Оптический способ оценки функционального состояния растений

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=(I_ф3-I_ф60)/I_к4, где I_ф3 – интенсивность флуоресцентного сигнала в режиме отражения на 3-й секунде засветки монохроматическим синим светом; I_ф60 – интенсивность флуоресцентного сигнала в режиме отражения на 60-й секунде засветки монохроматическим синим светом; I_к4 – интенсивность светорассеяния листа в режиме пропускания на 4-й секунде засветки монохроматическим красным светом. При этом чем выше значения КФС и ниже величина I_к4 – тем больше удельная фотосинтетическая активность и выше относительное содержание хлорофилла; а чем ниже значения КФС и выше величина I_к4 – 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.

 

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 I_ф3 - интенсивность флуоресцентного сигнала в режиме отражения на 3-й секунде засветки монохроматическим синим светом; I_ф60 - интенсивность флуоресцентного сигнала в режиме отражения на 60-й секунде засветки монохроматическим синим светом; I_к4 - 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 I_к4 - 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: I_к4, I_ф3 и I_ф60 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 I_к4, I_ф3 и I_ф60 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.

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=(I_ф3-I_ф60)/I_к4, где I_ф3 – интенсивность флуоресцентного сигнала в режиме отражения на 3-й секунде засветки монохроматическим синим светом; I_ф60 – интенсивность флуоресцентного сигнала в режиме отражения на 60-й секунде засветки монохроматическим синим светом; I_к4 – интенсивность светорассеяния листа в режиме пропускания на 4-й секунде засветки монохроматическим красным светом, при этом чем выше значения КФС и ниже величина I_к4 – тем больше удельная фотосинтетическая активность и выше относительное содержание хлорофилла; а чем ниже значения КФС и выше величина I_к4 – тем ниже удельная фотосинтетическая активность и ниже относительное содержание хлорофилла в листьях.