acoustic treatment of plants for promoting growth
-
- 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
-
- 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
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Immunology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- Botany (AREA)
- Ecology (AREA)
- Forests & Forestry (AREA)
- Environmental Sciences (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано для оценки функционального состояния растений, в том числе при оптимизации агротехнических условий выращивания, а также для выявления устойчивости растений к различным неблагоприятным факторам среды. Способ включает измерение оптических параметров листьев. Регистрируют интенсивность светорассеяния листовой пластинки растения в процессе первой засветки монохроматическим оптическим излучением красной области спектра 630-660 нм плотностью мощности 80-120 Вт/м2 в течение 3-6 секунд в режиме пропускания. Затем активируют монохроматическое зондирующее излучение синей области спектра 450-470 нм плотностью мощности 400-1200 Вт/м2 и в течение последующих 60 секунд регистрируют динамику изменения интенсивности флуоресценции хлорофилла в режиме отражения. Об относительном содержании хлорофилла судят по ослаблению листом зондирующего потока красной области спектра, а о фотосинтетической активности – по изменению интенсивности флуоресценции хлорофилла за 60 секунд засветки зондирующим потоком синей области спектра. О функциональном состоянии растений судят по величине показателя КФС, который рассчитывается по формуле: КФС=(Iф3-Iф60)/Iк4, где Iф3 – интенсивность флуоресцентного сигнала в режиме отражения на 3-й секунде засветки монохроматическим синим светом; Iф60 – интенсивность флуоресцентного сигнала в режиме отражения на 60-й секунде засветки монохроматическим синим светом; Iк4 – интенсивность светорассеяния листа в режиме пропускания на 4-й секунде засветки монохроматическим красным светом. При этом чем выше значения КФС и ниже величина Iк4 – тем больше удельная фотосинтетическая активность и выше относительное содержание хлорофилла; а чем ниже значения КФС и выше величина Iк4 – тем ниже удельная фотосинтетическая активность и ниже относительное содержание хлорофилла в листьях. Способ обеспечивает снижение трудоемкости определения функционального состояния растений и повышение его эффективности посредством количественной оценки фотосинтетической активности и относительного содержания хлорофилла за один измерительный цикл. 2 табл., 2 пр.
Description
Изобретение относится к экспериментальной биологии, растениеводству, сельскому и лесному хозяйству и может быть использовано для оценки функционального состояния растений, в том числе при оптимизации агротехнических условий выращивания, а также для выявления устойчивости растений к различным неблагоприятным факторам среды.
Известны оптические способы оценки функционального состояния растений, основанные на регистрации спектров поглощения или коэффициентов отражения (пропускания) на определенных длинах волн или параметров флуоресценции листовой ткани [1-4]. О функциональном состоянии судят по различиям оптических параметров, полученных при измерениях опытных и контрольных растений. Известен способ неразрушающей диагностики растений ex vitro и in vitro, предполагающий количественную оценку фотосинтетической активности хлорофилл-содержащих тканей растений и их устойчивости к фотоингибированию за один измерительный цикл по параметрам медленной индукции флуоресценции хлорофилла [5]. Данный метод не позволяет судить о содержании хлорофилла в листьях и соответственно адекватно оценивать состояние фотосинтезирующего аппарата растении.
Наиболее точное и распространенное определение функционального состояния хлорофилл-содержащих тканей основано на комплексной информации о фотосинтетической активности и относительном содержании хлорофилла, 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 его эффективности посредством количественной оценки фотосинтетической активности и относительного содержания хлорофилла за один измерительный цикл.
Способ осуществляется следующим образом. Проводят измерение оптических параметров листьев дважды за один измерительный цикл. В процессе первой засветки монохроматическим оптическим излучением красной области спектра (630-660 нм) плотностью мощности 80…120 Вт/м2 регистрируют интенсивность светорассеяния листовой пластинки растения в режиме пропускания в течение 3-6 секунд, затем красный источник отключают и активируют монохроматическое зондирующее излучение синей области спектра (450..470 нм) плотностью мощности 400..1200 Вт/м2 и в течение последующих 60 секунд регистрируют динамику изменения интенсивности флуоресценции хлорофилла в режиме отражения. При этом спектральная чувствительность фотоприемного устройства, предназначенного для регистрации интенсивности светорассеяния, должна быть в несколько раз выше (в 8 раз и более) в диапазоне длин волн 630…740 нм, по отношению к спектральной чувствительности в диапазоне длин волн 450-470 нм.
Об относительном содержании хлорофилла судят по ослаблению листом зондирующего потока красной области спектра, а о фотосинтетической активности - по изменению интенсивности флуоресценции хлорофилла за 60 секунд засветки зондирующим потоком синей области спектра. Количественно функциональное состояние растений оценивают показателем КФС, который рассчитывается по формуле:
где Iф3 - интенсивность флуоресцентного сигнала в режиме отражения на 3-й секунде засветки монохроматическим синим светом; Iф60 - интенсивность флуоресцентного сигнала в режиме отражения на 60-й секунде засветки монохроматическим синим светом; Iк4 - интенсивность светорассеяния листа в режиме пропускания на 4-й секунде засветки монохроматическим красным светом.
О функциональном состоянии растений судят по величине показателя КФС - чем больше значение показателя, тем лучше функциональное состояние фотосинтезирующего аппарата растений. При этом, чем выше значения КФС и ниже величина Iк4 - тем больше удельная фотосинтетическая активность и выше относительное содержание хлорофилла; а чем ниже значения КФС и выше величина 1к4 - тем ниже удельная фотосинтетическая активность и ниже относительное содержание хлорофилла в листьях.
Пример 1. Для измерений оптических параметров использовали листья груши желтого, светло-зеленого и темно-зеленого цвета, только что срезанные с материнского растения. Цвет листьев отражает степень развития хлороза, болезни, приводящей к снижению содержания хлорофилла. После темновой адаптации в течение 30 минут листья подвергали засветке оптическим излучением с длиной волны 640 нм и плотностью мощности 80 Вт/м2 в течение 4 секунд, по окончании которой включался источник монохроматического синего излучения (465 нм) с плотностью мощности 950 Вт/м2, экспонирующий лист в течение последующих 60 секунд. Фиксировали следующие интенсивности светорассеяния в процессе засветки красным и затем синим светом: Iк4, Iф3 и Iф60 и определяли показатель КФС по формуле 1. Параллельно измеряли удельную фотосинтетическую активность (Y) тех же самых листьев лимона с помощью хлорофилл-флуориметра. Сводные данные измерений представлены в таблице 1 и позволяют сделать вывод, что предлагаемый способ оценки функционального состояния растений обладает более высокой чувствительностью к изменению фотосинтезирующего аппарата растений, чем флуоресцентный метод измерения фотосинтетической активности. Динамический диапазон изменчивости предлагаемого критерия КФС в более чем в 8 раз выше динамического диапазона изменения известного параметра Y.
Пример 2. Для измерений оптических параметров использовали здоровые темно-зеленые листья лимона с исходной высокой фотосинтетической активностью (Y>0,72), которые подвергались кратковременной тепловой обработке (по 10-15 минут) температурами +46°С, +58°С и -15°С, приводящие к ингибированию фотосин-тезирующего аппарата. Через 20-30 минут темновой адаптации при температуре +22°С после тепловой обработки проводили измерения параметров Iк4, Iф3 и Iф60 и аналогично примеру 1.
Тепловая обработка вблизи физиологически активных температур (+46°С) приводит к незначительной модификации фотосистемы-2 фотосинтезирующего аппарата, что находит свое отражение в 20% снижении показателя КФС, что коррелирует с данными по удельной фотосинтетической активности. Тепловые обработки, приводящие к сильному повреждению клеток (+58°С и -15°С), обуславливают значительное падение коэффициента функционального состояния в 6-20 раз относительно здорового контроля. Удельная фотосинтетическая активность снижается только в 3-4 раза, что показывает большую чувствительность и эффективность нового способа.
Таким образом, предлагаемый метод позволяет в рамках единой оптической схемы, за один цикл измерений в течение нескольких минут количественно оценивать уровень функционального состояния растений и при этом судить о фотосинтетической активности и относительном содержании хлорофилла в листьях. Аналогичные оценки с помощью типовых методик и оборудования требуют существенно больше времени и менее эффективны при интегральной оценке функционального состояния фотосинтезирующего аппарата растений.
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.
5. Патент РФ №2688464 на изобретение «Способ неразрушающей диагностики растений ex vitro и in vitro»/ авторы Будаговская О.Н., Будаговский А.В. - Заявка №2018109830 от 20.03.2018; опубл. 21.05.2019, Бюл. №15.
Claims (1)
- Способ оптической оценки функционального состояния растений, включающий измерение оптических параметров листьев, отличающийся тем, что регистрируют интенсивность светорассеяния листовой пластинки растения в процессе первой засветки монохроматическим оптическим излучением красной области спектра 630-660 нм плотностью мощности 80-120 Вт/м2 в течение 3-6 секунд в режиме пропускания, затем активируют монохроматическое зондирующее излучение синей области спектра 450-470 нм плотностью мощности 400-1200 Вт/м2 и в течение последующих 60 секунд регистрируют динамику изменения интенсивности флуоресценции хлорофилла в режиме отражения; об относительном содержании хлорофилла судят по ослаблению листом зондирующего потока красной области спектра, а о фотосинтетической активности – по изменению интенсивности флуоресценции хлорофилла за 60 секунд засветки зондирующим потоком синей области спектра; о функциональном состоянии растений судят по величине показателя КФС, который рассчитывается по формуле: КФС=(Iф3-Iф60)/Iк4, где Iф3 – интенсивность флуоресцентного сигнала в режиме отражения на 3-й секунде засветки монохроматическим синим светом; Iф60 – интенсивность флуоресцентного сигнала в режиме отражения на 60-й секунде засветки монохроматическим синим светом; Iк4 – интенсивность светорассеяния листа в режиме пропускания на 4-й секунде засветки монохроматическим красным светом, при этом чем выше значения КФС и ниже величина Iк4 – тем больше удельная фотосинтетическая активность и выше относительное содержание хлорофилла; а чем ниже значения КФС и выше величина Iк4 – тем ниже удельная фотосинтетическая активность и ниже относительное содержание хлорофилла в листьях.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020112341A RU2756526C2 (ru) | 2020-03-24 | 2020-03-24 | Оптический способ оценки функционального состояния растений |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020112341A RU2756526C2 (ru) | 2020-03-24 | 2020-03-24 | Оптический способ оценки функционального состояния растений |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2020112341A3 RU2020112341A3 (ru) | 2021-09-24 |
| RU2020112341A RU2020112341A (ru) | 2021-09-24 |
| RU2756526C2 true RU2756526C2 (ru) | 2021-10-01 |
Family
ID=77836491
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020112341A RU2756526C2 (ru) | 2020-03-24 | 2020-03-24 | Оптический способ оценки функционального состояния растений |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2756526C2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2782576C1 (ru) * | 2021-11-29 | 2022-10-31 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Способ регистрации спектральных характеристик света для оценки функционального состояния растений |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2001113723A (ru) * | 1998-10-28 | 2004-03-20 | Дойчес Центрум Фюр Люфт-Унд Раумфарт Е.Ф. (De) | Система детектирования флуоресценции для определения значимых параметров растительности |
| RU2354958C2 (ru) * | 2006-09-13 | 2009-05-10 | ООО "Генная и клеточная терапия" | Способ флуорометрического определения параметров фотосинтеза фотоавтотрофных организмов, устройство для его осуществления и измерительная камера |
| RU2364077C2 (ru) * | 2007-09-26 | 2009-08-20 | Ольга Николаевна Будаговская | Оптический способ оценки устойчивости растений к фотоингибированию и фотодеструкции |
| RU2592574C2 (ru) * | 2014-12-03 | 2016-07-27 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Мичуринский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО Мичуринский ГАУ) | Оптический способ оценки функционального состояния растений |
| 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 |
-
2020
- 2020-03-24 RU RU2020112341A patent/RU2756526C2/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2001113723A (ru) * | 1998-10-28 | 2004-03-20 | Дойчес Центрум Фюр Люфт-Унд Раумфарт Е.Ф. (De) | Система детектирования флуоресценции для определения значимых параметров растительности |
| RU2354958C2 (ru) * | 2006-09-13 | 2009-05-10 | ООО "Генная и клеточная терапия" | Способ флуорометрического определения параметров фотосинтеза фотоавтотрофных организмов, устройство для его осуществления и измерительная камера |
| RU2364077C2 (ru) * | 2007-09-26 | 2009-08-20 | Ольга Николаевна Будаговская | Оптический способ оценки устойчивости растений к фотоингибированию и фотодеструкции |
| RU2592574C2 (ru) * | 2014-12-03 | 2016-07-27 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Мичуринский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО Мичуринский ГАУ) | Оптический способ оценки функционального состояния растений |
| 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 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2782576C1 (ru) * | 2021-11-29 | 2022-10-31 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Способ регистрации спектральных характеристик света для оценки функционального состояния растений |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2020112341A3 (ru) | 2021-09-24 |
| RU2020112341A (ru) | 2021-09-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3793236B2 (ja) | 種子の成熟度及び品質を決定するための方法並びに種子の種分けのための装置 | |
| EP2376897B1 (en) | Method for diagnosis of stresses and diseases in higher plants | |
| US10852284B2 (en) | Method and device for optical in ovo sex determination of fertilized and incubated birds' eggs | |
| US9835560B2 (en) | Method and device for the raman spectroscopic, in ovo sex determination of fertilised and incubated birds' eggs | |
| 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 | |
| Hsiao et al. | Evaluation of plant seedling water stress using dynamic fluorescence index with blue LED-based fluorescence imaging | |
| AU2010208133A1 (en) | Non-invasive methods and apparatus for detecting insect-induced damage in a plant | |
| Samson et al. | Nutrient stress of corn plants: early detection and discrimination using a compact multiwavelength fluorescent lidar | |
| WO1999056127A1 (en) | Method and apparatus for determining seed quality by fluorescence | |
| RU2756526C2 (ru) | Оптический способ оценки функционального состояния растений | |
| PT103290A (pt) | Um novo método e aparelho para controlar a qualidade e maturidade da fruta usando luminiscência induzida por luz | |
| 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 | |
| Chiu et al. | Detecting cabbage seedling diseases by using chlorophyll fluorescence | |
| RU2592574C2 (ru) | Оптический способ оценки функционального состояния растений | |
| Buschmann et al. | 4.2 blue, green, red, and far-red fluorescence signatures of plant tissues, their multicolor fluorescence imaging, and application for agrofood assessment | |
| Pan et al. | Light Optimization for an LED-Based Candling System and Detection Combined with Egg Parameters for Discrimination of Fertility | |
| Kancheva et al. | Chlorophyll fluorescence as a plant stress indicator | |
| JP2015062572A (ja) | 肌状態測定方法および肌状態測定装置 | |
| RU2569241C2 (ru) | Оптический способ оценки устойчивости фотосинтезирующих тканей растений к фотоингибированию и устройство для его осуществления | |
| 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 | |
| PL215938B1 (pl) | Sposób pomiaru oprysku agrotechnicznego, w którym analizuje sie czesci rosliny pokrytej substancjami chemicznymi, zwlaszcza agrochemikaliami | |
| CN109241659A (zh) | 一种估算菜用大豆叶片叶绿素a/b比值的方法 | |
| Ma et al. | Development of a sensitivity-enhanced chlorophyll fluorescence lifetime spectroscopic method for nondestructive monitoring of fruit ripening and postharvest decay | |
| RU2384045C2 (ru) | Способ оценки реакции растений яблони на латентную вирусную инфекцию |