способ дистанционного определения функционального состояния фотосинтетического аппарата растений

Формула изобретения

Способ дистанционного определения функционального состояния фотосинтетического аппарата растений, заключающийся в том, что посылают лазерные импульсы излучения в темное время суток, возбуждая тем самым излучение флуоресценции хлорофилла, принимают часть излучения флуоресценции, попадающего в поле зрения приемного телескопа, подвергают их спектральной селекции на трех длинах волн, включая длины волн 685 нм и 740 нм, регистрируют полученную информацию, подвергая ее компьютерной обработке и записи, отличающийся тем, что для возбуждения излучения флуоресценции используют диодный лазер с длиной волны излучения в диапазоне 400-460 нм с управляемой амплитудно-временной модуляцией импульсов генерации, импульсы излучения которого посылают через коллиматор с малым углом расходимости луча, чем обеспечивают неизменную площадь засветки, причем на первом этапе для измерения уровня флуоресценции F₀ посылают предварительно ослабленные лазерные импульсы длительностью 10 мкс с частотой 20 кГц, освещающие растение со световой плотностью не более 1 мкмоль/м² с ( 240 мВт/м²), не активизируя в нем фотосинтез, а принятое излучение флуоресценции без ослабления подвергают селекции; через несколько секунд на втором этапе посылают неослабленные лазерные импульсы длительностью 1 с со световой плотностью более 2000 мкмоль/м² с (>480 Вт/м²) для измерения уровня флуоресценции F_m, а принятое излучение флуоресценции ослабляют перед спектральной селекцией до уровня регистрации отдельных импульсов фототока, регистрацию селективных сигналов, полученных на первом и втором этапах, осуществляют в режиме счета фотонов, и по измеренным в двух этапах уровням флуоресценции F₀ и F_m на длине волны 685 нм определяют максимальный квантовый выход первичного разделения зарядов в фотосистеме ФСП:

k_PI=(F_m-F ₀)/F_m,

где k_PI - максимальный квантовый выход первичного разделения зарядов в фотосистеме ФСП;

F₀ - уровень флуоресценции хлорофилла при максимально открытых реакционных центрах в условиях адаптации фотосинтетического аппарата растения к темноте, когда фотосинтеза нет и он не активизируется;

F_m - максимальный уровень флуоресценции хлорофилла при полностью закрытых реакционных центрах под действием насыщающего импульса света в условиях адаптации фотосинтетического аппарата растения к темноте, когда фотосинтеза нет.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к исследованию материалов с помощью оптических средств и может быть использовано в экспериментальной биологии и лесном хозяйстве.

Известен способ дистанционного определения физиологического состояния растения, основанный на лазерном возбуждении флуоресценции хлорофилла растения и регистрации сигналов на смещенных частотах в красной области спектра на длинах волн 685, 715 и 730 нм, по соотношению которых обнаруживают стрессовое состояние и патологию хлопчатника (Авторское свидетельство SU № 1276963 А1).

Из-за сильных различий индуцированных лазером спектров флуоресценции хлорофилла у разных видов растений и неоднозначности стрессового отклика этот способ неприменим в условиях видового разнообразия лесных экосистем. Кроме того, в этом способе отсутствует нормировка на опорный канал возбуждающего лазерного излучения, что лишает его возможности раздельного анализа поведения флуоресценции второй и первой фотосистем растения (ФС II и ФСI соответственно).

Известны способы, основанные на регистрации флуоресценции хлорофилла, которые используются для оценки фотосинтетической активности.

Наиболее близким к заявляемому является способ дистанционного исследования фотосинтетического аппарата растений с помощью флуоресцентного лидара, описанный в статье (Воробьева Н.А. и др. Применение эффекта лазерно-индуцированной флуоресценции для дистанционного исследования фотосинтетического аппарата растений // Оптика атмосферы и океана - 2000. - Т. 13 - № 5 - С.539-542). Способ заключается в том, что лазер посылает импульсы излучения на длине волны 532 нм в темное время суток, возбуждая тем самым флуоресценцию хлорофилла в дальней красной и ближней ИК областях спектра, излучение которой, попадающее в поле зрения приемного телескопа, принимается и подвергается спектральной селекции на длинах волн 532, 685 и 740 нм, после чего регистрируется и подвергается предварительной компьютерной обработке и записи.

Недостатком этого способа так же является неоднозначность спектров флуоресценции разных видов растений и их флуоресцентного отклика на стрессовые воздействия. Кроме того, получаемая информация о содержании хлорофилла столь же неоднозначно характеризует функциональное состояние фотосинтетического аппарата растения. Например, при увеличении содержания хлорофилла может происходить как увеличение фотосинтетической активности, так и ее снижение при перераспределении энергии на усиление адаптационных механизмов на стрессовое воздействие. Наиболее объективным критерием функционального состояния фотосинтетического аппарата растения независимо от видовой принадлежности является его фотосинтетическая активность. Этот параметр не измеряется.

Предлагаемый способ кроме дистанционного определения содержания хлорофилла дополнительно решает задачу дистанционного определения фотосинтетической активности растения.

Поставленная задача решается за счет того, что посылают лазерные импульсы излучения в темное время суток, возбуждающие флуоресценцию хлорофилла, принимают часть излучения флуоресценции, которое попадает в поле зрения приемного телескопа, подвергают ее спектральной селекции на трех длинах волн, включая длины волн б85 нм и 740 нм, регистрируют полученную информацию и подвергают ее компьютерной обработке и записи.

В отличие от известного способа, в предлагаемом техническом решении используется:

1) в качестве источника возбуждающего флуоресценцию света используется диодный лазер с управляемой амплитудной модуляцией импульсов генерации;

2) излучение лазера посылается через коллиматор с малым углом расходимости луча, обеспечивающим практически неизменную поперечную площадь засветки на расстоянии до сотен метров;

3) регистрация осуществляется в режиме счета отдельных фотонов;

4) на первом этапе посылаются слабые лазерные импульсы длительностью 10 мкс с частотой 20 кГц, дополнительно ослабленные ослабителем, который освещает объект световой плотностью не более 1 мкмоль/м² с ( 240 мВт/м²), не активизируя фотосинтез в адаптированном к темноте листовом аппарате, сигналы флуоресценции без ослабления подвергаются спектральной селекции и регистрируются в режиме отдельных импульсов фототока ФЭУ с помощью счетчика фотонов;

5) на втором этапе лазер посылает мощный насыщающий импульс длительностью 1 с со световой плотностью более 2000 мкмоль/м ² с (> 480 Вт/м²), переводящий все реакционные центры в закрытое состояние, собранный приемным телескопом оптический сигнал ослабляется перед блоком спектральной селекции до уровня регистрации отдельных импульсов фототока ФЭУ с помощью счетчика фотонов;

6) по измеренным в двух этапах уровням флуоресценции F₀ и F_m на длине волны 685 нм определяется максимальный квантовый выход первичного разделения зарядов в ФСII:k_PI=(F_m-F₀)/F _m;

где: k_PI - максимальный квантовый выход первичного разделения зарядов в фотосистеме ФСП;

F₀ - уровень флуоресценции хлорофилла при максимально открытых реакционных центрах в условиях адаптации фотосинтетического аппарата растения к темноте, когда фотосинтеза нет и он не активизируется;

F_m - максимальный уровень флуоресценции хлорофилла при полностью закрытых реакционных центрах под действием насыщающего импульса света в условиях адаптации фотосинтетического аппарата растения к темноте, когда фотосинтеза нет.

На чертеже представлено устройство, реализующее способ.

Устройство содержит блок управления 1, амплитудно-модулируемый диодный лазер 2 (457 series DPSS blue laser) с мощностью излучения на длине волны 457 нм в диапазоне 0,01-7 Вт, сменные ослабители револьверного типа 3 и 3', коллиматор 4 с апертурой 10 см, приемный телескоп 5 с апертурой 30 см, блок спектральной селекции по длинам волн 457, 685 и 740 нм 6, ФЭУ 7, 8 и 9, счетчик фотонов 10, компьютер 11.

Устройство работает следующим образом.

Например, для оперативного и дистанционного определения фотосинтетической активности части лесного массива лазером 2 через коллиматор 4 на кроны деревьев на удалении нескольких десятков или сотен метров в темное время суток последовательно в два этапа посылается амплитудно-модулируемое излучение на длине волны 457 нм разной длительности и мощности. На первом этапе посылаются слабые лазерные импульсы длительностью 10 мкс с частотой 20 кГц, дополнительно ослабленные ослабителем 3 до значения световой плотности не более 1 мкмоль/м² с ( 240 мВт/м²). Возбужденные слабые сигналы флуоресценции собираются приемным телескопом 5 и через блок спектральной селекции 6 направляются на ФЭУ 7, 8, 9, а затем регистрируются счетчиком фотонов 10 в режиме счета импульсов фототока. С помощью блока управления 1, на втором этапе подается команда на смену ослабителей 3 и 3', и лазером 2 без ослабления через коллиматор 4 посылается мощный насыщающий импульс длительностью 1 с со световой плотностью более 2000 мкмоль/м² с (> 480 Вт/м²), а собранные приемным телескопом 5 мощные сигналы флуоресценции предварительно перед блоком спектральной селекции 6 ослабляются ослабителем 3' до уровня, обеспечивающего режим регистрации отдельных импульсов фототока ФЭУ 7, 8, 9 с помощью счетчика фотонов 10. Всю полученную информацию подвергают обработке и записи при помощи компьютера 11, который связан с блоком управления 1. Измеряют F₀ и R_m на длине волны 685 нм, по которьм определяется максимальный квантовый выход первичного разделения зарядов в ФСП:

k_PI=(F_m-F ₀)/F_m,

где ФС - 2-я фотосистема растения;

k_PI - максимальный квантовый выход первичного разделения зарядов в фотосистеме ФСП;

F₀ - уровень флуоресценции хлорофилла при максимально открытых реакционных центрах в условиях адаптации фотосинтетического аппарата растения к темноте, когда фотосинтеза нет и он не активизируется;

F_m - максимальный уровень флуоресценции хлорофилла при полностью закрытых реакционных центрах под действием насыщающего импульса света в условиях адаптации фотосинтетического аппарата растения к темноте, когда фотосинтеза нет.

Снижение k_PI - это показатель уменьшения активности донорной стороны фотосистемы ФСII. Обнаружив нарушения фотосинтеза, можно еще на ранней стадии выявить заболевания растений, ухудшение состояния окружающей среды и своевременно помочь растениям, проведя соответствующие агротехнические мероприятия (увлажнение, подкормку, обработку против болезней и т.п.).