Способ неразрушающей диагностики функционального состояния растений ex vitro и in vitro

Изобретение относится к области экспериментальной биологии, растениеводству, сельскому и лесному хозяйствам. Способ включает измерение динамики светорассеяния фотосинтезирующей растительной ткани в процессе засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра в зоне первого максимума поглощения хлорофилла 460-480 нм. Регистрируют спад интенсивности флуоресценции хлорофилла участка листа площадью 2 мм2 в процессе первой засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра плотностью мощности свыше насыщения фотосинтеза 600-900 Вт/м2 в течение 30-180 с. Затем отключают засветку на 30-60 с и после этой темновой восстановительной паузы в той же зоне измерений объекта вновь регистрируют спад интенсивности светорассеяния в процессе второй засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра той же плотности мощности в течение 30-180 с. О фотосинтетической активности и устойчивости к фотоингибированию судят по величине показателей КФСА=(I1мах-I1сm)/I1мах и КУФИ=(I2мах-I2cm)/(I1мах-I1cm), где I1мах - максимальная интенсивность флуоресценции хлорофилла на 1-2 с первой засветки; I1cm - стационарный уровень интенсивности флуоресценции хлорофилла на 30-180 с первой засветки; I2мах - максимальная интенсивность флуоресценции хлорофилла на 1-2 с второй засветки; I2сm - стационарный уровень интенсивности флуоресценции хлорофилла на 30-180 с второй засветки. При этом чем выше значения показателей КФСA и КУФИ, тем лучше функциональное состояние растений. Способ обеспечивает повышение эффективности и снижение трудоемкости определения функционального состояния растений ex vitro и in vitro. 1 ил., 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к экспериментальной биологии, растениеводству, биотехнологии, сельскому и лесному хозяйству и может быть использовано для оценки функционального состояния растений ex vitro и in vitro, в том числе при оптимизации условий выращивания, хранения, а также для выявления степени устойчивости растений к различным неблагоприятным факторам среды обитания.

Известны оптические способы оценки функционального состояния растений, основанные на регистрации спектров поглощения или коэффициентов отражения/пропускания на определенных длинах волн или параметров флуоресценции хлорофилл-содержащих тканей [1-4]. О функциональном состоянии судят по различиям оптических параметров, полученных при измерениях опытных и контрольных растений. Наиболее точное определение функционального состояния растений основано на комплексной информации о фотосинтетической активности и ее устойчивостью к фотоингибированию, но ни один из известных устройств не позволяет проводить такие оценки за один измерительный цикл. Для этого приходится проводить трудоемкую процедуру измерения оптических параметров после темновой адаптации растений, затем освещать их в течение нескольких часов интенсивным светом, выше порога насыщения фотосинтеза, затем также в течение нескольких часов проводит процедуру темновой адаптации растений, и затем вновь измерять оптические параметры. Известен способ оценки функционального состояния растений по критериям фотосинтетической активности и устойчивости к фотодеструкции, основанный на измерении динамики светорассеяния под воздействием синего и красного излучения [5]. Реализация данного способа требует точного совмещения излучателей, что трудно обеспечить конструктивно, зоны засветки синим и красным излучателем не совпадают, что приводит к неправильной оценке функционального состояния растений. Для получения достоверной информации об устойчивости к фотодеструкции здоровых растений, приходится прибегать к довольно длительным засветкам объектов красным излучением (свыше 40 минут), что делает неприемлемым использование метода для массовой оценки растений, например, при оптимизации агротехнических условий выращивания. Помимо этого, реализация способа-аналога предполагает непосредственный контакт листа исследуемого растения с излучателями и неприемлем для оценки функционального состояния растений в культуре in vitro без нарушения стерильности.

Цель изобретения - снижение трудоемкости определения функционального состояния растений ex vitro и in vitro и повышение ее эффективности посредством количественной оценки фотосинтетической активности хлорофилл-содержащих тканей растений и их устойчивости к фотоингибированию за один измерительный цикл.

Способ осуществляется следующим образом. Регистрируют спад интенсивности флуоресценции хлорофилла (ФХ) листьев в процессе первой засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра (в зоне первого максимума поглощения хлорофилла 460…480 нм) плотностью мощности свыше насыщения фотосинтеза (600…900 Вт/м2) в течение 30…180 секунд, затем отключают засветку на 30…60 секунд и после этой темновой восстановительной паузы, в той же зоне измерений объекта вновь регистрируют спад интенсивности ФХ в процессе второй засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра той же плотности мощности в течение 30…180 секунд. Длительность засветок определяется временем, необходимым для перехода сигнала к стационарному уровню.

О фотосинтетической активности судят по относительной амплитуде спада интенсивности ФХ в течение первой засветки оптическим излучением синей области спектра, а об ее устойчивости к фотоингибированию - по отношению амплитуд спада интенсивностей ФХ в процессе второй и первой засветок. Количественно фотосинтетическая активность и ее устойчивость к фотоингибированию определяются показателями КФСА и КУФИ, которые рассчитываются по следующим формулам:

где - максимальная интенсивность ФХ на 1…2 секунде первой засветки; - стационарный уровень интенсивности ФХ на 30…180 секунде первой засветки; - максимальная интенсивность ФХ на 1…2 секунде второй засветки; - стационарный уровень ФХ на 30…180 секунде второй засветки.

При этом о фотосинтетической активности и ее устойчивости к фотоингибированию судят по величине показателей КФСА и КУФИ соответственно. Чем выше значение данных показателей - тем выше фотосинтетическая активность и ее устойчивость к фотоингибированию.

Пример. Для измерений использовали листья лимона с высоким уровнем функционального состояния фотосинтетического аппарата. Для этого были проведены измерения потенциального квантового выхода Y фотосистемы 2, величина которого прямо пропорциональна активности фотосинтеза. Для исследования выбирали листья со значением Y свыше 0,74 отн. ед., которые были разделены на 3 группы. Первая группа - контрольная (вариант А), вторая группа (вариант В) - подвергалась в течение 5 минут тепловой обработке при температуре +52°С, что приводило к небольшому ингибированию фотосистемы-2 фотосинтезирующего аппарата и третья группа (вариант С) - подвергалась в течение 15 минут тепловой обработке при температуре +56°С, что приводило к значительному ингибированию функций фотосистемы-2. Далее листья всех вариантов проходили следующую процедуру измерений. После темновой 30 минутной адаптации небольшой участок листа площадью 2 мм2 подвергали засветке оптическим излучением с длиной волны 475 нм и плотностью мощности 800 Вт/м2, в процессе которой фиксировали изменение интенсивности ФХ в режиме отражения. Длительность засветки продолжалась 60 секунд, по окончании которой источник отключался на 60 секунд. После темновой паузы, в той же самой зоне листа, в течение 60 секунд фиксировали динамику изменения интенсивности ФХ в процессе второго цикла засветки синим излучением и затем определяли параметры КФСА и КУФИ по формулам 1 и 2 (таблица 1). Типичные качественные кривые (фиг. 1) имеют следующие особенности реакции ФСА на засветку в зависимости от функционального состояния:

- в варианте «А» с высоким функциональным состоянием ФСА контрольных листьев (фиг. 1А) наблюдается бурный спад ФХ в первые секунды засветки синим светом, который после темновой паузы частично восстанавливается. При этом следует отметить, что относительная амплитуда перепада интенсивности ФХ (показатель КФСА) восстанавливается за 60 секунд темновой паузы на 92,72% (с 0,8106 до 0,7516 от.ед.), тогда как абсолютная амплитуда перепада (показатель КУФИ) - только на 55,75% (с 43,49 до 24,25 усл.ед.);

- в варианте «В» (фиг. 1В), абсолютный перепад ФХ в процессе первой засветки несколько меньше, и после темновой паузы он и восстанавливается существенно хуже - только на 27,42%. В то же время показатель КФСА и в первом и во втором цикле засветки остается достаточно высоким (0,7993 и 0,6215 соответственно);

- в варианте «С» с низким функциональным состоянием ФСА (фиг. 1С) и абсолютная и относительная амплитуда перепада сигнала в первом цикле засветки существенно меньше, чем у вариантов «А» и «В» (табл. 1). После темновой адаптации, в результате второго цикла засветки, и без того достаточной низкий показатель КФСА уменьшается практически в 3 раза, тогда как показатель устойчивости к фотоингибированию (КУФИ) меняется незначительно (с 27,42% до 22,98%).

Эти закономерности характерны для листьев различных видов растений ex vitro и in vitro, с вариациями по амплитуде перепада кривых светорассеяния в зависимости от генотипических и фенотипических особенностей.

По результатам измерений (таблица 1) следует важный вывод, что для корректной оценки функционального состояния растительных организмов необходимо оценивать и фотосинтетическую активность и устойчивость к фотоингибированию одновременно.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет в рамках единой оптической схемы, за один цикл измерений в течение нескольких минут количественно оценивать функциональное состояние растений по параметрам, отражающим уровень фотосинтетической активности и устойчивость к фотоингибированию. На аналогичные оценки с помощью типовых методик и оборудования затрачивается несколько часов. Способ позволяет оценивать функциональное состояние не только растений ex vitro, но и растений in vitro без нарушения стерильности.

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. Murata N., Takahashi S., Nishiyama Y., Allakhverdiev S.I. Photoinhibition of photosystem II under environmental stress // Biochem. Biophys. Acta. - 2007. - V. 1767. - P. 414-421.

5. Патент РФ №2592574 на изобретение «Оптический способ оценки функционального состояния растений» / авторы Будаговская О.Н., Будаговский А.В., Гончаров С.А. - Заявка №2014148848 от 03.12.2014. - Опубл. 27.07.2016 Бюл. №16.

Способ оптической оценки функционального состояния растений, включающий измерение динамики светорассеяния фотосинтезирующей растительной ткани в процессе засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра в зоне первого максимума поглощения хлорофилла 460-480 нм, отличающийся тем, что регистрируют спад интенсивности флуоресценции хлорофилла участка листа площадью 2 мм2 в процессе первой засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра плотностью мощности свыше насыщения фотосинтеза 600-900 Вт/м2 в течение 30-180 с, затем отключают засветку на 30-60 с и после этой темновой восстановительной паузы в той же зоне измерений объекта вновь регистрируют спад интенсивности светорассеяния в процессе второй засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра той же плотности мощности в течение 30-180 с; о фотосинтетической активности и устойчивости к фотоингибированию судят по величине показателей КФСА=(I1мах-I1сm)/I1мах и КУФИ=(I2мах-I2cm)/(I1мах-I1cm), где I1мах - максимальная интенсивность флуоресценции хлорофилла на 1-2 с первой засветки; I1cm - стационарный уровень интенсивности флуоресценции хлорофилла на 30-180 с первой засветки; I2мах - максимальная интенсивность флуоресценции хлорофилла на 1-2 с второй засветки; I2сm - стационарный уровень интенсивности флуоресценции хлорофилла на 30-180 с второй засветки; при этом чем выше значения показателей КФСA и КУФИ, тем лучше функциональное состояние растений.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к лесному и сельскому хозяйству и может быть использовано для предпосевной обработки семян. Устройство содержит рабочую камеру из немагнитного материала, кольцевой индуктор и ферротела в виде сфер.

Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения. Автоматизированный агрегат магнитно-импульсной обработки садовых растений содержит раму, аппарат магнитно-импульсной обработки, индукторы, установленные с возможностью изменения угла наклона, систему питания, съемные колеса, автоматическую систему адаптации с актуаторами, ультразвуковые датчики, контроллер.

Изобретение относится к области растениеводства, в частности к осветительным устройствам. Светильник содержит набор известных светодиодов с разными спектрами излучения, лежащими в диапазоне порядка 400-800 нм, снабженных драйверами.
Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству. В способе облучают растения в теплице в ультрафиолетовом УФ-С диапазоне длин волн.

Изобретения относятся к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству. В способе располагают множество синих светоизлучающих диодов (СИД) в центральной части устройства-источника света, располагают множество красных СИД в периферийной части устройства-источника света, перемешивают множество белых СИД с красными СИД и располагают белые СИД в периферийной части устройства, перемещают устройство-источник света в положение, в котором синие СИД облучают верхушку стебля листового овоща, а красные СИД облучают листья листового овоща, во время начального периода роста, и прекращают облучение светом от синих СИД и красных СИД.

Изобретение относится к осветительным устройствам, обеспечивающим освещение светом, максимально соответствующим спектру солнечного света за счет использования светоизлучающих диодов.

Изобретение относится к системе освещения для растениеводства и производственному помещению для растениеводства с применением такой системы освещения для растениеводства.

Изобретение относится к растениеводческому осветительному устройству, к способу стимулирования роста растений и биоритма растения, к светильнику, содержащему упомянутое растениеводческое осветительное устройство, и к растениеводческому сооружению, содержащему упомянутое растениеводческое осветительное устройство или упомянутый светильник.

Изобретение относится к осветительным устройствам, обеспечивающим освещение светом, максимально соответствующим спектру солнечного света, за счет использования светоизлучающих диодов.

Изобретение относится к осветительным устройствам, обеспечивающим освещение светом, максимально соответствующим спектру солнечного света, за счет использования светоизлучающих диодов.

Изобретение относится к области физиологии и нанобиотехнологии растений. Способ включает выращивание растений в присутствии тяжелых металлов меди и никеля и последующую оценку устойчивости. Выращивание растений в присутствии наночастиц тяжелого металла проводят 48 ч при концентрации 0,125-1 М наночастиц меди, или оксида меди, или никеля. Затем корни проростков пшеницы гомогенизируют с последующим выделением ДНК и их разделением методом горизонтального гель-электрофореза. Определяют коэффициент повреждения ДНК Кповр по отношению интенсивности флуоресценции высокомолекулярных фрагментов ДНК Квм 30000-3000 н.п. к низкомолекулярным фрагментам ДНК Кнм<3000 н.п. Причем при Кповр≤0,4 - пшеница высокоустойчивая, при Кповр=0,4-0,59 - устойчивая, при Кповр=0,6-0,79 - среднеустойчивая, при Кповр= 0,8-1,09 - неустойчивая и при Кповр≥1,1 - абсолютно неустойчивая пшеница. Способ позволяет провести оценку дифференциальной экспресс-диагностики устойчивости пшеницы на стадии проростков к наночастицам тяжелых металлов. 4 ил., 3 табл.

Изобретение относится к области экспериментальной биологии, растениеводству, сельскому и лесному хозяйствам. Способ включает измерение динамики светорассеяния фотосинтезирующей растительной ткани в процессе засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра в зоне первого максимума поглощения хлорофилла 460-480 нм. Регистрируют спад интенсивности флуоресценции хлорофилла участка листа площадью 2 мм2 в процессе первой засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра плотностью мощности свыше насыщения фотосинтеза 600-900 Втм2 в течение 30-180 с. Затем отключают засветку на 30-60 с и после этой темновой восстановительной паузы в той же зоне измерений объекта вновь регистрируют спад интенсивности светорассеяния в процессе второй засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра той же плотности мощности в течение 30-180 с. О фотосинтетической активности и устойчивости к фотоингибированию судят по величине показателей КФСАI1мах и КУФИ, где I1мах - максимальная интенсивность флуоресценции хлорофилла на 1-2 с первой засветки; I1cm - стационарный уровень интенсивности флуоресценции хлорофилла на 30-180 с первой засветки; I2мах - максимальная интенсивность флуоресценции хлорофилла на 1-2 с второй засветки; I2сm - стационарный уровень интенсивности флуоресценции хлорофилла на 30-180 с второй засветки. При этом чем выше значения показателей КФСA и КУФИ, тем лучше функциональное состояние растений. Способ обеспечивает повышение эффективности и снижение трудоемкости определения функционального состояния растений ex vitro и in vitro. 1 ил., 1 табл., 1 пр.

Наверх