КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-76-20032

НазваниеРанняя дистанционная диагностика стрессового фотосинтетического ответа сельскохозяйственных растений при действии неблагоприятных факторов

РуководительСухов Владимир Сергеевич, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского", Нижегородская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2020  , продлен на 07.2020 - 06.2022. Карточка проекта продления (ссылка)

КонкурсКонкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-106 - Растениеводство

Ключевые словаNPQ, photochemical reflectance index, дистанционная диагностика состояния растений, ксантофилловый цикл, неблагоприятные факторы, стрессовый ответ растения, фотосинтез

Код ГРНТИ68.37.05


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Переход к высокопродуктивному и экологически чистому сельскому хозяйству, базируется на рациональном применении средств химической и биологической защиты сельскохозяйственных растений, что требует разработки систем дистанционного мониторинга их состояния. При этом особое значение приобретает ранняя диагностика развития стрессовых состояний у растения при действии биотических (болезни и вредители) и абиотических (неблагоприятная температура, засуха и т.д.) факторов, так как так как применение защитных и профилактических мер на ранних стадиях развития повреждения является наиболее эффективным. Большое значение имеет также дистанционный характер диагностики состояния растений и высокая скорость его проведения, так как это позволяет осуществлять мониторинг состояния растений на больших площадях. Фотосинтез играет ключевую роль в продуктивности сельскохозяйственных растений и обладает большой чувствительностью к действию неблагоприятных факторов, поэтому оценка фотосинтетических процессов является перспективным инструментом для диагностики стрессового ответа растений. Однако проблема дистанционной диагностики стрессовых фотосинтетических ответов в полевых условиях остается далекой от решения. В настоящее время активно используется ряд индексов, основанных на параметрах отраженного света и характеризующих, в частности, общую фотосинтезирующую биомассу растений (например, вегетационный индекс – NDVI). Однако, изменения таких индексов при действии неблагоприятных факторов происходят при существенном поражении растений, развивающемся в суточном временном диапазоне, а значит их применимость к ранней диагностики стрессового ответа растений – ограничена. Другое направление связано с регистрацией флуоресценции, которая реализуется либо путем пассивной регистрации флуоресценции, индуцированной солнечным светом, либо путем активного ее возбуждения. Второй путь наиболее информативен, в частности, он позволяет оценить нефотохимическое тушение флуоресценции фотосистемы II (NPQ), возрастание которой является надежным показателем стрессового фотосинтетического ответа. Однако регистрация флуоресценции требует сложного и дорогого оборудования, а метод, основанный на активном возбуждении флуоресценции, в настоящее время не реализован в виде системы дистанционного мониторинга. Таким образом, существует насущная потребность в методе, который, опираясь на измерения отраженного света, будет показывать быстрые стрессовые ответы фотосинтетического аппарата и станет основной для дистанционной диагностики состояния сельскохозяйственных растений. Перспективным вариантом такого метода является регистрация “photochemical reflectance index” (PRI), который рассчитывается на основе значений отражения листом света на длинах волн 531 и 570 нм, показывает стрессовые переходы в ксантофилловом цикле и, по-видимому, тесно связан с NPQ. Регистрация PRI активно используется в экологических исследованиях; однако, его применение для нужд сельского хозяйства очень ограниченно. Можно ожидать, что использование PRI позволит выявить быстрые стрессовые ответы фотосинтеза (в минутном, а возможно и в секундном диапазоне) при действии на сельскохозяйственные растения неблагоприятных факторов биотической и абиотической природы. Целью предлагаемого проекта является разработка метода ранней дистанционной диагностики стрессового фотосинтетического ответа сельскохозяйственных растений на действие неблагоприятных факторов различной природы, который опирается на регистрацию величины, динамики и пространственного распределения PRI, и создание прототипа системы, позволяющей реализовать разрабатываемый метод. При этом предполагается решить следующие общие задачи: (1) выяснить, насколько эффективным является измерение PRI у различных сельскохозяйственных растений и оценить перспективы использования такого показателя для различных видов; (2) выявить и количественно описать связь PRI и NPQ при действии неблагоприятных факторов различной природы; (3) разработать и технически реализовать систему дистанционной регистрации динамики и пространственного распределения PRI, а также провести ее апробацию в лабораторных и полевых условиях; (4) оценить возможность диагностики природы и интенсивности неблагоприятного фактора на основании анализа динамики и пространственного распределения PRI, а в случае существования этой возможности – разработать методы такой диагностики. Для решения поставленных задач в 1-й год выполнения проекта будет осуществлена отработка одновременной регистрации PRI с использованием спектрометра и регистрации NPQ с использованием PAM-флуориметра в лабораторных условиях. После обнаружения оптимальных режимов измерения PRI и NPQ, у ряда сельскохозяйственных растений будет осуществлен анализ величины PRI и его связи с величиной NPQ в условиях различной интенсивности освещения. Такая серия экспериментов позволит оценить связь между PRI и NPQ у растений различных видов, оценить перспективы использования регистрации PRI и выбрать «модельные» объекты для дальнейшей отработки метода. Далее в лабораторных условиях будет проведен анализ связи между PRI и NPQ при действии неблагоприятных абиотических факторов (в первую очередь, засуха и повышенная температура), а также анализ динамики изменения исследуемых показателей и оценка общего повреждения растений. На основании полученных в 1-й год выполнения проекта экспериментальных результатов будет предварительно разработана регрессионная или динамическая модель, связывающая величины PRI и NPQ. В рамках 2-го года выполнения проекта, прежде всего, будет осуществлена разработка и техническая реализация системы регистрации и визуализации пространственного распределения PRI, а также последующая ее апробация в лабораторных условиях, путем сопоставления параметров PRI и NPQ в условиях различной интенсивности освещения. В лабораторных условиях будет осуществлено исследование временных и пространственных характеристик изменений PRI и NPQ при действии неблагоприятных абиотических факторов; будет проведена оценка возможности идентификации природы и силы фактора по измеряемым показателям и, при существовании этой возможности, разработаны методы такой диагностики. Кроме того, экспериментальные результаты 2-го года исследований будут использованы для проверки и уточнения разработанной на предыдущем этапе регрессионной (или динамической) модели связи PRI и NPQ. В ходе 3-го года выполнения проекта будет осуществлена апробация разработанной системы в условиях открытого грунта, включая оценку динамики и пространственного распределения PRI при действии неблагоприятных абиотических (в первую очередь – засуха) и биотических (вредители и (или) болезни исследуемых растений) факторов. Будет проведена дополнительная оценка возможности диагностики конкретного типа неблагоприятного фактора по временным и пространственным характеристикам PRI. В завершение проекта будет осуществлено обобщение полученных результатов и выполнена техническая реализация итогового прототипа системы дистанционной диагностики стрессового фотосинтетического ответа сельскохозяйственных растений, включающей в себя как техническую составляющую, так и программный комплекс, осуществляющий управление режимами работы системы, обработку и визуализацию полученных результатов. Дополнительно будет проведена оценка перспектив применения разработанного комплекса к использованию для мониторинга полей с применением беспилотных летательных средств.

Ожидаемые результаты
Наиболее общим результатом предлагаемого проекта является разработка метода ранней дистанционной диагностики стрессового фотосинтетического ответа сельскохозяйственных растений на действие неблагоприятных факторов различной природы, который опирается на регистрацию величины, динамики и пространственного распределения PRI, и создание прототипа системы, позволяющей реализовать разрабатываемый метод. Такой результат будет превосходить мировой уровень исследований в этой области, так как, несмотря на большое число публикаций в высокорейтинговых научных журналах (например, Global Change Biology, IF=8.444, или Remote Sensing of Environment, IF=5.881), посвященных использованию регистрации PRI в исследовании естественных растительных сообществ, такие системы в настоящее время отсутствуют. Практическая значимость разработки подобной системы будет также велика, так как она будет совмещать относительную простоту и дешевизну систем, базирующихся на регистрации отраженного света, и высокую чувствительность к развитию стрессового фотосинтетического ответа, которая обычно характерна для использования метода регистрации флуоресценции. Дальнейшей перспективой развития системы будет ее реализация на беспилотном летательном аппарате и использования для быстрого дистанционного мониторинга значительных полевых площадей. К промежуточным результатам проекта, также имеющим высокую научную значимость и соответствующим мировому уровню исследований, можно отнести: - выявление особенностей PRI у различных сельскохозяйственных растений, так как, несмотря на высокую прикладную значимость задачи и большое количество исследований растений в естественных сообществах, этот вопрос в настоящее время изучается лишь в очень ограниченном числе работ; - анализ корреляции PRI и NPQ при действии неблагоприятных факторов, так как большинство экологических работ направлено на разработку и уточнение методов оценки эффективности протекания процессов фотосинтеза в естественных растительных сообществах, а развитие стрессовых фотосинтетических ответов методом регистрации PRI исследовано в очень ограниченном масштабе; - выявление временных и пространственных особенностей изменения PRI при действии неблагоприятных факторов, абиотической и биотической природы. Этот вопрос остается в настоящее время практически не исследованным, в то же время его решение, как минимум, может дать метод выявления стрессового фотосинтетического на очень ранних стадиях его развития. Кроме того, такие исследования открывают потенциальную возможность ранней диагностики не только факта наличия неблагоприятного воздействия, но также его природы и интенсивности, что имеет очень большое фундаментальное и прикладное значение. - разработка регрессионной или динамической модели, связывающей величину PRI с величиной NPQ в различных условиях, так как в большинстве работ исследование ограничивается анализом корреляции между величинами PRI и NPQ. Разработка такой модели позволит преобразовать величину PRI в соответствующее значение стандартного показателя стрессового фотосинтетического ответа, которым является NPQ, что облегчит анализ и интерпретацию получаемых при исследовании PRI данных. В частности, такая модель станет основанием для их сравнения с результатами очень большего числа работ, исследующих влияние неблагоприятных факторов и условий среды на NPQ.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В ходе выполнения первого этапа Проекта совместно с лабораторией биофотоники ИПФ РАН был отработан метод одновременной регистрации фотохимического индекса отражения (PRI) и нефотохимического тушения флуоресценции (NPQ) в листе растения. Использованная для этого система включала в себя РАМ-флуориметр, спектрометр и осветительный блок. Было разработано две модификации осветительного блока: на базе люминофорного белого светодиода и двух широкополосных светофильтров (желтого и желто-зеленого) и на базе галогенной лампы. Первый осветительный блок обеспечивал освещение объекта желто-зеленым светом с минимальным вкладом фотосинтетически-активного освещения. Такой блок использовался в сочетании с красным актиничным светом РАМ-флуориметра; для устранения искажающего влияния актиничного и фонового освещения применяли периодическое включение желто-зеленого света. Второй осветительный блок обеспечивал широкополосное освещение со значительной долей фотосинтетически-активного света; такой блок использовался без дополнительного актиничного освещения и применялся в режиме непрерывного освещения. При разработке осветительных блоков было также показано, что использование комбинации двух типов светодиодов с максимумами близкими к 531 и 570 нм не является эффективным вариантом освещения при решении задачи регистрации PRI. Далее был выполнен анализ применимости метода регистрации PRI для выявления фотосинтетического стресса у сельскохозяйственных растений. Для этого у гороха, пшеницы и тыквы были получены световые зависимости PRI и NPQ. Было показано, что увеличение интенсивности красного актиничного света приводило к сдвигу PRI в отрицательную сторону и увеличению NPQ; изменения обоих показателей были тесно связаны между собой. При этом изменения PRI могли быть зарегистрированы даже при слабой интенсивности желто-зеленого света осветителя. Такой результат показывает, что все три исследованных растения могут быть использованы как модельные объекты для анализа изменений PRI в ответ на действие стрессоров. Важно отметить, что уровень PRI между отдельными растениями существенно варьировал, поэтому достоверные различия наблюдались, прежде всего, при анализе ΔPRI (величины изменения PRI относительно начального (темнового) уровня показателя). На горохе было дополнительно показано, что переходные процессы, индуцированные изменением интенсивности фотосинтетически-активного освещения, могут быть фактором, который уменьшает эффективность использования PRI в качестве показателя NPQ в условиях естественного освещения с колебаниями интенсивности; однако, такое влияние, по-видимому, не будет иметь решающего значения для измерений. При выполнении следующего блока экспериментов были изучены изменения PRI, развивающиеся при действии стрессоров на растение в целом (высокая температуры, почвенная засуха) и при распространении стрессовых сигналов электрической природы, вызванных локальным повреждением растения. Было показано, что кратковременный нагрев вызывал у пшеницы, гороха и тыквы увеличение абсолютной величины ΔPRI, которая была сильно коррелирована с возрастанием NPQ в листе. Нагрев также вызывал сдвиг фотохимического индекса отражения в отрицательную сторону; однако этот эффект наблюдался не всегда и был менее связан с изменениями NPQ. Измерение другого широко используемого спектрального индекса – вегетационного индекса (NDVI) не выявило достоверных изменений этого показателя. Исследование влияния почвенной засухи, проведенное на горохе, показало, что на начальных этапах засухи происходил сдвиг уровня PRI в отрицательную сторону; однако, затем эффект исчезал. С другой стороны, возрастание абсолютной величины ΔPRI сохранялось в течение всего исследуемого периода; такое возрастание было тесно связано с возрастанием нефотохимического тушения. Анализ NDVI показал, что засуха приводила к снижению этого показателя; однако, уменьшение вегетационного индекса происходило позже, нежели развитие изменений PRI. Таким образом, возрастание абсолютной величины ΔPRI является хорошим показателем фотосинтетического стресса при действии повышенной температуры и засухе. При исследовании влияния распространяющихся стрессовых сигналов электрической природы, прежде всего, был проведен детализированный анализ путей такого влияния на фотосинтез. Было показано, что электрические сигналы могут повышать поглощение света фотосистемой II и вызывать обратимую активацию потока электронов. Такие изменения, вероятно, связаны с закислением люмена хлоропластов; это означает, что электрические сигналы должны влиять на PRI. Действительно, дальнейший анализ показал, что электрические сигналы вызывали обратимый сдвиг PRI в отрицательную сторону; амплитуда такого сдвига была сильно коррелирована с амплитудой возрастания NPQ. Полученный результат показывает, что изменения PRI могут быть использованы и для мониторинга системного фотосинтетического ответа, вызванного распространением стрессовых сигналов. Массивы экспериментальных результатов, полученных по каждому виду в различных условиях, были объединены с целью построения регрессионной модели связи между фотохимическим индексом отражения и нефотохимическим тушением. Было показано, что у всех трех видов ΔPRI линейно зависел от величины общего нефотохимического тушения и от его быстрой (энергозависимой) компоненты. Хорошая линейная связь сохранялась и при объединении результатов все трех видов. В то же время, связь уровня PRI с нефотохимическим тушением была достаточно слаба и не могла быть описана регрессионной моделью. В рамках Проекта был также выполнен ряд дополнительных блоков. Во-первых, был проведен мета-анализ литературных данных, которые показал, что эффективность использования PRI в качестве показателя NPQ могут влиять как условия измерения, так и особенности распределения уровня фотосинтетического стресса в исследуемой выборке растений. Во-вторых, было показано, что развитие засухи приводит к существенному изменению пространственного распределения NPQ в листе; этот предварительный результат показывает перспективность исследований пространственного распределения уровня фотосинтетического стресса и значений PRI по листу для диагностики поражения растения. В-третьих, совместно с лабораторией биофотоники ИПФ РАН предложены предварительные технические решения для реализации системы измерения и визуализации пространственного распределения PRI в растении. В целом, полученные в течение первого года выполнения Проекта результаты показывают, что изменения фотохимического индекса отражения являются хорошим индикатором фотосинтетического стресса, вызванного избыточным освещением, нагревом, засухой или распространением стрессовых сигналов. При этом очень важно, что наиболее эффективным показателем фотосинтетического стресса является не абсолютный уровень PRI, а его изменения (ΔPRI). Такой результат показывает необходимость сосредоточить дальнейшие исследования на изучении пространственного распределения PRI (оценка ΔPRI между участками растения) и/или на изучении изменений PRI при изменении уровня освещения (оценка ΔPRI при изменении освещения). По результатам первого года Проекта опубликовано или принято к печати три статьи в журналах, индексируемых Web of Science и Scopus, включая два журнала из Q1. Сделаны доклады на конференциях.

 

Публикации

1. - В Нижнем Новгороде жгли горох для определения его реакции на стресс ТАСС-Чердак, - (год публикации - ).

2. Громова Е.Н., Сурова Е.М., Неруш В.Н., Сухова Е.М., Сухов В.С. Влияние засухи и электрических сигналов на нефотохимическое тушение и фотохимический индекс отражения (PRI) у гороха «Биосистемы: организация, поведение, управление» 71-я Всероссийская с международным участием школа-конференция молодых ученых. Тезисы докладов, Н. Новгород, Университет Лобачевского. 2018. С. 70 (год публикации - 2018).

3. Сухов В.С., Воденеев В.А. Electrical responses and photosynthesis in higher plants: a theoretical problem and practical perspectives 8th International Conference “Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability-2017” in honor of Agepati S. Raghavendra, William A. Cramer, and Govindjee”, Hyderabad, 2017. P. 139 (год публикации - 2017).

4. Сухов В.С., Громова Е.Н., Сухова Е.М., Сурова Л.М., Неруш В.Н., Воденеев В.А. Анализ связи показателей световой стадии фотосинтеза с фотохимическим индексом отражения (PRI) в условиях кратковременного освещения листа гороха Биологические мембраны, - (год публикации - 2018).

5. Сухова Е.М., Мудрилов М.А., Воденеев В.А., Сухов В.С. Influence of the variation potential on photosynthetic flows of light energy and electrons in pea Photosynthesis Research, Volume 136, Issue 2, pp 215–228 (год публикации - 2018).

6. Сухова Е.М., Неруш В.Н., Сухов В.С. A photochemical reflecting index as perspective method for remote monitoring of plant photosynthesis under changeable conditions: meta-analysis of literature data 8th International Conference “Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability-2017” in honor of Agepati S. Raghavendra, William A. Cramer, and Govindjee”, Hyderabad, India, Hyderabad, 2017. P. 186 (год публикации - 2017).

7. Сухова Е.М., Сухов В.С. Влияние вариабельного потенциала на фотосинтетические процессы высших растений: Экспериментальный анализ и математическое моделирование «Биосистемы: организация, поведение, управление» 71-я Всероссийская с международным участием школа-конференция молодых ученых. Тезисы докладов, Н. Новгород, Университет Лобачевского. 2018. С. 221 (год публикации - 2018).

8. Сухова Е.М., Сухов В.С. Connection of the photochemical reflectance index (PRI) with the photosystem II quantum yield and nonphotochemical quenching can be dependent on variations of photosynthetic parameters among investigated plants: A meta-analysis Remote Sensing, V. 10. N. 5. Article 771 (год публикации - 2018).

9. Сухова Е.М., Хлопков А.Д., Ратницына Д.А., Сухов В.С. Влияние интенсивности падающего света на развитие нефотохимического тушения на примере гороха посевного: Экспериментальный анализ и математическое моделирование. «Биосистемы: организация, поведение, управление» 71-я Всероссийская с международным участием школа-конференция молодых ученых. Тезисы докладов, Н. Новгород, Университет Лобачевского. 2018. С. 222 (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Основными задачами второго года выполнения Проекта была разработка системы измерения и визуализации пространственного распределения фотохимического индекса отражения (PRI) и оценка ее эффективности; адаптация разработанной системы для определения нефотохимического тушения флуоресценции; выявление особенностей изменений нефотохимического тушения и фотохимического индекса отражения при действии стрессоров (почвенная засуха, температурный стресс), включая анализ пространственного распределения изменений; исследование возможности развития быстрых сдвигов PRI в условиях кратковременного освещения и оценка применимости таких сдвигов для диагностики стрессовых ответов растения. В рамках решения первой задачи, совместно с ООО «Нижегородский лазерный центр» была разработана, технически реализована и предварительно протестирована система измерения и визуализации пространственного распределения PRI растений; разработано базовое программное обеспечение к ней. Разработанная система включала в себя две цифровые камеры с синхронизацией, оборудованные интерференционными фильтрами со светопропусканием на 531 и 570 нм, светоделительную пластинку, обеспечивающую общий «вход» для получения изображения, систему светодиодов для подсветки объектов желто-зеленым светом, контроллер, осуществляющий управление системой и ряд других компонент. Важной особенностью разработанной системы стало применение импульсного освещения объектов желто-зеленым измерительным светом, что позволило минимизировать искажающее влияние фонового освещения. Максимальное поле визуализации разработанной системы составило 30х22 см2, минимальное время между измерениями – 5 с, максимальное количество измерений в серии – 9 999. Разработанная система была использована для решения последующих задач. Путем совместных измерений пространственного распределения PRI с использованием разработанной системы и измерений пространственного распределения NPQ с использованием серийных системы РАМ-имиджинга было показано, что разработанная система позволяет эффективно оценивать величину нефотохимического тушения флуоресценции (NPQ) на основании измерения светоиндуцированных изменений PRI (ΔPRI) в минутном диапазоне у растений с относительно крупными листьями (горох, тыква); несколько менее эффективным оказалось использование изменений PRI для оценки NPQ у растений с малым размером листьев (в частности, у пшеницы, которая имеет узкие листья). Для количественного описания связей между ΔPRI и NPQ были получены линейные регрессионные уравнения, которые оказались близки к аналогичным уравнениям, полученным при анализе интегральных величин PRI и NPQ в листьях растений. Далее разработанная система была использована для оценки изменения PRI в условиях развития почвенной засухи и действия повышенной температуры, являющихся значимыми для сельского хозяйства стрессорами. Прежде всего, было показано, что светоиндуцированное ΔPRI в минутном диапазоне является достаточно чувствительным показателем развития фотосинтетического стресса в этих условиях; между ΔPRI и NPQ сохраняются сильные линейные связи. Такой результат показывает, что анализ светоиндуцированных изменений PRI в минутном диапазоне является перспективным подходом для выявления развития стрессовых изменений в фотосинтетическом аппарате при мониторинге состояния растений в условиях теплицы или лаборатории. В то же время, использование такого показателя для мониторинга состояния растений в полевых условиях имеет значительные ограничения (реализация освещения объектов актиничным светом в течение нескольких минут является сложной задачей при полевых измерениях); поэтому был осуществлен поиск альтернативных подходов к выявлению стрессовых ответов растений с использованием разработанной системы. Было обнаружено, что показатели, отражающие вариабельность PRI в исследованных участках (стандартное отклонения, разность максимального и минимального значения) значительно повышаются в условиях развития почвенной засухи. Такое возрастание хорошо коррелирует с увеличением NPQ и, по-видимому, отражает развитие стрессовых изменений растения в условиях водного дефицита. В то же время, подобное возрастание вариабельности отсутствует после кратковременного действия повышенной температуры; т.е. выявленные изменения обладают определенной специфичностью. Важно отметить, что такие изменения могут быть выявлены без использования калибровочной белой поверхности; это повышает перспективы использования такого показателя для мониторинга состояния растений в полевых условиях. Другим альтернативным показателем может стать величина быстрого сдвига PRI (секундный диапазон), которое было показано с использованием различной длительности освещения растения измерительным желто-зеленым светом. В частности, было установлено, что сдвиг PRI в секундном диапазоне уменьшается при развитии почвенной засухи и практически полностью подавляется при действии повышенной температуры. Обнаружение такого эффекта и его зависимость от типа стрессора также создает предпосылки для использования этого показателя для мониторинга состояния растений в условиях поля. Дополнительно, следует отметить, что анализ пространственного распределения NPQ по площади листа также показал наличие характерных особенностей такого распределения и его динамики в случае действия засухи и нагрева; однако, измерение пространственного распределения PRI в различных участках листовой пластинки не обладает достаточной точностью, чтобы использовать этот подход. В целом, полученные результаты показывают, что разработанная система может осуществлять эффективное измерение фотохимического индекса отражения и динамики его изменения; изменения PRI, в свою очередь, могут быть использованы в качестве показателя развития стрессовых изменений у сельскохозяйственных растений (т.е. использоваться в мониторинге их состояния). Уточнение и совершенствование предложенных подходов является общей задачей дальнейшего развития Проекта.

 

Публикации

1. Сухов В.С., Сухова Е.М., Воденеев В.А. Long-distance electrical signals as a link between the local action of stressors and the systemic physiological responses in higher plants Progress in Biophysics & Molecular Biology, - (год публикации - 2019).

2. Сухов В.С., Сухова Е.М., Громова Е.Н., Сурова Л.М., Неруш В.Н., Воденеев В.А. The electrical signals-induced systemic photosynthetic response is accompanied with changes in photochemical reflectance index in pea Functional Plant Biology, V. 46, N. 4, P. 328-338 (год публикации - 2019).

3. Сухов В.С., Сухова Е.М., Громова Е.Н., Сурова Л.М., Неруш В.Н., Гринберг М.А., Воденеев В.А. Фотохимический индекс отражения – как инструмент мониторинга стрессовых фотосинтетических ответов растения на локальном и системном уровне Годичное собрание Общества физиологов растений России "Механизмы устойчивости растений и микроорганизмов к неблагоприятным условиям среды". Сборник материалов. Часть I., 749-751 (год публикации - 2018).

4. Сухов Е.М., Юдина Л.М., Воденеев В.А., Сухов В.С. Анализ связи изменений фотохимического индекса отражения (PRI) и закисления люмена хлоропластов листьев гороха и герани в условиях кратковременного освещения Биологические мембраны, Т. 36, № 3, с. 218–228 (год публикации - 2019).

5. Сухова Е.М., Сухов В.С. Моделирование световой зависимости нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла и ее перспективы для создания оптической модели листа Годичное собрание Общества физиологов растений России "Механизмы устойчивости растений и микроорганизмов к неблагоприятным условиям среды". Сборник материалов. Часть I., 752-754 (год публикации - 2018).

6. Сухова Е.М., Сухов В.С. Analysis of Light-Induced Changes in the Photochemical Reflectance Index (PRI) in Leaves of Pea, Wheat, and Pumpkin Using Pulses of Green-Yellow Measuring Light Remote Sensing, V. 11, N. 7, Article 810 (год публикации - 2019).

7. Юдина Л.М., Сухова Е.М., Громова Е.Н., Неруш В.Н., Воденеев В.А., Сухов В.С. Фотохимический индекс отражения (PRI) как инструмент мониторинга фотосинтетического стресса у сельскохозяйственных растений Сборник материалов V Международной научно-методической конференции "Роль физиологии и биохимии в интродукции и селекции сельскохозяйственных растений", Том 1, С.347-350. (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Первой задачей, которая решалась на третьем этапе проекта, была модификация и улучшение программного обеспечения разработанной системы по измерению пространственного распределения фотохимического индекса отражения (PRI) у растений (системы PRI-имиджинга). В рамках такой модификации была разработана версия программы Pri 2.0, в которой был реализован ряд новых возможностей. В первую очередь была реализована калибровочная процедура, позволяющая минимизировать техническую ошибку, связанную с различным пространственным расположением исследуемых растений. Во-вторых, была реализована процедура снижения ошибки, обусловленной стохастической неоднородностью чувствительности пикселей матрицы камер. Для этого в новой версии программы была реализована возможность пространственного усреднения получаемых результатов методом скользящего среднего. Были реализованы три варианта – без усреднения, усреднение по квадрату 3х3 и усреднение по квадрату 5х5. В-третьих, был реализован ряд новых возможностей, связанных с анализом получаемых изображений. В частности, Pri 2.0 обеспечивает возможность выставления ROI на полученном системой пространственном распределении PRI, оценки средних значений и стандартного отклонения PRI в таких ROI, получения временной динамики исследуемых значений. Полученные результаты могут быть представлены в виде графика или таблица в программе; также имеется возможность для их сохранения в качестве отдельных файлов. Вторая задача была направлена на детальный анализ механизмов и перспектив прикладного применения изменений PRI, индуцированных освещением в секундном диапазоне. В качестве модельного объекта использовали растения гороха. В рамках решения этой задачи было показано, что светоиндуцированные изменения PRI могут быть разделены на три компоненты: медленные, быстрые и сверхбыстрые. Медленные изменения развиваются в минутном диапазоне освещения; их релаксация в таком временном диапазоне отсутствует. Динамика изменений этой компонент показывает, что она, по-видимому, обусловлена переходами в ксантофилловом цикле. Быстрые изменения PRI развиваются и релаксируют в течении нескольких десятков секунд. Динамика таких изменения сильно коррелирует с динамикой изменений светопропускания на длине волны 535 нм в диапазоне десятков секунд, которая отражает изменения рассеяния света хлоропластами на длине волны 530-545 нм, связанные с закислением люмена хлоропластов. Сверхбыстрые изменения развивались в пределах нескольких секунд освещения; они включали в себя быстрое снижение PRI (500-1000 мс) и последующую полную или частичную релаксацию его величины. Сверхбыстрые изменения PRI коррелировали с развитием электрохромного сдвига и были, по-видимому, связаны с изменениями градиента электрического потенциала на тилакоидной мембране. Учитывая, что сверхбыстрые компоненты изменения PRI могут быть вызваны освещением растений желто-зеленым измерительным светом системы в течении нескольких секунд, с технической точки зрения, такие компоненты являлись наиболее перспективными для использования в оценке состояния растений. Анализ влияния условий измерений на регистрацию сверхбыстрой компоненты изменений показал, что такие изменения могут быть измерены в различных условиях (наличие/отсутствие пространственной фиксации листьев, контролируемые/естественные условия измерения). При этом, амплитуда сверхбыстрых измерений PRI была несколько выше в условиях затемнения. Последующий анализ возможности использования сверхбыстрой компоненты изменения PRI для оценки поражения растений при засухе показал, что развитие водного стресса действительно вызывало достоверные изменения амплитуды такой компоненты: снижение амплитуды при умеренной засухе и увеличение амплитуды при сильной засухе. В то же время, величина таких изменений была относительно мала, что ограничивает возможность использования этого показателя в дистанционном мониторинге. Третья задача была направлена на адаптацию методов применения разработанной системы PRI-имиджинга для оценки стрессовых изменений растений при засухе в условиях открытого грунта и естественного освещения. В качестве модельного объекта использовали растения гороха. Прежде всего, решение этой задачи позволило выявить некоторые технические проблемы и дополнительные возможности при таком типе анализа. Было показано, что основным фактором вносящим ошибку в измерения PRI в естественных условиях являются порывы ветра, вызывающие быстрее колебания пространственного расположения листьев и стеблей. Для решения этой проблемы были использованы короткие серии измерений PRI (11 повторов), среди которых выбирали для дальнейшего анализа результат с наименьшим уровнем стандартного отклонения у полученного изображения. Было также выявлено, что анализ PRI у массива побегов растений, которые образуют достаточно плотный растительный покров, позволяет использовать стандартное расположение зон для анализа (ROI). Это дает возможность избежать процедуры ручного или автоматизированного поиска листьев и расположения на них ROI, т.е. существенно упрощает анализ. Исследование эффективности выявления стрессовых изменений при развитии засухи в условиях открытого грунта и естественного освещения с использованием разработанной системой PRI-имиджинга, показало, что при развитии засухи абсолютные величины PRI снижаются, а стандартные отклонения индекса в пределах исследованных ROI возрастают. Изменения обоих показателей начинают развиваться на ранних стадиях засухи и достигают значительных величин при падении относительного содержания воды в растениях на 10% и более. Важно отметить, что наиболее эффективным для выявления засухи является совместное использование двух критериев – снижение абсолютного значения PRI ниже порогового уровня и возрастание стандартного отклонения PRI выше порогового уровня (для идентификации засухи было достаточно выполнения хотя бы одно из этих критериев). Четвертая задача была направлена на обобщение результатов проекта. В ее рамках было показано, что разработанная система может быть использована для получения четырех групп параметров. При этом первые три группы могут быть получены без использования дополнительных блоков. Во-первых, это измерение абсолютной величины PRI. Такое измерение эффективно при анализе вызванных засухой стрессовых изменений на уровне растительного покрова (на примере, гороха); при этом оно менее эффективно при анализе листьев с фиксированным в пространстве положением. По-видимому, основной областью применения абсолютной величины PRI является мониторинг состояния растений в условиях открытого грунта и, возможно, теплицы. Во-вторых, это изменение стандартного отклонения PRI. Такое стандартное отклонение было связано с развитием стрессовых изменений при засухе во всех вариантах экспериментов (наличие/отсутствие пространственной фиксации листьев, контролируемые/естественные условия измерения). По-видимому, этот показатель можно рассматривать как наиболее универсальный показатель развития стрессовых изменений, которые может быть использован при различных вариантах мониторинга состояния растений (лаборатория, теплица, открытый грунт). В-третьих, это сверхбыстрые изменения PRI, которые развивались при освещении растительных объектов измерительным желто-зеленым светом в течение нескольких секунд. По-видимому, сверхбыстрая компонента изменений PRI может быть использована для оценки светоиндуцированных изменений электрического потенциала на тилакоидной мембране; однако, величина таких изменений при развитии засухи относительно невелика. Таким образом, сверхбыстрые изменения PRI могут быть использованы скорее в лабораторных условиях (научные исследования, высокопроизводительное фенотипирование). В-четвертых, это изменения PRI вызванные освещением актиничным светом в диапазоне десятков секунд и минут. Измерение таких изменений требует дополнительного источника актиничного света с контролируемой интенсивностью и низкого уровня фонового освещения; т.е. оно может быть реализовано в лабораторных условиях или в условиях теплицы. Реализация такой системы в условиях открытого грунта достаточно сложна. Изменения PRI в секундном и минутном диапазоне являются эффективным инструментом для оценки фотосинтетических показателей; в частности, они могут быть использованы для определения нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла (NPQ). Количественные связи NPQ и изменений PRI были описаны в рамках проекта линейными регрессионными моделями. Областью применения таких изменений PRI могут быть научные исследования фотосинтетических процессов в лабораторных условиях, высокопроизводительное фенотипирование и, возможно, раннее выявление стрессовых изменений фотосинтетического аппарата при выращивании растений в условиях открытого грунта. По результатам проекта, подготовлена и направлена на рассмотрение заявка на получение патента в Российской Федерации на «Систему для измерения фотохимического индекса отражения PRI у растений». Опубликован ряд научных статей в журналах, индексируемых базами данных Web of Science и Scopus, включая журналы, входящие в Q1.

 

Публикации

1. - Essential tool for precision farming: new method for photochemical reflectance index measurement EurekAlert!, NEWS RELEASE 7-MAY-2019 (год публикации - ).

2. Громова Е.Н., Сухова Е.М., Хлопков А.Д., Юдина Л.М., Неруш В.Н., Воденеев В.А., Сухов В.С Анализ связи между нефотохимическим тушением флуоресценции хлорофилла и фотохимическим индексом отражения (PRI) у высших растений Сборник научных трудов VI Съезда биофизиков России. Краснодар: Полиграфическое объединение «Плехановец», 2019, Т. 2, с. 339-340 (год публикации - 2019).

3. Мудрилов М.А.,Катичева Л.А., Ладейнова М.М., Балалаева И.В.,Сухов В.С., Воденеев В.А. Automatic determination of the parameters of electrical signals and functional responses of plants using the wavelet transformation method Agriculture, V.10. N. 1. Article 7 (год публикации - 2020).

4. Сухов В.С. Вызванный электрическими сигналами системный фотосинтетический ответ растений: феноменология, механизмы, физиологическая значимость и перспективы практического использования IX Съезд общества физиологов растений России «Физиология растений – основа создания растений будущего» (Казань, 18–24 сентября 2019 г.): тезисы докладов. Казань: Издательство Казанского университета, 2019., с. 420 (год публикации - 2019).

5. Сухов В.С., Сухова Е.М., Юдина Л.М., Громова Е.Н., Воденеев В.А. Дистанционное зондирование быстрых стрессовых ответов фотосинтетического аппарата у растений Сборник научных трудов VI Съезда биофизиков России. Краснодар: Полиграфическое объединение «Плехановец», 2019, Т. 2, с. 140 (год публикации - 2019).

6. Сухова Е.М., Сухов В.С. Relation of photochemical reflectance indices based on different wavelengths to the parameters of light reactions in photosystems I and II in pea plants Remote Sensing, V. 12, N. 8. Article 1312 (год публикации - 2020).

7. Сухова Е.М., Юдина Л.М., Громова Е.Н., Неруш В.Н., Воденеев В.А., Сухова В.С. Burning-induced electrical signals influence broadband reflectance indices and water index in pea leaves Plant Signaling & Behavior, V. 15, N. 4. Article e1737786 (год публикации - 2020).

8. Юдина Л.М., Громова Е.Н., Хлопков А.Д., Неруш В.Н., Воденеев В.А., Сухов В.С. The measurement of photochemical reflectance index (PRI) as an indicator of the local and systemic plants photosynthetic response 10th International Conference Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability. Abstracts and Programme. Eds. Suleyman Allakhverdiev, Ilya Naydov. Saint Petersburg, Russia., P. 149. (год публикации - 2019).

9. Юдина Л.М., Сухова Е.М., Громова Е.Н., Неруш В.Н., Воденеев В.А., Сухов В.С. A light‑induced decrease in the photochemical reflectance index (PRI) can be used to estimate the energy‑dependent component of non‑photochemical quenching under heat stress and soil drought in pea, wheat, and pumpkin Photosynthesis Research, - (год публикации - 2020).


Возможность практического использования результатов
не указано