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

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

Публикации

1. 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)
10.3390/rs10050771

2. 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)
10.1016/j.pbiomolbio.2018.11.009

3. 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)
10.1071/FP18224

4. 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)
10.31255/978-5-94797-319-8-749-751

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)
10.31255/978-5-94797-319-8-752-754

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)
10.3390/rs11070810

7. 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)
10.1134/S0233475519030083

8. 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)

9. 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)
10.26907/978-5-00130-204-9-2019-420

10. 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)
10.31429/SbR6.2019.001

11. 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)
10.31429/SbR6.2019.001

12. 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)
10.3390/rs12081312

13. 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)
10.3390/agriculture10010007

14. 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)
10.1080/15592324.2020.1737786

15. 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)
10.1007/s11120-020-00718-x

16. 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)

17. 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)

18. 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)

19. 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)

20. 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)

21. 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)

22. 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)

23. 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)
10.1007/s11120-017-0460-1

Публикации