Оптический способ оценки функционального состояния растений

Изобретение относится к области экспериментальной биологии, растениеводству, сельскому и лесному хозяйствам. Способ включает измерение оптических параметров хлорофиллсодержащих тканей. При этом регистрируют динамику светорассеяния фотосинтезирующей растительной ткани в процессе засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра (в зоне первого максимума поглощения хлорофилла 460-480 нм) плотностью мощности 150-800 Вт/м2 в течение 20-40 секунд. Затем активируют монохроматическое зондирующее излучение красной области спектра (в зоне второго максимума поглощения хлорофилла 650-660 нм) плотностью мощности 2500-6000 Вт/м2. В течение последующих 30-120 секунд продолжают регистрировать динамику светорассеяния того же самого участка ткани. О фотосинтетической активности и устойчивости к фотодеструкции судят по величине и знаку показателей α и β, которые рассчитываются по формулам: и где |α| - скорость изменения интенсивности светорассеяния в течение засветки оптическим излучением синей области спектра; I01 - средняя интенсивность светорассеяния в первые 1-3 секунды засветки оптическим излучением синей области спектра; |β| - скорость изменения интенсивности светорассеяния в течение засветки оптическим излучением красной области спектра; I02 - средняя интенсивность светорассеяния в первые 1-3 секунды засветки оптическим излучением красной области спектра; t - текущее время. Чем выше значение модулей данных показателей при отрицательном знаке, тем выше фотосинтетическая активность и устойчивость к фотодеструкции, и чем выше значение модулей показателей α и β при положительном знаке, тем слабее фотосинтетическая активность и устойчивость к фотодеструкции. Способ позволяет снизить трудоемкость определения функционального состояния растений и повысить ее эффективность посредством количественной оценки фотосинтетической активности и устойчивости к фотодеструкции хлорофиллсодержащих тканей за один измерительный цикл. 1 ил., 1 табл., 1 пр.

 

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

Известны оптические способы оценки функционального состояния растений и плодов, основанные на регистрации спектров поглощения или коэффициентов отражения/пропускания на определенных длинах волн или параметров флуоресценции хлорофиллсодержащих тканей [1-4]. О функциональном состоянии судят по различиям оптических параметров, полученных при измерениях опытных и контрольных растений. Наиболее точное определение функционального состояния хлорофиллсодержащих тканей основано на комплексной информации о фотосинтетической активности и об устойчивости к фотодеструкции, 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 ее эффективности посредством количественной оценки фотосинтетической активности и устойчивости к фотодеструкции хлорофиллсодержащих тканей за один измерительный цикл.

Способ осуществляется следующим образом. Регистрируют динамику светорассеяния небольшого участка хлорофиллсодержащей растительной ткани (листья, побеги, покровные ткани фруктов и овощей) в процессе первой засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра (в зоне первого максимума поглощения хлорофилла 460…480 нм) плотностью мощности 150…800 Вт/м2 в течение 20…40 секунд, затем активируют монохроматическое зондирующее излучение красной области спектра (в зоне второго максимума поглощения хлорофилла 650…660 нм) плотностью мощности 2500…6000 Вт/м2 и в течение последующих 30-120 секунд продолжают регистрировать динамику светорассеяния того же самого участка ткани в процессе засветки красным излучателем. При этом спектральная чувствительность фотоприемного устройства, предназначенного для регистрации интенсивности светорассеяния, должна быть в несколько раз выше (в 2 и более) в диапазоне длин волн 650…740 нм, по отношению к спектральной чувствительности в диапазоне длин волн 460-480 нм.

О фотосинтетической активности судят по скорости изменения интенсивности светорассеяния в течение первых 20…40 секунд засветки оптическим излучением синей области спектра, а об устойчивости к фотодеструкции - по скорости изменения интенсивности светорассеяния в процессе засветки оптическим излучением красной области спектра. Количественно фотосинтетическая активность и устойчивость к фотодеструкции определяются показателями α и β соответственно, которые рассчитываются по формулам:

где |α| - скорость изменения интенсивности светорассеяния в течение всего времени засветки оптическим излучением синей области спектра; I01 - средняя интенсивность светорассеяния в первые 1-3 секунды засветки оптическим излучением синей области спектра; |β| - скорость изменения интенсивности светорассеяния в течение второй фазы засветки оптическим излучением красной области спектра; I02 - средняя интенсивность светорассеяния в первые 1-3 секунды засветки оптическим излучением красной области спектра; t - текущее время.

При этом о фотосинтетической активности и устойчивости к фотодеструкции судят по величине и знаку показателей α и β соответственно. Чем выше значение модулей данных показателей при отрицательном знаке, тем выше фотосинтетическая активность и устойчивость к фотодеструкции. Чем выше значение модулей показателей α и β при положительном знаке, тем слабее фотосинтетическая активность и устойчивость к фотодеструкции.

Пример. Для измерений использовали листья смородины черной, со средним, высоким и низким уровнем функционального состояния фотосинтетического аппарата. Для этого были проведены с помощью хлорофилл-флуориметра измерения потенциального квантового выхода Y фотосистемы 2, величина которого прямо пропорциональна активности фотосинтеза. Листья разделяли на три группы: с высоким (Y≥0,65 отн. ед.), средним (Y≈0,35…0,45 отн. ед.) и низким функциональным состоянием фотосинтетического аппарата (Y≤0,30 отн. ед.). После темновой адаптации в течение 30 минут небольшой участок листа площадью 2 мм2 подвергали засветке оптическим излучением с длиной волны 475 нм и плотностью мощности 600 Вт/м2. Длительность засветки продолжалась 30 секунд, по окончании которой включался источник красного излучения (655 нм) с плотностью мощности 4200 Вт/м2, экспонирующий ту же самую зону листа в течение последующих 120 секунд. Фиксировали динамику изменения интенсивности светорассеяния в процессе засветки синим и затем красным светом и определяли параметры α и β по формуле 1. Для удобства рассмотрения, графики представлены в относительных единицах, приведенных к 100% относительно начальных значений, полученных в течение первых 1-2 секунд засветки синим светом. Типичные качественные кривые (фиг. 1) имеют следующие особенности реакции ФСА на засветку в зависимости от функционального состояния:

- в варианте с высоким функциональным состоянием ФСА (верхний график фиг. 1 «Высокое ФС») динамика интенсивности светорассеяния в первые секунды засветки синим светом в основном обусловлена медленной индукцией флуоресценции хлорофилла (МИФХ); после включения красного света большей интенсивности этот процесс возобновляется до выхода на плато. Через весьма продолжительное время (от единиц до десятков минут в зависимости от вида растения и мощности зондирующего потока) можно наблюдать очень слабый подъем;

- в варианте со средним функциональным состоянием ФСА (средний график фиг. 1 «Среднее ФС») амплитуда и скорость МИФХ значительно меньше; после включения красного излучателя сигнал изменяет свою интенсивность, но без возобновления перепада (или второй перепад очень слабый), и затем начинается подъем светорассеяния, обусловленный процессами фотодеструкции хлорофилла. При этом крутизна подъема интенсивности больше, чем у верхнего графика;

- в варианте с низким функциональным состоянием ФСА (нижний график фиг. 1 «Низкое ФС») амплитуда и скорость МИФХ еще меньше, а после включения красного источника процессы фотодеструкции начинаются почти мгновенно и с высокой скоростью фотовыцветания хлорофилла.

Эти закономерности характерны для всех хлорофиллсодержащих тканей, с вариациями по амплитуде и скорости изменения кривых в зависимости от генотипических и фенотипических особенностей.

По результатам измерений (таблица 1) следует важный вывод о независимости регистрируемых параметров от оптической плотности листа, а соответственно, и от формы представления данных. Следовательно, существенно упрощается процесс сравнительной оценки параметров листьев растений и других хлорофиллсодержащих органов различной толщины, формы и пигментного состава.

Регистрируемые параметры α и β зависят только от функционального состояния ФСА, причем по сравнению с известными методами оценки функционального состояния по потенциальному квантовому выходу Y фотосистемы 2 предлагаемые параметры имеют существенно больший динамический диапазон варьирования, что позволяет давать более точную оценку функционального состояния растений.

Таким образом, предлагаемый метод позволяет в рамках единой оптической схемы, за один цикл измерений в течение нескольких минут количественно оценивать уровень фотосинтетической активности и устойчивости к фотодеструкции любых тканей растений, содержащих хлорофилл. На аналогичные оценки с помощью типовых методик и оборудования затрачивается несколько часов.

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.

Оптический способ оценки функционального состояния растений, включающий измерение оптических параметров хлорофиллсодержащих тканей, отличающийся тем, что регистрируют динамику светорассеяния фотосинтезирующей растительной ткани в процессе засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра (в зоне первого максимума поглощения хлорофилла 460-480 нм) плотностью мощности 150-800 Вт/м2 в течение 20-40 секунд, затем активируют монохроматическое зондирующее излучение красной области спектра (в зоне второго максимума поглощения хлорофилла 650-660 нм) плотностью мощности 2500-6000 Вт/м2 и в течение последующих 30-120 секунд продолжают регистрировать динамику светорассеяния того же самого участка ткани; о фотосинтетической активности и устойчивости к фотодеструкции судят по величине и знаку показателей α и β, которые рассчитываются по формулам: и где |α| - скорость изменения интенсивности светорассеяния в течение засветки оптическим излучением синей области спектра; I01 - средняя интенсивность светорассеяния в первые 1-3 секунды засветки оптическим излучением синей области спектра; |β| - скорость изменения интенсивности светорассеяния в течение засветки оптическим излучением красной области спектра; I02 - средняя интенсивность светорассеяния в первые 1-3 секунды засветки оптическим излучением красной области спектра; t - текущее время; при этом чем выше значение модулей данных показателей при отрицательном знаке, тем выше фотосинтетическая активность и устойчивость к фотодеструкции, и чем выше значение модулей показателей α и β при положительном знаке, тем слабее фотосинтетическая активность и устойчивость к фотодеструкции.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к плодоводству, физиологии растений и питомниководству. Способ включает измерение динамики электропроводности тканей прививки.

Изобретение относится к области селекции и семеноводства, а также к лесному хозяйству. Способ включает двухэтапный отбор при проведении изреживаний.
Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству. Фотоэлектрохимическая ячейка содержит фотоэлектроды, электролит и электролитный мостик.

Изобретение относится к световым приборам, а именно к светильникам с определенным спектром излучаемого света, используемым для досветки растений, которым не хватает солнечного света, к так называемым фитосветильникам.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Устройство содержит источник бесперебойного питания, выходом соединенный с входом стабилизированного блока питания, плюсовый и общий выводы которого подключены к цепи питания логических элементов, схем и блоков, а через первый тумблер выходом соединенный с входом первого источника высокого напряжения, минусовый вывод которого соединен с общей шиной, связанной с входом элемента ограничения тока, первый и второй ключи, управляющие входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго драйвера, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой диоды.

Изобретение относится к светотехнике, в частности к полупроводниковой светотехнике, предназначенной для использования в парниках и теплицах в качестве межрядковой досветки.

Группа изобретений относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству и пчеловодству. Осветительное светоизлучающее диодное (СИД) устройство выполнено с возможностью излучения по меньшей мере одного спектрального пика (401, 402 и 403) на длине волны, совпадающей с повышенной отражательной способностью цветков опыляющихся растений (710, 711).

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ включает воздействие постоянным электрическим током плотностью 0,25-1,0 мкА/мм2 при напряжении 1,5-3 В в течение 72-144 часов непосредственно на укорененном растении при подведении отрицательного потенциала к привою, а положительного - к подвою.

Изобретение предоставляет осветительную систему для регулирования роста растений, при этом система содержит: группу твердотельных источников света, выполненных с возможностью излучения света предварительно заданной длины волны или диапазона длин волн; и охлаждающую установку, содержащую трубку, имеющую по меньшей мере одно впускное отверстие для получения газообразной охлаждающей среды и множество выпускных отверстий для высвобождения указанной газообразной охлаждающей среды из указанной охлаждающей установки, причем охлаждающая установка находится в механическом и тепловом контакте с указанными источниками света.

Изобретение относится к области обработки растительных материалов, а именно к устройствам обработки растущих растений световым излучением. Предложенное устройство представляет собой контейнер, в котором находятся несколько светоизолированных друг от друга камер, скомпонованных в многоэтажную конструкцию.

Группа изобретений относится к области растениеводства. Способ включает проведение стадии освещения растения красным и синим светом периодически и неоднократно в пределах определенного интервала времени, допуская прерывание обеих стадий стадией прерывания освещения растения светом. Продолжительность стадии освещения красным светом и стадии освещения синим светом составляет 0,1 часа или больше, но менее 48 часов. В способе допускают прерывание обеих стадий стадией одновременного освещения растения красным и синим светом в пределах определенного интервала времени, в котором соотношение количеств красного освещающего света и синего освещающего света составляет от 1:20 до 20:1. Оборудование включает в себя светоизлучающую часть для освещения растений красным светом и синим светом; и управляющую часть для управления светоизлучающей частью для проведения стадии освещения растения красным светом и стадии освещения растения синим светом периодически и неоднократно в пределах определенного интервала времени. Оборудование также включает: первую светоизлучающую часть, которая освещает красным светом; вторую светоизлучающую часть, которая освещает синим светом; управляющую часть для управления освещением растения светом из первой светоизлучающей части и второй светоизлучающей части периодически и неоднократно и средство перемещения для перемещения растений между положением освещения светом, исходящим из первой светоизлучающей части, и положением освещения светом, исходящим из второй светоизлучающей части. Изобретения позволяют обеспечить стимулирование растений. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил., 13 табл., 5 пр.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к предпосевной обработке семян сельскохозяйственных растений способом неинвазивной световой импульсной терапии. Использование изобретения позволит получить в сельском хозяйстве простой, недорогой и эффективный способ предпосевной активации семян различных культур. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области растениеводства. В способе один раз в 1-2 сутки почву под растениями подвергают воздействию вибрации. При этом кинематическое вибрационное воздействие прикладывается регулярно в течение 6-8 часов на этапе выращивания рассады. Причем направление вибрации перпендикулярно направлению роста растения, частота вибрации равна 5-10 герц и амплитуда вибрационного воздействия равна 0,5-1 миллиметр. Способ позволяет сформировать плоскую форму корневой системы у рассады в процессе ее роста с преимущественным развитием обрастающих корней за счет воздействия механической вибрации. 3 ил.

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Способ получения минерального удобрения предусматривает нанесение на гранулы удобрения оболочек на основе глауконита, причем гранулы удобрения после нанесения на них оболочек подвергают воздействию постоянного магнитного поля. Изобретение позволяет повысить эффективность применения минерального удобрения за счет воздействия на удобрение, почву, высеянных в грунт семян и на само растение в процессе его вегетации дополнительными физическими факторами, способствующими повышению энергии прорастания семян, ускорению фаз развития растений, повышению продуктивности растений и качества сельскохозяйственной продукции. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области электрофизиологии и может применяться для электростимуляции растений. При осуществлении способа регуляции роста и развития растений осуществляют капельный полив. Полив осуществляют в вечернее время с температурой воды 15-37°С. В воде растворяют смесь гумата калия и селенита натрия в концентрации 0,1% каждого элемента. Проводят электростимуляцию напряжением 50 мВ. С 2-х сторон по краям участка помещают алюминиевые пластины. К пластинам подводят напряжение 5 вольт от источника постоянного напряжения. Обеспечивается увеличение продуктивности зерна с высокими качественными показателями. 1 пр.

Группа изобретений относится к сельскому хозяйству и может быть использована при управлении процессом выращивания растений в теплице с обогревом путем электрического воздействия на биологический электрический потенциал вдоль стебля растений. По результатам измерения, формирования и сравнения сигналов величин параметров осуществляют регулирование режима обогрева помещения теплицы. Корректируют режим обогрева помещения, электрическую стимуляцию роста растений и улучшение обмена веществ как в открытом грунте, так и в тепличных условиях. Подают положительный потенциал источника тока в зону корневой системы растения, а отрицательный потенциал к верхней части растения. Измеряют величину угла между направлением на набегающий на помещение теплицы движущийся наружный воздух или направлением ветра и направлением на север. Подают сформированный и заданный сигнал разности биоэлектрических потенциалов на стебли растений теплицы. Устройство содержит датчик температуры внутреннего воздуха, датчик относительной влажности внутреннего воздуха, датчик температуры наружного воздуха, датчик относительной влажности наружного воздуха, датчик облученности растений, датчик скорости движения наружного воздуха или скорости ветра. Также устройство включает блок задатчиков вида и возраста растений, текущего времени выращивания растений, имитированного сигнала температуры внутреннего воздуха, сигналов развертки в технологическом диапазоне температуры внутреннего воздуха, значений коэффициентов и констант математических моделей продуктивности и теплообмена теплицы с окружающей средой. Устройство содержит вычислительный блок, блок управления или первый формирователь экономически оптимального значения температуры внутреннего воздуха, или первый оптимизатор, первый регулятор температуры внутреннего воздуха, обогреватель, блок индикации технических, технологических и экономических параметров и характеристик процесса выращивания растений в теплице. Устройство содержит выходы датчика температуры внутреннего воздуха, датчика относительной влажности внутреннего воздуха, датчика температуры наружного воздуха, датчика относительной влажности наружного воздуха, датчика облученности растений, датчика скорости движения наружного воздуха или скорости ветра. Блоки задатчиков подключены к соответствующим входам вычислительного блока, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами блока управления, блока индикации. Выход блока управления подключен к дополнительному входу вычислительного блока и к первому входу регулятора температуры внутреннего воздуха, второй вход которого дополнительно соединен с выходом датчика температуры внутреннего воздуха, а выход подключен к входу обогревателя. Устройство содержит второй формирователь искусственного электрического наивысшего значения биологического электрического потенциала растений данного вида и возраста при близких к оптимальным условиям среды обитания, второй регулятор напряжения искусственного биологического электрического потенциала или искусственно созданного внешнего электрического отрицательного потенциала, приложенного к вершине растения по отношению к грунту, входное электрическое сопротивление стеблей растений теплицы, верхушки которых механически закреплены на прочных электропроводящих шпалерах и электрически присоединены к ним, датчик направления ветра, выход которого соединен с соответствующим входом вычислительного блока. Третий выход вычислительного блока через второй формирователь подключен к первому входу второго регулятора, второй вход и выход которого подключены соответственно к входному электрическому сопротивлению стеблей растений теплицы и к корпусу первого устройства, электрически соединенному с грунтом. Обеспечивается повышение точности, увеличение функциональных возможностей и расширение арсенала технических средств для управления технологическими процессами выращивания растений в теплице. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 6 ил.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству. В способе определяют электропроводность в экстрагирующем растворе. При этом 1 г листьев каждого сорта помещают в пробирки с 1 М раствором сахарозы. Периодически измеряют электропроводность до получения отчетливых различий между сортами в интервале от 15 до 70 мкСм/см. Строят графики зависимости электропроводности от времени, вычисляют скорость изменения электропроводности, величина которой обратно пропорциональна засухоустойчивости растений. Способ обеспечивает повышение точности измерений и сокращение времени определения. 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к производству овощей в защищенном грунте, в теплицах с автоматической системой управления факторами среды, путем локального досвечивания растений на фоне общего освещения. Техническим результатом является повышение равномерности и эффективности распределения световой энергии. Устройство для межрядкового досвечивания тепличных растений в защищенном грунте включает основные источники искусственного света 4, расположенные на уровне верхнего яруса 1 листьев, и дополнительные источники искусственного света, установленные на регулируемых по высоте подвесах на уровне среднего и нижнего ярусов. Технический результат достигается за счет того, что дополнительные источники искусственного света выполнены в виде отражателей, состоящих из каскадов шарнирно соединенных между собой зеркал 6 с вогнутой поверхностью, расположенных параллельно относительно друг другу в вертикальной плоскости и повернутых друг к другу тыльной стороной зеркал, при этом между каскадами зеркал расположено устройство управления 9 положением зеркал в вертикальной плоскости, которое выполнено в виде подвижных регулируемых по длине штанг 10, соединенных между собой шарнирами 8, причем длина предыдущих зеркал относительно длины последующих зеркал взята в соотношении 1:2. 2 ил.

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, а именно к техническим средствам для обработки растений. Беспилотный робот для магнитно-импульсной обработки растений содержит раму с управляемыми колесами, систему управления и навигации с контрольно-измерительными приборами, систему питания и установленный на раме модуль магнитно-импульсной обработки растений с технологическим адаптером для установки высоты расположения упомянутого модуля в соответствии с высотой обрабатываемых растений, при этом модуль выполнен в виде магнитно-импульсного активатора с индуктором. Изобретение направлено на повышение качества и эффективности процесса магнитно-импульсной обработки растений. 3 ил.

Изобретение предоставляет осветительное устройство (100) с излучающими свет диодами (10), выполненными с возможностью генерирования света (11), имеющего длину волны, выбранную из диапазона, составляющего 400-475 нм, при этом осветительное устройство (100) содержит по меньшей мере две излучающие свет части (100a, 100b). Первая излучающая свет часть (100a) содержит первое подмножество (10a) светоизлучающих диодов (10) и выполнена с возможностью предоставления первого освещения (111a), имеющего первое спектральное распределение света, по существу, в диапазоне, составляющем 400-475 нм. Вторая излучающая свет часть (100b) содержит второе подмножество (10b) светоизлучающих диодов (10) и содержит преобразующий свет элемент (20), выполненный с возможностью преобразования по меньшей мере части света (11), генерируемого во втором подмножестве (10b) множества светоизлучающих диодов (10), во второе освещение (111b) со вторым спектральным распределением света, по существу, в диапазоне, составляющем 625-800 нм. Первое подмножество (10a) множества светоизлучающих диодов (10) и второе подмножество (10b) множества светоизлучающих диодов (10) регулируются независимо. Изобретение позволит стимулировать рост и развитие растений, что обеспечит повышение урожайности сельскохозяйственных культур. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 13 ил.
Наверх