Арт. CI-710S
Урожайность зависит от накопления и потери биомассы в результате биотических и абиотических стрессов. Чтобы прокормить растущее население и снизить воздействие агрохимикатов на окружающую среду, необходимо выйти за рамки мониторинга почвы. Неразрушающие датчики на уровне растений могут предоставить точную информацию в режиме реального времени о реакции культуры на условия окружающей среды и стресс, которую не могут предложить традиционные методы. Портативный спектрометр листьев может предоставить более подробную информацию о различных стрессах.
- Спектроскопия листьев позволяет измерить семь распространенных стрессов, с которыми сталкиваются сельскохозяйственные культуры.
- К ним относятся засуха, дефицит питательных веществ, температура, вредители, болезни, засоленность и гербициды.
- При измерении исследуются спектральные изменения, вызванные физиологическими, анатомическими и химическими изменениями, вызванными стрессом.
- Различные методы - визуальный, мультиспектральный, гиперспектральный, тепловизионный и метод взаимодействия света.
Почему спектроскопия листьев используется для измерения стресса?
Спектроскопия листьев позволяет определять биологические реакции, поскольку многие физиологические, анатомические и химические свойства растений влияют на то, как ткани поглощают, отражают или пропускают свет (см. рис. 1).
Новые портативные инструменты на основе спектроскопии используют визуализацию или взаимодействие света с растительной тканью, например, поглощение, пропускание, отражение и флуоресценцию. Эти приборы используют различные диапазоны длин волн, такие как видимый красный-зеленый-синий (RGB), ближний инфракрасный (NIR), инфракрасный (IR) и ультрафиолетовый (UV). Мультиспектральные устройства используют множество конкретных длин волн, а гиперспектральные - целые диапазоны длин волн, чтобы дать информацию о стрессе. Хемометрические модели и методы глубокого обучения сочетаются со спектроскопией для оценки стресса.
Рисунок 1: Рисунок поперечного среза типичного листа с обозначенными типами клеток и слоями. Аннотированы основные взаимодействия света со слоями листа. Зублер и Юн (2020).
В измерении стресса участвуют следующие свойства растений:
- Пигменты: Производство пигментов листьев, хлорофилла, каротинов и ксантофиллов, которые в значительной степени участвуют в спектроскопии, изменяется под воздействием стресса, такого как дефицит питательных веществ или биотические стрессогенные факторы.
- Анатомия: Анатомические свойства листьев, такие как толщина кутикулы, текстура поверхности, толщина клеточной стенки, эластичность клеточной стенки, выпуклость эпидермальных клеток и плотность трихом, изменяются под воздействием стресса и влияют на спектры листьев.
- Биохимия: Изменения состава целлюлозы, гемицеллюлозы, белка, сахара, крахмала и лигнина в листьях, а также их концентрации влияют на спектроскопию. Растения также вырабатывают химические вещества для борьбы со стрессом, которые обнаруживаются с помощью спектроскопии.
Изменения в спектральном отклике листа позволяют заблаговременно обнаружить стресс, вызванный недостатком питательных веществ, температурой, водой, вредителями, болезнями, солью и гербицидами.
1. Стресс, связанный с дефицитом питательных веществ
Можно обнаружить дефицит макроэлементов, таких как азот, фосфор, калий, кальций и магний, и микроэлементов, таких как цинк, железо и марганец. Дефицит всех макро- и микроэлементов снижает концентрацию хлорофилла, поглощательную способность листьев и пропускание света, поэтому стресс приводит к увеличению отражения в видимом, инфракрасном и ближнем инфракрасном спектре. Флуоресценция хлорофилла также используется для измерения дефицита питательных веществ.
Исследование, проведенное на пшенице, показало, что красная кайма, возникающая в результате поглощения хлорофиллом красного цвета и отражения в инфракрасном диапазоне, смещается в зависимости от элемента. При выращивании уменьшается отражение в инфракрасной зоне, поскольку структура листьев разрушается под воздействием стресса.
Однако место выращивания культур также может оказывать влияние. Дефицит азота и магния на пшеничных полях вызывает сдвиг на 33 % и 25 % в видимом диапазоне и на 86 % и 53 % в инфракрасном спектре, соответственно. В комнатных условиях пшеница показала увеличение отражательной способности на 97% и 25% в видимом диапазоне и на 20% и 30% в инфракрасном спектре при дефиците азота и магния, соответственно.
Таким образом, условия выращивания и вид влияют на спектральные изменения при дефиците питательных элементов. Обработка данных с помощью хемометрии также необходима, поскольку спектры, обусловленные недостатком каждого элемента, перекрываются.
Рисунок 2: Спектры отражения листьев Quercus aquifolioides на разных высотах. Кривые отражения растительности в целом обычно имеют такой вид: низкая отражательная способность в видимой области (на нее влияют пигменты листьев), "красный край", соединяющий видимую и ближнюю инфракрасную (БИК) области, и высокая отражательная способность в БИК-области (на нее влияет структура клеток). После 1300 нм на характеристики отражения в основном влияет содержание воды в листьях. Zubler and Yoon (2020).
2. Водный стресс листьев
Водный стресс листьев, вызванный дефицитом воды в почве, является одним из основных факторов, влияющих на фотосинтез и продуктивность растений. Раннее прогнозирование водного стресса листьев может помочь обеспечить полив до того, как водный стресс слишком сильно повлияет на растение. Когда листья испытывают водный стресс, защитные клетки становятся вялыми и закрывают стоматы, через которые выходит водяной пар. Однако стома - это отверстие, через которое в листья поступает углекислый газ, фиксированный в процессе фотосинтеза, поэтому снижение стомальной проводимости уменьшает фотосинтез. Содержание воды в листьях также используется для внесения удобрений.
Видимый, инфракрасный и БИК-диапазоны волн помогают определить водный стресс листьев. Вода поглощает свет в инфракрасной области, и это взаимодействие используется в индексах водного стресса для определения содержания воды в листьях, см. рис. 2. Кроме того, под воздействием засухи изменяется эластичность клеточной стенки, а в некоторых случаях увеличивается толщина кутикулы, что также приводит к изменению отражательной способности листьев. Поэтому точная длина волны для определения засухи будет отличаться для разных видов; например, для кукурузы она составляет 500-850 нм, для ячменя - 430-890 нм, а для томата - 400-980 нм. Нелинейные модели более успешны, чем линейные, при анализе содержания воды в листьях. Поскольку существует генотипическая пластичность, спектроскопия позволяет отбирать сорта для поддержания более высокого содержания воды в листьях при селекции культур на засухоустойчивость.
3. Температурный стресс
Растения могут страдать как от низкой, так и от высокой температуры. Для определения температуры под навесом стандартно используется инфракрасное тепловидение.
В результате холодового стресса растения синтезируют реактивные виды кислорода (ROS), такие как перекись водорода. В ответ на это растения предпочитают накапливать антиоксиданты и ферменты для снижения уровня ROS, а не содержание воды. Таким образом, холодовой стресс приводит к снижению содержания воды в листьях, что можно обнаружить по изменениям в инфракрасном спектре. Поэтому некоторые деревья реагируют на низкие температуры так же, как и на засуху. Они увеличивают толщину кутикулы и уменьшают содержание воды в листьях.
Такие культуры, как пшеница, чувствительны к высоким температурам, и, согласно прогнозам, при каждом повышении температуры на градус Цельсия урожайность в мире снижается на 6%. Хотя стадия роста, на которой возникает тепловой стресс, имеет решающее значение, даже однодневный тепловой стресс может повлиять на продуктивность растений. Чрезмерная жара снижает содержание воды в листьях. Однако даже умеренное тепло изменяет спектральный отклик инфракрасной области, изменяя биологический состав растений за счет изменения уровня полисахаридов, липидов, гемицеллюлозы, лигнина и пектина. Такие соединения, как пектин и лигнин, содержатся в клеточных стенках и могут влиять на пористость клеточных стенок.
4. Стресс, связанный с вредителями
Химические вещества, вырабатываемые растениями в качестве биологической реакции на нападение вредителей, используются для измерения стресса. Портативные приборы, основанные на спектроскопии, помогают выявить и обнаружить стресс до появления визуальных симптомов, таких как поражения.
При использовании в рамках интегрированной борьбы с вредителями раннее обнаружение может помочь в принятии решений по уничтожению вредителей до того, как их популяция увеличится. Спектроскопия листьев - важнейший инструмент для борьбы с вредителями, выработавшими устойчивость к пестицидам, например, кукурузными корневыми червями, без применения химикатов.
Вредители и болезни ежегодно приводят к потере 20-30 % урожая во всем мире, и сокращение этих потерь может повысить продовольственную безопасность без дополнительных затрат земли и ресурсов.
5. Стресс, вызванный заболеваниями
Гиперспектральная и мультиспектральная визуализация и флуоресцентная спектроскопия лучше всего измеряют стресс, вызванный болезнью. Все болезни уменьшают количество хлорофилла и изменяют флуоресценцию при 686 и 735 нм. Также для выявления стресса, вызванного болезнью, можно использовать изменения флуоресценции фенольных соединений при 530 нм.
Другой подход заключается в определении специфических длин волн, связанных с каждым заболеванием растений. При этом следует ожидать незначительных различий в длинах волн, необходимых для выявления одного и того же патогена на разных культурах. Например, для обнаружения мучнистой росы на пшенице требуется диапазон 350-1350 нм, а для ячменя - 400-1000 нм при гиперспектральной съемке.
Третий, косвенный метод обнаружения патогенного стресса - оценка изменений в спектрах, вызванных повышением температуры. Когда патогены, такие как бактерии или вирусы, проникают в стому, листья распознают молекулярные паттерны, ассоциированные с микробами, и снижают стомальную проводимость. Транспирация является средством регулирования температуры листьев, а закрытие стомат повышает температуру листьев, что можно определить с помощью инфракрасных волн.
В настоящее время также возможно идентифицировать и дифференцировать одновременно возникающие стрессовые факторы. Если болезнь и дефицит питательных веществ происходят на одном и том же растении, то для обнаружения стресса можно использовать зеленую, синюю и желтую флуоресценцию в дополнение к красной и инфракрасной длинам волн. Например, мучнистая роса и листовая ржавчина были обнаружены даже у растений с дефицитом азота.
6. Солевой стресс
Соленость влияет почти на 20 % пахотных земель и снижает рост и урожайность растений. Необходимо вывести новые сорта, способные расти в таких изменившихся условиях. Вместо традиционных методов для фенотипирования солеустойчивых признаков используется спектроскопия листьев для оценки морфологических, биохимических и физиологических параметров. Гиперспектральная съемка позволяет обрабатывать огромные объемы данных при поддержке аналитики.
Солевой стресс изменяет спектральные сигнатуры, повреждая клетки мезофилла в листьях и изменяя биосостав клеточной стенки с точки зрения полисахаридов и лигнина. Через несколько дней постоянного засоления листья становятся темнее из-за накопления хлорофилла, что легко заметить с помощью спектроскопического анализа пигментов. Изменения в содержании хлорофилла, каротиноидов и воды можно обнаружить в диапазоне 380-1030 нм. Содержание воды в листьях уменьшается по мере накопления воды в почве с повышенным содержанием солей.
Засоленность снижает скорость фотосинтеза, после чего наступает старение листьев и уменьшение живого веса, что можно измерить с помощью спектроскопии.
Рисунок 3: Фиолетовые и синие пиксели обозначают участки листьев с более высокими значениями Fv/Fm, а красные пиксели - участки листьев с более низкими значениями Fv/Fm. Синий цвет представляет высокие значения Fv/Fm и здоровые ткани, а желтый и красный цвет - пиксели с низкими значениями Fv/Fm и повреждения растений, обнаруженные полевым датчиком флуоресценции хлорофилла. Li et al. 2018.
7. Гербицидный стресс
Борьба с сорняками с помощью до- и послевсходовых химических гербицидов является стандартной процедурой. Применение гербицидов во время дождей, низких температур, неблагоприятных почвенных условий, а также неправильные сроки, дозы и смеси могут нанести вред посевам. Они могут задержать рост культур, повредить их и в конечном итоге снизить урожайность.
Фермеры ищут визуальные симптомы, чтобы проверить действие гербицида. Однако флуоресценция хлорофилла может обнаружить гербицидный стресс до того, как он разовьется, что позволит фермерам скорректировать дозировку и химикаты. Вскоре после применения гербициды снижают световые реакции фотосистем, и разница во флуоресценции хлорофилла может указывать на гербицидный стресс, как показано на рисунке 3.
Измерение стресса в полевых условиях с помощью спектроскопии листьев
Дистанционное применение спектроскопии листьев в точном земледелии - обычное дело. В настоящее время цифровые, тепловые, мультиспектральные или гиперспектральные камеры или спектрометры становятся все более миниатюрными, экономичными и точными и позволяют быстро определять стресс в полевых условиях. Спектрометр листьев CI-710s SpectraVue от компании CID Bio Science Inc. является одним из инструментов, на который полагаются фермеры и ученые для быстрого, неразрушающего измерения стресса листьев. Он оценивает светопропускание, поглощение и отражение света и использует встроенные индексы для анализа пигментов и питательных веществ. Портативные спектрометры листьев будут полезны для снижения потерь урожая как устойчивое, немедленное и практичное решение для обеспечения продовольственной безопасности без ущерба для окружающей среды.
