Jump to content

Измерение стресса растений

Схематический обзор классов стрессов у растений.

Измерение стресса растений – это количественная оценка воздействия окружающей среды на здоровье растений. Когда растения находятся в условиях, далеких от идеальных, считается, что они находятся в состоянии стресса . Факторы стресса могут повлиять на рост, выживаемость и урожайность сельскохозяйственных культур. Исследования стресса растений изучают реакцию растений на ограничения и избытки основных абиотических факторов ( свет, температура, вода и питательные вещества ), а также на другие стрессовые факторы, которые важны в конкретных ситуациях (например, вредители, патогены или загрязняющие вещества). Измерение стресса растений обычно фокусируется на измерении показателей живых растений. Это может включать визуальную оценку жизнеспособности растений, однако в последнее время акцент сместился на использование инструментов и протоколов, которые выявляют реакцию определенных процессов внутри растения (особенно фотосинтеза , передачи сигналов растительными клетками и вторичного метаболизма растений ).

  • Определение оптимальных условий для роста растений, например, оптимизация использования воды в сельскохозяйственной системе. [1]
  • Определение климатического ареала разных видов или подвидов.
  • Определение того, какие виды или подвиды устойчивы к тому или иному стрессовому фактору.

Приборы, используемые для измерения стресса растений

[ редактировать ]

Измерения можно проводить на живых растениях с использованием специального оборудования. Среди наиболее часто используемых приборов — те, которые измеряют параметры, связанные с фотосинтезом ( содержание хлорофилла , флуоресценция хлорофилла , газообмен ) или использованием воды (порометр, бомба давления ). В дополнение к этим инструментам общего назначения исследователи часто разрабатывают или адаптируют другие инструменты, адаптированные к конкретной реакции на стресс, которую они изучают.

Системы фотосинтеза

[ редактировать ]

В системах фотосинтеза для измерения фотосинтеза используются инфракрасные газоанализаторы (IRGAS). Изменения концентрации CO 2 в листовой камере измеряются для определения значений ассимиляции углерода листьями или целыми растениями. Исследования показали, что скорость фотосинтеза напрямую связана с количеством углерода, усваиваемого растением. Измерение CO 2 в воздухе до того, как он попадает в листовую камеру, и сравнение его с содержанием CO 2 в воздухе после того, как он покидает листовую камеру, позволяет получить это значение с помощью проверенных уравнений. В этих системах также используются IRGA или полупроводниковые датчики влажности для измерения изменений H 2 O в камерах листьев. Это делается для измерения транспирации листьев и корректировки измерений CO 2 . Спектры поглощения света CO 2 и H 2 необходима поправка . CO 2 O несколько перекрываются, поэтому для достоверных результатов измерения [2] Критическое измерение для большинства измерений стресса растений обозначается буквой «А» или скоростью ассимиляции углерода. Когда растение находится в состоянии стресса, усваивается меньше углерода. [3] CO 2 IRGA способны измерять содержание CO 2 примерно +/- 1 мкмоль или 1 ppm .

Поскольку эти системы эффективны при измерении ассимиляции и транспирации углерода при низких скоростях, как это наблюдается у растений, подвергшихся стрессу, [4] их часто используют в качестве стандарта для сравнения с другими типами инструментов. [5] Приборы для фотосинтеза выпускаются в портативной и лабораторной версиях. Они также предназначены для измерения условий окружающей среды, а некоторые системы предлагают переменный контроль микроклимата измерительной камеры. Системы контроля микроклимата позволяют регулировать температуру измерительной камеры, уровень CO 2 , освещенность и влажность для более детального исследования.

Сочетание этих систем с флуорометрами может быть особенно эффективным при некоторых типах стресса и может быть диагностическим, например, при изучении холодового стресса и стресса, вызванного засухой. [6] [3] [7]

Хлорофилловые флуориметры

[ редактировать ]

Флуоресценция хлорофилла , излучаемая листьями растений, дает представление о состоянии фотосинтетических систем внутри листа. Хлорофилловые флуориметры предназначены для измерения переменной флуоресценции фотосистемы II . Эту переменную флуоресценцию можно использовать для измерения уровня стресса растений. К наиболее часто используемым протоколам относятся протоколы, направленные на измерение фотосинтетической эффективности фотосистемы II как на свету (ΔF/Fm'), так и в темно-адаптированном состоянии (Fv/Fm).Хлорофилловые флуориметры по большей части являются менее дорогими инструментами, чем системы фотосинтеза, они также имеют более быстрое время измерения и, как правило, более портативны. По этим причинам они стали одним из наиболее важных инструментов для полевых измерений стресса растений.

Fv/Fm проверяет, влияет ли стресс растений на фотосистему II в адаптированном к темноте состоянии. Fv/Fm — наиболее часто используемый в мире параметр измерения флуоресценции хлорофилла. «Большинство измерений флуоресценции сейчас проводятся с использованием модулированных флуорометров, когда лист находится в известном состоянии». (Нил Бейкер, 2004 г.) [6] [8]

Свет, поглощаемый листом, следует трем конкурентным путям. Его можно использовать в фотохимии для производства АТФ и НАДФН, используемых в фотосинтезе. Его можно повторно излучать в виде флуоресценции или рассеивать в виде тепла. [3] Тест Fv/Fm предназначен для того, чтобы максимальное количество световой энергии могло пройти по пути флуоресценции. Он сравнивает адаптированное к темноте предфотосинтетическое флуоресцентное состояние листа, называемое минимальной флуоресценцией, или Fo, с максимальной флуоресценцией, называемой Fm. При максимальной флуоресценции максимальное количество реакционных центров было уменьшено или закрыто насыщающим источником света. В целом, чем больше стресс у растений, тем меньше открытых реакционных центров и соотношение Fv/Fm снижается. Fv/Fm — это протокол измерения, который работает при многих типах стресса растений. [9] [10] [3]

При измерениях Fv/Fm после адаптации к темноте измеряется минимальная флуоресценция с использованием модулированного источника света. Это измерение флуоресценции антенн с использованием модулированной интенсивности света, которая слишком мала для стимулирования фотосинтеза. Затем используется интенсивная световая вспышка или импульс насыщения ограниченной продолжительности, чтобы экспонировать образец и закрыть все доступные реакционные центры. Когда все доступные реакционные центры закрыты или химически восстановлены, измеряется максимальная флуоресценция. Разница между максимальной и минимальной флуоресценцией составляет Fv, или переменная флуоресценция. Fv/Fm представляет собой нормализованное соотношение, получаемое путем деления переменной флуоресценции на максимальную флуоресценцию. Это соотношение измерений, которое представляет собой максимальную потенциальную квантовую эффективность Фотосистемы II, если бы все способные реакционные центры были открыты. Значение Fv/Fm в диапазоне от 0,79 до 0,84 является приблизительным оптимальным значением для многих видов растений, при этом пониженные значения указывают на стресс растений (Максвелл К., Джонсон Г.Н. 2000), (Китадзима и Батлер, 1975). [11] Fv/Fm — это быстрый тест, который обычно занимает несколько секунд. Он был разработан примерно в 1975 году Китадзимой и Батлером. Время адаптации к темноте варьируется от пятнадцати минут до ночи. Некоторые исследователи будут использовать только предрассветные значения. [9] [3]

Y(II) или ΔF/Fm' и ETR

[ редактировать ]

Y(II) — это протокол измерений, разработанный Бернаром Дженти и первые публикации в 1989 и 1990 годах. [12] [13] Это адаптированный к свету тест, который позволяет измерить стресс растения, пока растение подвергается процессу фотосинтеза в условиях устойчивого фотосинтетического освещения. Как и FvFm, Y(II) представляет собой коэффициент измерения эффективности растения, но в данном случае это показатель количества энергии, используемой в фотохимии фотосистемой II в условиях устойчивого фотосинтетического освещения. Для большинства типов стресса растений Y(II) линейно коррелирует с ассимиляцией углерода растениями C 4 . У растений C 3 большинство типов растительного стресса коррелируют с ассимиляцией углерода криво-линейным образом. По мнению Максвелла и Джонсона, растению требуется от пятнадцати до двадцати минут, чтобы достичь устойчивого фотосинтеза при определенном уровне освещенности. В полевых условиях растения, находящиеся под полным солнечным светом, а не под навесом или в условиях частичной облачности, считаются находящимися в устойчивом состоянии. В этом тесте необходимо контролировать или измерять уровни светового облучения и температуру листьев, поскольку, хотя уровни параметра Y(II) изменяются в зависимости от большинства типов стресса растений, они также меняются в зависимости от уровня освещенности и температуры. [12] [13] Значения Y(II) будут выше при более низких уровнях освещенности, чем при более высоких уровнях освещенности. Y(II) имеет то преимущество, что он более чувствителен к большему количеству типов стресса растений, чем Fv/Fm. [ нужна ссылка ]

ETR, или транспорта электронов скорость , также является параметром, адаптированным к свету, который напрямую связан с Y(II) уравнением: ETR = Y(II) × PAR × 0,84 × 0,5. Умножив Y(II) на уровень облучения светом в диапазоне ФАР (от 400 до 700 нм) в мкмоль, умножив на среднее отношение света, поглощенного листом 0,84, и умножив на среднее соотношение реакционных центров ФСII к ФСI. реакционные центры, 0,50, [5] [14] [15] достигается относительное измерение ЭТР. [16]

Относительные значения ETR полезны для измерения стресса при сравнении одного растения с другим, если сравниваемые растения имеют схожие характеристики светопоглощения. [3] Характеристики поглощения листьев могут варьироваться в зависимости от содержания воды, возраста и других факторов. [3] Если различия в поглощении вызывают беспокойство, поглощение можно измерить с помощью интегрирующей сферы . [10] Для более точных значений ETR в уравнение можно включить значение поглощения листьев и соотношение реакционных центров PSII к реакционным центрам PSI. Если различные коэффициенты поглощения листьев являются проблемой или являются нежелательной переменной, то использование Y(II) вместо ETR может быть лучшим выбором. должно транспортироваться четыре электрона На каждую ассимилированную молекулу CO 2 или выделенную молекулу O 2 . Отличия от измерений газообмена, особенно у растений C 3 , могут возникать в условиях, которые способствуют фотодыханию, циклическому транспорту электронов и восстановлению нитратов. [6] [3] [17]

Закалочные измерения

[ редактировать ]

Измерения закалки традиционно использовались для измерения световых и тепловых напряжений. [ нужна ссылка ] Кроме того, они использовались для изучения фотозащитных механизмов растений, переходов состояний, фотоингибирования растений и распределения световой энергии в растениях.

Параметры закалки модели лужи и модели озера

[ редактировать ]

Параметры модели озера были предоставлены Дэйвом Крамером в 2004 году. [18] С тех пор Люк Хендриксон предоставил упрощенные параметры модели озера, которые позволяют воскресить параметр NPQ из модели лужи обратно в модель озера. [19] [20]

OJIP или OJIDP

[ редактировать ]

OJIP или OJIDP — это адаптированный к темноте метод флуоресценции хлорофилла, который используется для измерения стресса растений. Было обнаружено, что при использовании шкалы с высоким временным разрешением рост максимальной флуоресценции от минимальной флуоресценции имеет промежуточные пики и провалы, обозначенные номенклатурой OJID и P. На протяжении многих лет существовало множество теорий о том, что означают подъемы, временные рамки, пики и провалы. Кроме того, существует более одной точки зрения на то, как эту информацию следует использовать для стресс-тестирования растений (Штрассер 2004), (Вреденбург 2004, 2009, 2011). [3] [21] [22] [23] [24] Как и Fv/Fm и другие протоколы, исследования показывают, что OJIP лучше работает при некоторых типах стресса растений, чем при других. [ нужна ссылка ]

Измерители содержания хлорофилла

[ редактировать ]

Это инструменты, которые используют пропускание света через лист на двух длинах волн для определения зелени и толщины листьев. Передача в инфракрасном диапазоне обеспечивает измерение толщины листа, а длина волны в диапазоне красного света используется для определения зеленого цвета. Соотношение пропускания двух длин волн обеспечивает индекс содержания хлорофилла, который называется CCI или, альтернативно, индексом SPAD. [25] [26] CCI — это линейная шкала, а SPAD — логарифмическая шкала. [25] [26] Было показано, что эти инструменты и весы коррелируют с химическими тестами на содержание хлорофилла, за исключением очень высоких уровней. [25] [26]

Измерители содержания хлорофилла обычно используются для измерения стресса питательных веществ в растениях, включая азотный стресс и серный стресс. Поскольку исследования показали, что при правильном использовании измерители содержания хлорофилла надежны для управления азотом, эти измерители часто являются предпочтительными инструментами для управления удобрениями сельскохозяйственных культур, поскольку они относительно недороги. [27] [28] Исследования показали, что при сравнении хорошо удобренных растений с тестовыми растениями соотношение индекса содержания хлорофилла в тестовых растениях, разделенное на индекс содержания хлорофилла в хорошо удобренных растениях, дает соотношение, которое указывает на то, когда должно произойти внесение удобрений, и сколько следует использовать. Из-за различий от поля к полю и внутри поля в качестве эталона удобрений обычно используют хорошо удобренный насаждение сельскохозяйственных культур на конкретном поле, а иногда и на разных участках одного и того же поля. Исследования, проведенные на сегодняшний день, используют либо [ нужны разъяснения ] десять и тридцать измерений на тестовых и хорошо удобренных культурах, чтобы получить средние значения. Исследования были проведены для кукурузы и пшеницы. В одной статье предполагается, что когда соотношение падает ниже 95%, пора вносить удобрения. Также рекомендуется количество удобрений. [27] [28]

Консультанты по растениеводству также используют эти инструменты для рекомендаций по удобрениям. Однако, поскольку строгие научные протоколы отнимают больше времени и стоят дороже, консультанты иногда используют хорошо удобренные растения, расположенные в низинных районах, в качестве стандартных хорошо удобренных растений. Обычно они также используют меньше измерений. Доказательствами этого подхода являются неофициальные дискуссии с консультантами по растениеводству.Измерители содержания хлорофилла чувствительны к стрессу как азота, так и серы на пригодных для использования уровнях. Хлорофилловые флуориметры требуют специального анализа, включающего высокий уровень актиничного света в сочетании с азотным стрессом, чтобы измерить азотный стресс на пригодных уровнях. [29] Кроме того, хлорофилловые флуориметры обнаруживают серный стресс только при голодании. [10] [3] Для достижения наилучших результатов измерения содержания хлорофилла следует проводить при отсутствии дефицита воды. [ нужна ссылка ] Системы фотосинтеза обнаруживают как азотный, так и серный стресс. [ нужна ссылка ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Шулаев Владимир; Кортес, Диего; Миллер, Гад; Миттлер, Рон (9 января 2008 г.). «Метаболомика реакции растений на стресс» . Физиология Плантарум . 132 (2): 199–208. дои : 10.1111/j.1399-3054.2007.01025.x . ISSN   0031-9317 . ПМИД   18251861 .
  2. ^ Лонг С.П., Фараж П.К., Гарсия Р.Л., (1996) Измерение фотосинтетического обмена CO 2 в листьях и кроне в полевых условиях, Журнал экспериментальной ботаники, Vol. 47, № 304, стр. 1629-1642.
  3. ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Бейкер Н.Р. (2008) Флуоресценция хлорофилла: исследование фотосинтеза in vivo, Annu. Преподобный Плант Биол.2008. 59: 89–113
  4. ^ Лонг С.П. и Бернакки С.Дж. (2003) Измерения газообмена. Что они могут сказать нам об основных ограничениях фотосинтеза? Процедуры и источники ошибок Журнал экспериментальной ботаники, страница 1 из 9
  5. ^ Перейти обратно: а б Эдвардс Г.Э. и Бейкер Н.Р. (1993)Можно ли CO 2 точно предсказать ассимиляцию в листьях кукурузы на основе флуоресцентного анализа хлорофилла? Фотосинт Res 37: 89–102
  6. ^ Перейти обратно: а б с Бейкер Н.Р., Оксборо К., (2004)Флуоресценция хлорофилла как показатель продуктивности фотосинтеза. Из главы 3 «Хлорофилл — флуоресценция — признак фотосинтеза», под редакцией Джорджа Папакеоргиу и Говинджи, опубликовано Springer 2004, PO Box 17, 3300 AA Dordrecht, Нидерланды, страницы 66-79.
  7. ^ Фрайер М.Дж., Эндрюс Дж.Р., Оксборо К., Блоуэрс Д.А., Бейкер Н.Е. (1998) Взаимосвязь между ассимиляцией CO 2 , фотосинтетическим транспортом электронов и активным метаболизмом O 2 в листьях кукурузы в поле в периоды низкой температуры. Физиол растений. (1998) 116:571–580
  8. ^ Росьяра, UR, С. Субдеди, Р. К. Шарма и Э. Дювейе. 2010. Фотохимическая эффективность и значение SPAD как косвенные критерии отбора для комбинированного отбора пятнистости и терминального теплового стресса у пшеницы. Журнал фитопатологии, том 158, выпуск 11–12, страницы 813–821.
  9. ^ Перейти обратно: а б Максвелл К., Джонсон Г. Н. (2000) Флуоресценция хлорофилла – практическое руководство. Журнал экспериментальной ботаники Vol. 51, № 345, стр. 659-668 – апрель 2000 г.
  10. ^ Перейти обратно: а б с Бейкер Н.Р., Розенквист Э. (2004) Применение флуоресценции хлорофилла может улучшить стратегии растениеводства: исследование будущих возможностей, Журнал экспериментальной ботаники, 55 (403): 1607-1621.
  11. ^ Китадзима М., Батлер В.Л. (1975) Тушение флуоресценции хлорофилла и первичная фотохимия в хлоропластах дибромтимохиноном. Биохим Биофиз Акта 376:105-115
  12. ^ Перейти обратно: а б Дженти Б., Бриантаис Дж. М. и Бейкер Н. Р. (1989) Взаимосвязь между квантовым выходом фотосинтетического электронного транспорта и тушением флуоресценции хлорофилла, Biochimica et Biophysical Acta 990, 87-92.
  13. ^ Перейти обратно: а б Дженти Б., Харбинсон Дж., Бейкер Н.Р. (1990)Относительная квантовая эффективность двух фотосистем листьев в фотореспираторных и нефотореспираторных условиях. Растительная Физиол Биохимия 28: 1-10
  14. ^ Лайск А. и Лорето Ф (1996) Определение параметров фотосинтеза по обмену CO2 в листьях и флуоресценции хлорофилла. Фактор специфичности рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы/оксигеназы, темновое дыхание на свету, распределение возбуждения между фотосистемами, альтернативная скорость транспорта электронов и диффузионное сопротивление мезофилла. Растительная физиол 110: 903–912.
  15. ^ Эйхельман Х., Оя В., Расулов ​​Б., Паду Э., Бичеле И., Петтай Х., Ниинемец О., Лайск А. (2004) Развитие фотосинтетических параметров листьев в листьях Betual pendula Roth: корреляция с плотностью фотосистемы I , Биология растений 6 (2004): 307-318.
  16. ^ Шрайбер У., (2004) Флуорометрия с импульсно-амплитудной модуляцией (PAM) и импульсный метод насыщения: обзор из главы 11, «Хлорофилл и флуоресценция - признак фотосинтеза», под редакцией Джорджа Папакеоргиу и Говинджи, опубликовано Springer 2004, PO Box 17, 3300 AA Dordrecht, Нидерланды, стр. 279–319.
  17. ^ Flexas (2000) – «Установочная и максимальная реакция флуоресценции хлорофилла на водный стресс в листьях виноградной лозы: новая система дистанционного зондирования», Дж. Флексас, М.Дж. Бриантаис, З. Церовик, Х. Медрано, И Моя, Дистанционное зондирование окружающей среды 73 :283-270
  18. ^ Крамер Д.М., Джонсон Г., Кииратс О., Эдвардс Г. (2004) Новые параметры флуоресценции для определения окислительно-восстановительного состояния Q A и потоков энергии возбуждения. Исследования фотосинтеза 79: 209-218.
  19. ^ Клугхаммер К. и Шрайбер У. (2008) Замечания по применению PAM, 2008 г. 1:27 -35
  20. ^ Хендриксон Л., Фёрбанк Р. и Чоу (2004) Простой альтернативный подход к оценке судьбы поглощенной энергии Света с использованием флуоресценции хлорофилла. Исследования фотосинтеза 82: 73-81.
  21. ^ , Штрассер Р. Дж. Цимилли-Майкл М. и Шривастава А. (2004) - Анализ временной флуоресценции хлорофилла. Из главы 12 «Хлорофилл — флуоресценция — признак фотосинтеза», под редакцией Джорджа Папакеоргиу и Говинджи, опубликовано Springer 2004, PO Box 17, 3300 AA Dordrecht, Нидерланды, стр. 340.
  22. ^ . Вреденберг, В.Дж., (2004)Системный анализ фотоэлектрохимического контроля флуоресценции хлорофилла с точки зрения моделей улавливания Фотосистемы II: сложный взгляд. В: Папагеоргиу, Г.К., Говинджи (ред.), Хлорофилл а флуоресценция: признак фотосинтеза, Достижения в области фотосинтеза и дыхания, том. 19. Спрингер, Дордрехт, стр. 133–172.
  23. ^ . Вреденберг, В.Дж., Прасил, О., (2009) Моделирование кинетики флуоресценции хлорофилла в растительных клетках: разработка описательного алгоритма. В: Лайск А., Недбал Л., Говинджи (ред.), Фотосинтез в кремнеземе: понимание сложности от молекул к экосистемам. Спрингер, Дордрехт (Нидерланды), стр. 125–149.
  24. ^ Вреденбург, WJ (2011) Кинетический анализ и математическое моделирование первичных фотохимических и фотоэлектрохимических процессов в фотосистемах растений, BioSystems 103 (2011) 138–151
  25. ^ Перейти обратно: а б с Найтон Н., Багби Б. (2004 г.) – Сравнение измерителя хлорофилла Opti-Sciences CCM-200 и измерителя хлорофилла Minolta SPAD 502, Лаборатория физиологии сельскохозяйственных культур - Университет штата Юта
  26. ^ Перейти обратно: а б с Ричардсон А.Д., Дуиган С.П., Берлин Г.П., (2002) Оценка неинвазивных методов оценки содержания хлорофилла в листьях Новый Фитолог (2002) 153: 185–194
  27. ^ Перейти обратно: а б Шапиро К., Шеперс Дж., Фрэнсис Д., Шанахан Дж. (2006) Использование измерителя хлорофилла для улучшения управления азотом. NebGuide № 1621 Университет Небраски – расширение Линкольна
  28. ^ Перейти обратно: а б Фрэнсис Д.Д., Пекелек Д.Д. Фрэнсис и В.П. Пикелек. ССМГ-12. Введение. Определение того, когда вносить дополнительный азот… Оценка потребности сельскохозяйственных культур в азоте. Хлорофилл Метры
  29. ^ Ченг Л., Фучигами Л., Брин П., (2001) «На взаимосвязь между эффективностью фотосистемы II и квантовым выходом ассимиляции CO 2 не влияет содержание азота в листьях яблони». Journal of Experimental Botany, 52 (362) :1865-1872 гг.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: ab82c3dc4a5cbd89a55827033034ead1__1713208380
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/ab/d1/ab82c3dc4a5cbd89a55827033034ead1.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Plant stress measurement - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)