Описано лазерний флуоресцентний метод контролю стану рослин. Показано, що метод лазерної індукованої флуоресценції може стати ефективним дистанційним або неконтактним методом виявлення стресових станів у рослин, викликаних механічними пошкодженнями.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Бєлов Михайло Леонідович, булла Ольга Олексіївна, Матросова Ольга Олександрівна, Федотов Юрій Вікторович, Городничев Віктор Олександрович


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва діє до: 2012
    Журнал
    Інженерний журнал: наука та інновації
    Наукова стаття на тему 'ЛАЗЕРНИЙ ФЛУОРЕСЦЕНТНИЙ МЕТОД ВИЯВЛЕННЯ У РОСЛИН СТРЕСОВИХ стан, викликаний МЕХАНІЧНИМИ ПОШКОДЖЕННЯМИ'

    Текст наукової роботи на тему «ЛАЗЕРНИЙ ФЛУОРЕСЦЕНТНИЙ МЕТОД ВИЯВЛЕННЯ У РОСЛИН СТРЕСОВИХ стан, викликаний МЕХАНІЧНИМИ ПОШКОДЖЕННЯМИ»

    ?УДК 504.064.36

    М. Л. Белов, О. А. булла, О. А. Матросова, Ю. В. Федотов, В. А. Городничев

    ЛАЗЕРНИЙ ФЛУОРЕСЦЕНТНИЙ МЕТОД ВИЯВЛЕННЯ У РОСЛИН СТРЕСОВИХ стан, викликаний МЕХАНІЧНИМИ ПОШКОДЖЕННЯМИ

    Описано лазерний флуоресцентний метод контролю стану рослин. Показано, що метод лазерної індукованої флуоресценції може стати ефективним дистанційним або неконтактним методом виявлення стресових станів у рослин, викликаних механічними пошкодженнями.

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Ключові слова: лазерний метод, флуоресценція, рослини, виявлення стресових станів.

    Флуоресцентний аналіз широко використовується в науці і техніці в якості високочутливого аналітичного кошти [1-4]). Метод лазерної індукованої флуоресценції є одним з найбільш перспективних напрямків контролю стану рослинності та виявлення стресових станів у рослин, обумовлених недостатнім рівнем поживних речовин або наявністю забруднювачів в грунті [5-14]. Однак крім відсутності або недостатній рівень поживних речовин або наявності забруднювачів в грунті стресові ситуації рослин можуть бути викликані і різними механічними пошкодженнями, що може призводити до їх хвороб, завдаючи шкоди сільському господарству.

    Стресові стани складно ідентифікувати на ранніх стадіях за зовнішнім виглядом рослин. Тому важливим є розробка методів і приладів дистанційного (неконтактного) виявлення стресових станів у рослин як індикаторів механічних пошкоджень рослин.

    Ефективним дистанційним або неконтактним методом виявлення стресових станів у рослин, викликаних механічними пошкодженнями, є метод лазерної індукованої флуоресценції.

    Принцип дії лазерного флуориметра заснований на опроміненні рослин лазером в ультрафіолетовому або видимому діапазонах (для збудження флуоресценції) і реєстрації характеристик флуоресцентного випромінювання.

    Оскільки спектри флуоресценції здорових рослин відрізняються від спектрів флуоресценції рослин, що знаходяться в стресо-

    вих ситуаціях, це дозволяє виявляти стресові стани у рослин шляхом реєстрації спектра флуоресценції висаджених в теплицях рослин, ділянок сільськогосподарських угідь і т. п.

    В даний час є лише окремі експериментальні роботи [15-18], присвячені дослідженню спектрів флуоресценції рослин, що знаходяться в стресових станах, викликаних різними механічними пошкодженнями.

    В роботі [15] проводилися дослідження спектрів флуоресценції листа берези в нормальному стані і при розрізі листа. Аналогічні результати представлені в роботі [17] для листя пастернаку (Pastinacca sativa).

    На рис. 1, а [15] схематично показаний лист берези в двох проекціях (область розрізу листа заштрихована). Залежність інтенсивності I флуоресценції на довжині хвилі 400 нм від координати х приведена на рис. 1, б. Виміри проводилися в лабораторних умовах при порушенні флуоресценції XeCl-лазером на довжині хвилі 308 нм через 5 ... 30 хв після зривання листа з дерева. Вимірювання пошкодженої частини листа проводилися на 3 .. .4 хв пізніше, ніж для неушкодженої частини листа.

    б

    Мал. 1. Лист берези (а) і залежність сигналу флуоресценції від координати * (б)

    На рис. 2 представлений спектр флуоресценції [15] листа берези в нормальному стані 1 і при розрізі 2. Видно, що розрізання листа призводить до збільшення інтенсивності I лазерної індукованої флуоресценції.

    Мал. 2. Спектр флуоресценції листа берези в нормальному (1) і стресовому (2) станах [15]

    На рис. 3 і 4 представлені спектри флуоресценції при вимірюванні в лабораторних умовах на довжині хвилі збудження 470 ± ± 30 нм [16] листя кукурудзи (рис. 3) і редиски (рис. 4) в нормальному стані 1 і при їх механічному пошкодженні (стисненні). На рис. 3 представлені результати спостереження пошкодженого зразка через 4 хв після ушкодження (крива 2), на рис. 4 - через 2 хв (2); 8 хв (3) 10 хв (4) після пошкодження.

    I, відн. од.

    Мал. 3. Спектр флуоресценції листа Рис. 4. Спектр флуоресценції ли-кукурудзи в нормальному (1) і стрес- ста редису в нормальному (1) і совом (2) станах [16] стресовому (2-4) станах [16]

    Видно, що при механічному пошкодженні листя змінюється форма спектра флуоресценції - відношення інтенсивності флуоресценції на довжині хвилі 690 нм до інтенсивності флуоресценції на довжині хвилі 740 нм (або 735 нм).

    На рис. 5 представлено зміна форми спектра флуоресценції листків лимона на довжині хвилі збудження флуоресценції 532 нм, де FM - відношення інтенсивності флуоресценції в спектральному вікні 680 ... 712 нм до інтенсивності флуоресценції в спектральному вікні 712.750 нм при проколюванні листа лимона металевої голкою діаметром 0,56 мм в шести точках, чорні квадрати - листя без механічних пошкоджень (контрольні зразки), чорні кружки - листя з механічними пошкодженнями, чорні трикутники - уражені раком листя без механічних пошкоджень, зворотні чорні трикутники - уражені раком листя з механічними пошкодженнями. Вимірювання показують істотну зміну форми спектра флуоресценції як при хворобі рослини, так і при його механічному пошкодженні.

    У даній роботі досліджували спектри флуоресценції газонної трави, що знаходиться в нормальному і в стресовому стані після механічного пошкодження (підрізання трави). Було посаджено 150 г газонної суміші Декору Aros. В якості грунту використовували стандартний грунт для посадок. Склад газонної трави наведено нижче:

    Насіння для газонів Склад,%

    Райграс пасовищний ЕСКВАЕР ............................................ 30

    Костриця червона ФЕРОТА ............................................... .... 15

    Костриця червона МАКСИМА 1 ............................................ 30

    Костриця червона містика ............................................... .... 20

    Костриця овеча НОРДИК ............................................... ....... 5

    Траву висаджували в ємності розмірами 9x9x10 см. У контрольних (НЕ підрізаних) примірників висота трави досягала 8 см. Всього було посаджено 24 зразка, які згодом були розділені на три групи за ступенем густоти трави.

    Для вимірювання спектрів лазерної індукованої флуоресценції рослин розроблена лабораторна установка. Як джерело збудження випромінювання флуоресценції використана друга гармоніка УАв: Ш-лазера. Підсистема реєстрації випромінювання флуоресценції побудована на основі поліхроматор і високочутливого матричного детектора з підсилювачем яскравості.

    0.5-Ц-1-1-1-1-1-г-

    0 10 20 30 40 50 60

    час після впливу (дні)

    Мал. 5. Зміна форми спектра флуоресценції листа лимона [18]

    Основні характеристики експериментальної установки

    Енергія імпульсу, мДж .............................................. ............ 0,7

    Тривалість імпульсу, нс .............................................. ....... 6

    Довжина хвилі збудження, нм ............................................. ... 266

    Діапазон реєстрації спектра, нм ......................................... 295 ... 700

    Дозвіл по спектру, нм ............................................. ........ 5

    Діаметр приймального об'єктива, мм ........................................ 15

    На установці були проведені вимірювання спектрів флуоресценції газонної трави в діапазоні 595.800 нм через 3-4 дня після підрізання трави. Одночасно зі спектром флуоресценції реєструвалася інтенсивність пружно розсіяного випромінювання на довжині хвилі 532 нм.

    На рис. 6 представлені результати експериментальних досліджень, проведених в даній роботі при довжині хвилі збудження 532 нм (використання довжини хвилі 532 нм для збудження флуоресценції найбільш ефективно для контролю стану рослин).

    0.5

    I, відн. од.

    660

    690

    720 750

    б

    780

    X, нм

    Мал. 6. Спектри флуоресценції газонної трави в нормальному стані і при механічному пошкодженні (підрізання):

    а, б - максимальне і мінімальне відміну спектрів від спектра контрольного зразка; 1 - контрольний зразок; 2 - зразок в стресовому стані, викликаному механічним пошкодженням

    а

    Видно, що спектр флуоресценції рослин при їх механічному пошкодженні сильно залежить від багатьох факторів: довжини хвилі збудження флуоресценції, виду рослин, види механічного пошкодження і часу, що пройшов після механічного пошкодження.

    У більшості випадків дані експериментальних досліджень показують, що вплив стресового чинника проявляється в зміні інтенсивності флуоресценції. Збільшення інтенсивності флуоресценції істотно перевищує її значення для нормального стану рослин.

    Таким чином, аналіз результатів наявних (поки нечисленних) експериментів показує, що метод лазерної індукованої флуоресценції може стати ефективним дистанційним або неконтактним методом виявлення стресових станів у рослин, викликаних механічними пошкодженнями.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Межеріс Р. Лазерне дистанційне зондування. М .: Світ, 1987. 550 с.

    2. Laser-induced fluorescence of green plants. 1: A technique for the remote detection of plant stress and species differentiation / Emmett W. Chappelle [et al.] // Applied Optics. 1984. Vol. 23. No 1. Р. 134-138.

    3. Laser-induced fluorescence of green plants. 2: LIF caused by nutrient deficiencies in corn / Emmett W. Chappelle et al. // Applied Optics. 1984. Vol. 23. №. 1. Р. 139-142.

    4. Cecchi G., Bazzani M., Pantani L. Fluorescence lidar method for remote monitoring of effects on vegetation // SPIE. 1995. Vol. 2585. Р. 48-56.

    5. Luedeker W., Guenther K. P., Dahn H.-G. Laser induced fluorescence a tool for vegetation status- and stress-monitoring and optical aided agriculture // SPIE. 1997. Vol. 3059. Р. 63-75.

    6. Fluorescence: A Diagnostic tool for the detection of stress in plants / Emmett W. Chappelle [et al.] // SPIE. 1997. Vol. 2959. Р. 1-10.

    7.Fateeva N. L., M a tvienko G. G. Application of the method of laser-induced fluorescence // Proc. of SPIE. 2004. Vol. 5232. Р. 652-657.

    8. Fluorescence lidar method for remote monitoring of effects on vegetation / G. Mat-vienko et al. // Proc. of SPIE. 2006. Vol. 6367. Р. 63670F-1-63670F-8.

    9. Дослідження лазерно-індукованої флуоресценції хвойних і листяних рослин при азотному забруднення грунту / Н.Л. Фатєєва та ін. // Оптика атмосфери і океану. 2006. Т. 19. № 2-3. С. 212-215.

    10. Detection of mecanical and disease stresses in citrus plants by fluorescence spectroscopy / J. Belasque et al. // Applied Optics. 2008. Vol. 47. No 11. Р. 1922-1926.

    11. Water deficit and salt stress diagnosis through LED induced chlorophyll fluorescence analysis in Jatropha curcas L. oil plants for biodisiel / A.S. Gouveia-Neto [et al.] // Proc. of SPIE. 2011. Vol. 7902. Р. 79020А-1-79020А-10.

    12. Maurya R., Prasad S. M., Gopal R. LIF technique offers the potential for the detection of cadmium-induced alteration in photosynthetic activities of Zea Mays L. // Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. 2008. Vol. 9. P. 29-35.

    13. Middleton E., McMurtrey J. E., Encheva P. K. Campbell Optical and fluorescence properties of corn leaves from different nitrogen regimes // Proc. of SPIE. 2003. Vol. 4879. Р. 72-83.

    14. Заворуєв В. В., Заворуєва Е. Н. Флуоресценція листя тополь, що ростуть поблизу автомобільних доріг // Оптика атмосфери і океану. 2011. Т. 24. № 5. С. 437-440.

    15. Remote sounding of vegetation characteristics by laser induced fluorescence / G. Matvienko et al. // SPIE. 1999. Vol. 3707. Р. 524-532.

    16. Hurtmut K. L., Rinderle U. The role of chlorophyll fluorescence in the detection of stress cjndition in plants / G. Matvienko et al. // Critical reviews in Analytical chemistry. 1988. Vol. 19. Р. S29-S85.

    17. Нестеренко Т. В., Тихомиров А. А., Дорошенко В. Н. Індукція флуоресценції хлорофілу і оцінка стійкості рослин до несприятливих впливів // Журнал загальної біології. 2007. Т. 68. № 6. С. 444-458.

    18. Detection of mecanical and disease stresses in citrus plants by fluorescence spectro-scopy / J. Belasque et al. // Applied Optics. 2008. Vol. 47. No. 11. Р. 1922-1926.

    Стаття надійшла до редакції 28.09.2012.


    Ключові слова: флуоресценції / ЛАЗЕРНИЙ МЕТОД / РОСЛИНИ / ВИЯВЛЕННЯ СТРЕСОВИХ СТАНІВ

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити