КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 17-76-20032
НазваниеРанняя дистанционная диагностика стрессового фотосинтетического ответа сельскохозяйственных растений при действии неблагоприятных факторов
Руководитель Сухов Владимир Сергеевич, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" , Нижегородская обл
Конкурс №24 - Конкурс 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 слова NPQ, photochemical reflectance index, дистанционная диагностика состояния растений, ксантофилловый цикл, неблагоприятные факторы, стрессовый ответ растения, фотосинтез
Код ГРНТИ68.37.05
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.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ