Оптический способ оценки функционального состояния растений



Оптический способ оценки функционального состояния растений
Оптический способ оценки функционального состояния растений
Оптический способ оценки функционального состояния растений
Оптический способ оценки функционального состояния растений
Оптический способ оценки функционального состояния растений
Оптический способ оценки функционального состояния растений
Оптический способ оценки функционального состояния растений
Оптический способ оценки функционального состояния растений

 


Владельцы патента RU 2592574:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Мичуринский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО Мичуринский ГАУ) (RU)

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.
Наверх