Оптический способ оценки устойчивости фотосинтезирующих тканей растений к фотоингибированию и устройство для его осуществления

Изобретение относится к экспериментальной биологии, сельскому и лесному хозяйству. Способ включает измерение и регистрацию динамики светорассеяния небольшого участка фотосинтезирующей растительной ткани в процессе первой засветки монохроматическим оптическим излучением красной области спектра в зоне максимума поглощения хлорофилла плотностью мощности 200…1000 Вт/м² в течение 15-30 секунд. Затем прерывают зондирующее излучение и через 30-60 секунд вновь регистрируют динамику светорассеяния того же самого участка в процессе второй засветки. Об устойчивости, адаптивном потенциале и восстановительной способности фотосинтезирующего аппарата после фотоингибирования судят по величине коэффициента восстановления амплитуды спада интенсивности светорассеяния в процессе темновой паузы, определяемого по формуле: К_в=100·[(I₀ ²-I_t ²)/I₀ ²]:[(I₀ ¹-I_t ¹)/I₀ ¹], где I₀ ² - интенсивность светорассеяния в первый момент второй засветки, I_t ² - интенсивность светорассеяния в некоторый момент времени второй засветки; I₀ ¹ - интенсивность светорассеяния в первый момент первой засветки, I_t ¹ - интенсивность светорассеяния в некоторый момент времени первой засветки; t - длительность засветки в процессе первого и второго цикла измерений. Уменьшение коэффициента К_в говорит об ослаблении адаптивного потенциала, восстановительной способности после фотоингибирования и снижении устойчивости фотосинтетического аппарата к неблагоприятным факторам среды обитания. Устройство содержит источник квазимонохроматического излучения, коллиматор, ограничивающую диафрагму, электромеханический затвор, проекционный объектив, регистратор интенсивности рассеянного объектом излучения, предварительный усилитель. Устройство содержит также блок оцифровки сигнала регистратора интенсивности рассеянного объектом излучения и расчета коэффициента К_в, блок управления мощностью излучателя и таймер циклической засветки с времязадающими блоками длительности световых облучательно-измерительных циклов и темновой паузы. Такие технология и конструктивное решение позволят снизить трудоемкость процесса оценки адаптивного потенциала и восстановительной способности растений после фотоингибирования за счет сокращения длительности измерений и повысить ее эффективность. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к экспериментальной биологии, растениеводству, сельскому и лесному хозяйству и может быть использовано для оценки адаптивного потенциала, устойчивости растений к различным неблагоприятным факторам среды, в частности к избыточному освещению.

Известны оптические способы определения устойчивости растений к фотоин-гибированию и фотодеструкции, основанные на регистрации изменения спектров поглощения или параметров люминесценции хлорофилла до и после экспонирования целых растений или листьев интенсивным белым светом [1-4]. Недостатком данных способов являются высокие энергозатраты на облучение растений, большая трудоемкость измерений, необратимое повреждение растений, необходимость использования дорогостоящего стационарного оборудования, низкая точность оценки критической дозы излучения, невозможность количественной оценки адаптивного потенциала и восстановительной способности фотосинтетического аппарата растений после фотоингибирующей засветки.

Известен оптический способ и прибор оценки устойчивости растений к фотоин-гибированию и фотодеструкции, заключающийся в совмещении процесса облучения и измерения, а в качестве оптического показателя устойчивости используют динамику светорассеяния небольшого участка фотосинтезирующей ткани в процессе засветки интенсивным квазимонохроматическим оптическим излучением синей или красной области спектра [5-6]. Недостатком данного способа и реализующего его устройства является достаточно высокая длительность измерений (несколько минут на один отсчет) и отсутствие количественных оценок адаптивного потенциала и восстановительной способности фотосинтетического аппарата растений после фотоингибирующей засветки.

Цель изобретения - снижение трудоемкости за счет сокращения длительности измерений и повышение его эффективности посредством количественной оценки адаптивного потенциала и восстановительной способности фотосинтезирующего аппарата растений после фотоингибирования.

Способ осуществляется следующим образом. Регистрируют динамику светорассеяния небольшого участка фотосинтезирующей растительной ткани (листья, побеги, покровные ткани фруктов и овощей) в процессе первой засветки монохроматическим оптическим излучением красной области спектра (в зоне максимума поглощения хлорофилла) плотностью мощности 200…1000 Вт/м² в течение 15-30 секунд, затем прерывают зондирующее излучение и через 30-60 секунд вновь регистрируют динамику светорассеяния того же самого участка в процессе второй засветки. При этом об адаптивном потенциале и восстановительной способности фотосинтезирующего аппарата после фотоингибирования судят по степени восстановления амплитуды спада интенсивности светорассеяния в процессе темновой паузы. Количественно адаптивный потенциал и восстановительную способность фотосинтезирующего аппарата оценивают параметром К_в (коэффициент восстановления амплитуды спада светорассеяния), который определяется по формуле:

где I₀ ²- интенсивность светорассеяния в первый момент второй засветки, I_t ² - интенсивность светорассеяния в некоторый момент времени второй засветки; I₀ ¹ - интенсивность светорассеяния в первый момент первой засветки, I_t ¹ - интенсивность светорассеяния в некоторый момент времени первой засветки; t - длительность засветки в процессе первого и второго цикла измерений.

Устройство для осуществления предлагаемого способа включает источник квазимонохроматического излучения 1; коллиматор 2; ограничивающую диафрагму 3; электромеханический затвор 4; проекционный объектив 6; регистратор интенсивности рассеянного объектом излучения 7; предварительный усилитель 8; блок 9 для оцифровки сигнала регистратора и расчета коэффициента К_в; блок управления мощностью излучателя 10; таймер циклической засветки 11 с времязадающими блоками длительности световых облучательно-измерительных циклов t¹=t² и темновой паузы t_тп (фиг. 1). Поток квазимонохроматического излучения проходит через коллиматор 2 и диафрагму 3, которая вырезает равномерную по плотности мощности часть потока заданного диаметра d_п≤1 мм. Коллимированное и выровненное по плотности излучение направляется на актуальную зону измеряемого объекта 5. С помощью блока управления 10 устанавливается необходимая плотность мощности зондирующего излучения, а с помощью таймера циклической засветки 11 и затвора 4 - необходимая длительность световых и темновых циклов. Рассеянное от объекта 5 излучение объективом 6 проецируется на апертурную диафрагму регистратора интенсивности рассеянного объектом излучения 7, фотоэлектрический сигнал которого усиливается с помощью линейного предварительного усилителя 8 и направляется в блок 9 для расчета коэффициента восстановления по формуле (1).

Пример 1. Для измерений использовали листья растений смородины черной со средним уровнем функционального состояния фотосинтезирующего аппарата. Потенциальный квантовый выход фотосистемы 2 (Fv/Fm) лежал в пределах от 0,56 до 0,62 отн. ед. После темновой адаптации в течение 15 минут листья подвергали циклической засветке лазерным излучением с длиной волны 655±5 нм и плотностью мощности 600±30 Вт/м² с помощью заявляемого устройства. Длительность засветки варьировала от 4 до 300 секунд, а длительность темновой паузы - от 5 до 1800 секунд. Длительность первой и второй засветки устанавливалась равной. Фиксировали амплитуды перепада интенсивности светорассеяния в процессе первой и второй засветки и определяли коэффициент восстановления по формуле 1.

Из полученных данных (таблица 1) следует, что оптимальные параметры циклической засветки для листьев со средним уровнем фотосинтетической активности при заданном уровне интенсивности зондирующего излучения составляют следующие значения: 15-60 секунд засветки и 30-120 секунд темновой паузы. Данный режим обеспечивает примерно шестидесятипроцентный уровень восстановления фотосинтезирующего аппарата после фотоингибирования, что дает возможность без переналадки оборудования оценивать устойчивость к фотоингибированию листьев растений с низким, средним и высоким уровнем фотосинтетической активности. При этом полный цикл измерений составляет 2…4 минуты. На аналогичные оценки с помощью типовых методик и оборудования затрачивается несколько часов.

Пример 2. Листья березы (светолюбивый вид) и папоротника (тенелюбивый вид) подвергали циклической засветке (длина волны зондирующего излучения 660 нм, плотность мощности 800 Вт/м², длительность засветки 20 секунд, длительность темновой паузы 40 секунд) и определяли с помощью заявляемого устройства коэффициент восстановления К_в. Светолюбивый вид более устойчив к фотоингибированию, что проявляется в более высоких показателях коэффициента К_в, равного 48,3±9,3% против 36,7±6,8% для тенелюбивого вида.

Пример 3. Листья циссуса ромболистного, предварительно претерпевшие кратковременную тепловую обработку (по 15 минут) температурами +20°C, +40°C и +60°C, через 15 минут пребывания в темноте после температурного воздействия подвергали циклической засветке (длина волны зондирующего излучения 650 нм, плотность мощности 900 Вт/м², длительность засветки 60 секунд, длительность темновой паузы 60 секунд) и с помощью заявляемого устройства определяли коэффициент восстановления К_в. В процессе измерений и темновой адаптации между температурной обработкой и измерениями листья пребывали при температуре +22±1,8°C.

Коэффициент восстановления фотосинтезирующего аппарата после фотоингибирующей засветки листьев, подвергнутых кратковременному тепловому воздействию при температуре +40°C, уменьшился незначительно (на 6…10% относительно контрольного варианта +20°C), тогда как даже кратковременная обработка температурой +60°C приводит к значительному снижению восстановительной способности и устойчивости к фотоингибированию. Параметр К_в снизился более чем на 35% относительно контрольного варианта (таблица 2).

Таким образом, предлагаемый метод и устройство позволяют получить дополнительную информацию о восстановительной способности фотосинтезирующего аппарата после фотоингибирования, что является интегральным параметром общей устойчивости и адаптации растений к неблагоприятным факторам среды обитания. По сравнению с методами-прототипами измерения менее трудоемки, длительность измерений сокращается более чем в 4,5 раза. При этом растения можно использовать для последующих наблюдений, поскольку тестируется маленькая площадь листа, а благодаря малым длительностям и интенсивностям фотоингибирующей засветки фотосинтетическая функция зоны измерений полностью восстанавливается.

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., Погосян С.И. и др. Спектры отражения листьев и плодов при нормальном развитии, старении и стрессе //Физиология растений. - 1997. - Т. 44, №5. - С. 707-716.

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 №2364077. Оптический способ оценки устойчивости растений к фотоингибированию и фотодеструкции:, МПК⁷ A01G 7/00 / Авторы: О.Н. Будаговская, А.В. Будаговский. - №2007135704/12; Заявл. 26.09.2007; Опубл. 20.08.2009, бюл. №23

6. Будаговская О.Н., Будаговский А.В., Будаговский И.А., Гончаров С.А. Портативный лазерный прибор для оценки устойчивости растений к фотоингибированию и фотодеструкции // Приборы и техника эксперимента. - 2011. - №1. - С. 163-164.

1. Оптический способ оценки устойчивости растений к фотоингибированию, адаптивного потенциала и восстановительной способности фотосинтезирующего аппарата растительной ткани после фотоингибирования, включающий измерение оптических параметров фотосинтезирующих тканей растений и плодов, отличающийся тем, что регистрируют динамику светорассеяния небольшого участка фотосинтезирующей растительной ткани в процессе первой засветки монохроматическим оптическим излучением красной области спектра в зоне максимума поглощения хлорофилла плотностью мощности 200…1000 Вт/м² в течение 15-30 секунд, затем прерывают зондирующее излучение и через 30-60 секунд вновь регистрируют динамику светорассеяния того же самого участка в процессе второй засветки, при этом об устойчивости, адаптивном потенциале и восстановительной способности фотосинтезирующего аппарата после фотоингибирования судят по величине коэффициента восстановления амплитуды спада интенсивности светорассеяния в процессе темновой паузы, определяемого по формуле: К_в=100·[(I₀ ²-I_t ²)/I₀ ²]:[(I₀ ¹-I_t ¹)/I₀ ¹], где I₀ ² - интенсивность светорассеяния в первый момент второй засветки, I_t ² - интенсивность светорассеяния в некоторый момент времени второй засветки; I₀ ¹ - интенсивность светорассеяния в первый момент первой засветки, I_t ¹ - интенсивность светорассеяния в некоторый момент времени первой засветки; t - длительность засветки в процессе первого и второго цикла измерений.

2. Устройство количественной оценки устойчивости, адаптивного потенциала и восстановительной способности фотосинтезирующего аппарата после фотоингибирования, содержащее источник оптического квазимонохроматического излучения и регистратор интенсивности рассеянного объектом излучения, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено таймером циклической засветки с времязадающими блоками длительности световых облучательно-измерительных циклов и темновой паузы а также блоком оцифровки сигнала регистратора интенсивности рассеянного объектом излучения и расчета коэффициента восстановления амплитуды спада интенсивности светорассеяния в процессе темновой паузы К_в.