Оптический способ оценки функционального состояния растений

Оптический способ оценки функционального состояния растений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.