Способ оценки фотосинтетической активности растительных организмов

Изобретение относится к экспериментальной биологии, сельскому и лесному хозяйству. Способ включает измерение оптических показателей фотосинтезирующих тканей растений и плодов. Фиксируют изменение интенсивности светорассеяния фотосинтезирующих тканей растений или плодов под действием квазимонохроматического излучения видимой, например, красной области спектра плотностью мощности не менее 30 Вт/м². О фотосинтетической активности судят по относительной амплитуде перепада интенсивности светорассеяния A_t=dI/I_t в течение t секунд засветки, где dI=I₁-I_t разность интенсивностей светорассеяния на первой и t-й секунде засветки. При этом уменьшение относительной амплитуды перепада интенсивности светорассеяния A_t говорит о снижении фотосинтетической активности. Длительность засветки t определяется предварительно для конкретного вида растения и плотности мощности зондирующего излучения и лежит в диапазоне от 3 до 3000 секунд. Способ позволяет снизить трудоемкость и повысить достоверность определения и сравнительной оценки потенциальной фотосинтетической активности фотосинтезирующих тканей растений. 1 табл., 5 ил.

 

Изобретение относится к экспериментальной биологии, сельскому и лесному хозяйству и может быть использовано для анализа физиологического состояния растений и плодов, в частности, для сравнительной оценки фотосинтетической активности фотосинтезирующих тканей растений.

Наиболее эффективными для оценки фотосинтетической активности растений являются способы, основанные на регистрации флуоресценции хлорофилла [1-4].

Недостатком известных способов с использованием флуоресценции хлорофилла является сложная и дорогостоящая аппаратура, сильная зависимость флуоресценции от температуры объекта, необходимость длительной темновой адаптации объекта перед измерением. При изучении вегетирующих растений в полевых условиях достоверность оценок фотосинтетической активности по флуоресценции хлорофилла сильно снижается, особенно затрудненным становится сравнительный анализ функционального состояния растений, произрастающих в различных условиях внешней среды. Наиболее проблематично температурное выравнивание объектов при проведении сравнительных оценок фотосинтезирующей активности растений.

Цель изобретения - снизить трудоемкость измерений и повысить достоверность оценки потенциальной фотосинтетической активности фотосинтезирующих тканей растений. Поставленная цель достигается тем, что определение фотосинтетической активности проводят на основании экспериментально установленной связи между функциональным состоянием фотосистемы 2 и способностью фотосинтезирующих тканей к светоиндуцированному спаду интенсивности светорассеяния при кратковременной засветке видимым квазимонохроматическим излучением, например в красной области спектра.

Способ осуществляют следующим образом. Регистрируют динамику изменения интенсивности светорассеяния фотосинтезирующих тканей растений или плодов (например, листьев и побегов растений, покровной ткани овощей и фруктов) в процессе кратковременного освещения квазимонохроматическим излучением в видимой, например, красной области спектра плотностью мощности не менее 30 Вт/м², а о фотосинтетической активности судят по относительной амплитуде перепада интенсивности светорассеяния А_t=dI/I_t в течение t секунд засветки, где dI=I₁-I_t разность интенсивностей светорассеяния на первой (I₁) и t-й секундах засветки (I_t). Уменьшение относительной амплитуды перепада интенсивности светорассеяния A_t говорит об ослаблении функционального состояния хлорофилл-белкового комплекса и снижении фотосинтетической активности. Значение t определяется предварительно для конкретного вида растений, плотности мощности зондирующего излучения и лежит в диапазоне от 3 до 3000 секунд.

Регистрацию интенсивности светорассеяния листьев и плодов производят с помощью оптико-электронного устройства (фиг.1). Излучение источника 1, отраженное или прошедшее через объект 2, поступает через приемный объектив 3 и светофильтр 4 на фотоприемник 5, где преобразуется в электрические сигналы, которые усиливаются и оцифровываются в блоке обработки сигналов 6 и поступают в блок сбора данных 7, где данные накапливаются в течение всего периода измерений. Устройство позволяет проводить измерения как в режиме пропускания, так и в режиме отражения оптического излучения от объекта. Для этого включается соответствующий источник: в режиме отражения - 1*, в режиме пропускания - 1.

Пример 1. У листьев циссуса ромболистного различного функционального состояния после предварительной темновой адаптации в течение 30 минут при температуре +19…+22°С измеряют фотосинтетическую активность методом РАМ-хлорофилл-флуорометрии [5, 6] и динамику интенсивности светорассеяния в режиме пропускания оптического излучения (650 нм, 900 Вт/м²) (табл.1, фиг.2). Полученные результаты для последующего сравнения удобно представлять в процентах к величине исходной интенсивности светорассеяния I₁, зарегистрированной на первой секунде засветки. Обозначение кривых А, В, С, D на фиг.2 соответствует аналогичным обозначениям табл.1.

Анализ данных табл.1 и графика на фиг.2 позволяет сделать вывод, что функциональное состояние листьев адекватно описывается динамикой спада интенсивности светорассеяния в процессе засветки: коэффициент корреляции между относительной амплитуды перепада интенсивности светорассеяния А_t за 90 секунд засветки и фотосинтетической активностью листа, измеренного методом флуоресценции хлорофилла, составил 0,931. Следует отметить существенно больший динамический диапазон нового критерия при оценке функционального состояния. Так, по фотосинтетической активности, определенной известным методом флуоресценции хлорофилла, вариант D отличается от варианта С на 20%, а при оценке новым методом - более чем на 500% (табл.1). Это дает необходимую достоверность различий между вариантами, особенно на самых ранних этапах функциональных изменений.

Аналогичные результаты получены и для других областей спектра, например синей (фиг.3). Амплитуда спада интенсивности светорассеяния после тепловой инактивации листа (70°С, 10 мин) значительно уменьшается.

Изменение температуры листа во всем диапазоне физиологически активных, неповреждающих температур, например +10…+40°С, не приводит к изменению светоиндуцированной амплитуды перепада (фиг.4). С ростом температуры наблюдается лишь ускорение перехода интенсивности светорассеяния к стационарному уровню - от 6 минут для +10°С до 45 секунд для +40°С. Картина изменяется при тепловой инактивации растительной ткани или иных неблагоприятных воздействиях (фиг.2, фиг.3). Амплитуда перепада интенсивностей светорассеяния уменьшается. Однако формула A_t=dI/I_t продолжает отражать изменения функционального состояния листовой пластины, в данном случае деструктивные.

Пример 2. У плодов цукини различного функционального состояния после предварительной темновой адаптации в течение 30 минут при температуре +19…+22°С измеряют фотосинтетическую активность F методом РАМ-хлорофилл-флуорометрии [5, 6] и динамику интенсивности светорассеяния в режиме отражения в процессе непрерывной засветки оптическим излучением (650 нм, 500 Вт/м²) (фиг.5). На фиг.5 данные фотосинтетической активности покровной ткани плодов указаны напротив соответствующей кривой спада интенсивности светорассеяния.

Так же, как и в случае с листьями циссуса ромболистного, наблюдается тесная корреляционная связь между показаниями фотосинтетической активности методом флуоресценции хлорофилла и динамикой интенсивности светорассеяния (r=0,96), что доказывает работоспособность нового метода для оценки функционального состояния любого типа фотосинтезирующих тканей и при любой схеме наблюдения - как в режиме отражения, так и в режиме пропускания зондирующего луча через объект.

Таким образом, использование данного способа определения фотосинтетической активности растений обеспечивает по сравнению с существующими следующие преимущества: реализуется простыми техническими средствами, имеет больший динамический диапазон измеряемого признака и обладает большей чувствительностью на ранних этапах функциональных повреждений, не требует обеспечения определенной температуры объекта при измерении, что дает возможность сравнивать фотосинтетическую активность растений, произрастающих в разных условиях, или одного и того же растения в процессе вегетации в неконтролируемых условиях окружающей среды.

Таблица 1
Модификации функционального состояния листа	Оценка фотосинтетической активности
Новым способом по динамике интенсивности светорассеяния, At	Известным способом по флуоресценции хлорофилла, F
А) - длительная термоинактивация при температуре ±60°С В) - кратковременная термоинактивация при температуре ±50°С С) - незначительное отклонение от нормы, легкий хлороз D) - нормальный, здоровый лист	0,0062±0,006 0,2821±0,012 0,6363±0,024 3,5454±0,070	0,000±0,000 0,484±0,007 0,753±0,004 0,892±0,006

Литература

1. Веселовский В.А., Веселова Т.В. Люминесценция растений. - М.: Наука, 1990. - 200 с.

2. Papageorgiou G. Chlorophyll Fluorescence: an intrinsic probe of photosynthesis // Biogenetics of Photosynthetics. - New York: Acad. Press, 1975. - P.319-371.

3. Application of chlorophyll fluorescence: in photosynthesis research, stress physiology, hydrobiology, and remote sensing / editer by H.K.Lichtenthaler - Kluwer: Acad. Publ., 1988. - 363 P.

4. Krause G.H., Weis E. Chlorophyll fluorescence and photosynthesis: The Basics // Annu. Rev. Plant physiol. Plant Mol. Boil. - 1991. - Vol.2. - P.313-349.

5. Schreiber U., Neubauer C., Schliwa U. PAM-fluorometer based on medium-frequency pulsed Xe-Flash measuring light: A highly sensitive new tool in basic and applied photosynthesis research // Photosynth. Res. - 1990. - V.36. - P.65-72.

6. Portable fluorometer PAM-2000 and data acquisition software DA-2000. Handbook of operation with examples of practical application. - Heinz Walz GmbH, 1993. - 199 p.

Способ оценки фотосинтетической активности растительных организмов, включающий измерение оптических показателей фотосинтезирующих тканей растений и плодов, отличающийся тем, что измеряют изменение интенсивности светорассеяния фотосинтезирующих тканей растений или плодов под действием квазимонохроматического излучения видимой, например, красной области спектра плотностью мощности не менее 30 Вт/м², а о фотосинтетической активности судят по относительной амплитуде перепада интенсивности светорассеяния A_t=dI/I_t в течение t секунд засветки, где dI=I₁-I_t - разность интенсивностей светорассеяния на первой и t-й секунде засветки, при этом уменьшение относительной амплитуды перепада интенсивности светорассеяния A_t говорит о снижении фотосинтетической активности, длительность засветки t определяется предварительно для конкретного вида растения и плотности мощности зондирующего излучения и лежит в диапазоне от 3 до 3000 с.