Ранное выявление риска снижения урожайности сои: технология SIF поддерживает стабильное управление урожайностью

В предыдущей статье мы описали основные принципы флуоресценции хлорофилла (SIF), вызванной солнечным светом, и его широкое применение в экосистемах, таких как леса и водно - болотные угодья.

В этом выпуске мы сосредоточимся на соевых бобах, важных культурах, и рассмотрим, как технология SIF может предупреждать об окончательном риске сокращения производства посредством раннего мониторинга экологического принуждения (например, высокой температуры, засухи и т. Д.) и стать ключевым инструментом для обеспечения устойчивого управления производством.

В предыдущих статьях мы представили основные принципы солнечной индуцированной хлорофилловой флуоресценции (SIF) и ее широкое применение в таких экосистемах, как леса и водно-болотные угодья.

В этом вопросе основное внимание уделяется важному урожаю сои, изучая, как технология SIF может служить ключевым инструментом для обеспечения стабильного управления урожайностью посредством раннего мониторинга экологических стрессов (например, высокой температуры, засухи) для предупреждения о потенциальных потерях урожайности.

Связь между SIF и соевым фотосинтезом / Relationship Between SIF and Soybean Photosynthesis

SIF - это небольшая часть световой энергии, повторно излучаемой молекулами хлорофилла после того, как растения поглощают солнечный свет. Он тесно связан с первичной производительностью фотосинтеза (GPP) и считается эффективным альтернативным показателем для оценки GPP.

Сигнал SIF генерируется фотохимической реакцией системы фотосинтеза II (PSII), интенсивность которой динамически регулируется интенсивностью света, содержанием хлорофилла и путями распределения световой энергии. Исследования показывают, что существует значительная линейная или нелинейная связь между SIF и GPP, что делает SIF важным средством мониторинга фотосинтеза растительности.

Поскольку SIF напрямую связан с процессами фотосинтеза, механизм фотосинтеза сои может быть затронут, когда соя подвергается экологическому давлению, что приводит к изменениям сигнала SIF, что обеспечивает теоретическую основу для использования SIF для мониторинга экологического давления сои.

SIF представляет собой небольшую часть световой энергии, повторно излучаемую молекулами хлорофилла после того, как растения поглощают солнечный свет. Он тесно связан с валовым первичным производством (ВПП) и считается эффективным показателем для оценки ВПП.

Создание сигналов SIF происходит от фотохимических реакций Фотосистемы II (PSII). Их интенсивность динамически регулируется интенсивностью света, содержанием хлорофилла и путями распределения световой энергии (фотохимия, нефотохимическое гашение и флуоресценция). Исследования показывают значительные линейные или нелинейные связи между SIF и GPP, что делает SIF важным средством для мониторинга фотосинтеза растительности.

Поскольку СИФ напрямую связан с процессом фотосинтеза, когда соевые бобы сталкиваются с экологическим стрессом, их фотосинтетический аппарат затрагивается, что приводит к изменениям сигналов СИФ. Это дает теоретическую основу для использования SIF для мониторинга экологического стресса в соевых бобах.

Рисунок: Система мониторинга флуоресценции хлорофилла, индуцированная солнечным светом, с помощью беспилотного летательного аппарата Aibo Energy, ABN-SIF-UAV。 Благодаря обнаружению флуоресценции хлорофилла, вызванной солнечным светом (SIF), эта система обеспечивает неразрушающий мониторинг обширных сельскохозяйственных угодий, точную оценку роста сельскохозяйственных культур и предоставляет ключевые данные для раннего предупреждения о вредителях и вредителях и давлении водных удобрений.

Система мониторинга флуоресценции хлорофилла, индуцированной солнцем на беспилотном летательном аппарате ABN-SIF-UAV от компании Exponentsci. Эта система обнаруживает индуцированную солнцем хлорофилловую флуоресценцию (SIF), позволяющую неразрушительный мониторинг крупномасштабных сельскохозяйственных угодий, точную оценку состояния роста культур и предоставление критически важных данных для раннего предупреждения о вредителях, заболеваниях и стрессе воды / удобрений.

Приложение SIF для обнаружения воздействия на окружающую среду соевых бобов / Application of SIF in Detecting Environmental Stress in Soybeans

Высокотемпературное принуждение:Высокие температуры и связанные с ними перепады давления водяного пара обычно влияют на растения, но не вызывают заметных изменений в структуре коронарного слоя или спектральных характеристиках. Благодаря своей связи с фотосинтезом SIF лучше обнаруживает это принуждение. Например, некоторые исследования использовали SIF для количественной оценки воздействия высоких температур на фотосинтез коронарного слоя сои с помощью экспериментов по усилению контроля температуры свободного воздуха (T - FACE). Соевые бобы в условиях высокой температуры влияют на удельный вес листьев, плотность пористости, фотосинтез и параметры флуоресценции хлорофилла.

Высокотемпературное напряжение:Высокая температура и сопровождающий ее дефицит высокого давления пара часто влияют на растения, не вызывая очевидных изменений в структуре навеса или спектральных характеристиках. Благодаря своей связи с фотосинтезом SIF может лучше обнаруживать такой стресс. Например, в одном исследовании использовался эксперимент с контролируемым повышением температуры свободного воздуха (T-FACE) для количественного измерения воздействия высокой температуры на фотосинтез соевого балоха с использованием SIF. В условиях высокой температуры соя испытывает изменения в специфическом весе листья, плотности стоматала, фотосинтезе и хлорофилловых флуоресцентных параметрах.

Флуоресценция хлорофилла (SIF), индуцированная солнечным светом, выход SIF, абсорбционное фотосинтетическое эффективное излучение (APAR), полное поглощение APAR в коронарном слое (fAPAR) и коэффициент корреляции (r) между фотосинтетическим эффективным излучением (PAR) и температурой коронарного слоя.

Коэффициенты корреляции (r) между солнечной индуцированной хлорофилловой флуоресценцией (SIF), урожайностью SIF, поглощенным фотосинтетически активным излучением (APAR), частью всего балкона APAR (fAPAR) и PAR по отношению к температуре балкона.

Озоновое принуждение:Высокая концентрация озона приводит к значительному снижению SIF760 в коронарном слое сои, особенно на более позднем этапе роста (36%), что указывает на то, что SIF может эффективно улавливать влияние озона на структуру коронарного слоя сои и ускорение старения. Озоновое давление также оказывает синергическое воздействие на снижение радиации, влияя на флуоресцентные свойства хлорофилла и урожайность соевых бобов.

Стресс озона:Высокие концентрации озона вызывают значительное снижение соевого покрова SIF760, особенно на более поздних стадиях роста (до 36% снижения). Это свидетельствует о том, что SIF может эффективно улавливать воздействие озона на структуру крыша и ускоренное старение соевых бобов. Озоновый стресс также взаимодействует со снижением радиации, влияя на флуоресцентные характеристики и урожайность хлорофилла сои.

Измерения SIF760 (A) в верхней части коронарного слоя, PAR (B), FPARgreen (C), FPARgreen (C) и OPEF (D), наблюдаемые в течение всего сезона роста сои, соответствуют соевым бобам, выращенным в условиях концентрации озона в окружающей среде (белая полоска) и повышенной концентрации озона (серая полоска). * Разница в представленности существенна (p < 0.05).

Измеренный урожай SIF760 (A), PAR (B), FPARgreen (C) и видимый урожай SIF (D) на протяжении всего сезона выращивания сои, выращиваемой в условиях окружающей среды O ₃ (белые полосы) и повышенное О ₃ (серые полоски). * указывает на значительные различия между методами лечения на каждую дату измерения (P < 0,05).

Другие виды принуждения / Other Stresses:

Дефицит воды заставляет воздушные отверстия закрываться, тем самым подавляя фотосинтез и транспирацию. Этот процесс вызывает нефотохимические вспышки и изменения в передаче фотосинтетических электронов, и сигналы SIF очень чувствительны к этим незначительным изменениям.

Бисфенол А (BPA), как экологический эндокринный интерферон, оказывает значительное влияние на рост саженцев сои, фотосинтез и флуоресцентные параметры хлорофилла (такие как начальная флуоресценция, максимальная светохимическая эффективность, эффективная квантовая производительность PSII и скорость передачи фотосинтетических электронов), и технология SIF может обнаружить эти изменения.

Дефицит воды: нехватка воды заставляет стоматальное закрытие, тем самым ингибируя фотосинтез и транспирацию. Этот процесс вызывает изменения в нефотохимическом гашении и фотосинтетическом транспорте электронов, к которым сигналы SIF очень чувствительны.

Бисфенол А (БПА): как эндокринный нарушитель окружающей среды, БПА значительно влияет на параметры роста, фотосинтеза и флуоресценции хлорофилла (такие как первоначальная флуоресценция, максимальная фотохимическая эффективность, эффективная квантовая урожайность ПСII и скорость транспорта фотосинтетических электронов) саженцев сои. Технология SIF может обнаружить эти изменения.

Технология флуоресценции хлорофилла (SIF), индуцированная солнечным светом, обеспечивает прямой неинвазивный метод мониторинга воздействия соевых бобов на окружающую среду путем захвата световых сигналов, непосредственно связанных с механизмом фотосинтеза. Используя эту технологию, мы можем получить более своевременное представление о состоянии здоровья сельскохозяйственных культур и обеспечить важную техническую поддержку для точного управления сельским хозяйством и обеспечения стабильного урожая сельскохозяйственных культур.

Технология солнечного хлорофиллового флуоресцента (SIF) обеспечивает прямой, неинвазивный метод мониторинга экологического стресса в соевых бобах путем захвата световых сигналов, непосредственно связанных с механизмом фотосинтеза. Использование этой технологии позволяет более своевременно оценивать здоровье культур, предоставляя важную техническую поддержку для точного управления сельским хозяйством и обеспечения стабильных урожаев.

Источник / источники:

1. ККоличественное измерение высокотемпературного напряжения на фотосинтез соевого балохина: уникальная роль солнечной индуцированной хлорофилловой флуоресценции. (2021)

2. Количественное измерение высокотемпературного стресса на фотосинтез балхата в эксперименте контролируемого повышения температуры свободного воздуха (T-FACE): уникальная роль флуоресценции хлорофилла, индуцированной солнцем, в захвате физиологического стресса растений. (2020)

3. Солнечно-индуцированная хлорофилловая флуоресценция отражает воздействие повышенного уровня озона на структуру крыша и ускорение старения сои. (2023)

4. Воздействие бисфенола А на рост, фотосинтез и флуоресценцию хлорофилла в поверхностных органах саженцев сои. (2013)