CC BY
40
Литература.
1. Шевелуха, B.C. Сельскохозяйственная биотехнология: Учебник / В С. Шевелуха, Е.А.Калашникова, С.В. Дегтярев и др.: Под ред. B.C. Шевелухи. - М.: Высш. шк., 1998. - 416 с.
2. Головин, С.Е. Основы обеспечения фитосанитарного качества сертифицированного посадочного материала / С.Е. Головин // Промышленное производство оздоровленного посадочного материала плодовых, ягодных и цветочно-декоративных культур: Материалы между -нар. науч.-практ. конф,- М.: ВСТИСП, 2001. — С. 52-53.
J. Куликов, И.М. Биотехнологические приемы в садоводстве: экономические аспекты/ И.М. Куликов, В.А. Высоцкий, А.А. Шипунова// Садоводство и виноградарство. - 2005. - № 5. - С. 24-27.
PROPAGATION OF APPLE AND PEAR IN VITRO O.V. Matushkina, I.N. Pronina, I.V. Michurin
Summary. Peculiarities of clonal micropropagation of promising clonal rootstocks, apple and pear cultivars have been presented, Main factors effecting morphogenesis in isolated tissue culture are under consideration.
Keywords: biotechnology, in vitro, regeneration, clonal rootstocks, apple, pear.
УДК 631521.54: 615.849.15
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ ДИАГНОСТИКИ РАСТЕНИЙ ПО АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫМ ПАРАМЕТРАМ СВЕТОРАССЕЯНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
О.Н. БУДАГОВСКАЯ, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ВНИИ С им. И. В. Мичурина E-mail: [email protected]
Резюме. Показаны потенциальные возможности лазерной диагностики функционального состояния растений при дефиците минерального питания, вирусном поражении и хлорозе. Измерение амплитуднофазовых параметров рассеянного растительной тканью лазерного излучения носит неспецифический характер, что позволяет проводить комплексную сравнительную оценку устойчивости сортов и сорто-подвойных комбинаций плодово-ягодных культур к различным неблагоприятным факторам среды. Ключевые слова: лазер, CCD-камера, когерентность, светорассеяние, растительная ткань.
Лазерный луч благодаря высокой спектральной яркости, направленности, монохроматичности, поляризации, пространственной и временной когерентности, — чрезвычайно удобный инструмент для создания разнообразных многофункциональных измерительных приборов [1, 2]. Это подтверждается стремительным развитием рынка лазерной диагностической и исследовательской аппаратуры. За последнее десятилетие объем продаж такого рода приборов в мире вырос в сотни раз [3]. Несмотря на широкие возможности неразрушающих лазерно-оптических методов, их применение в растениеводстве ограничивается традиционной фотометрией (измерение коэффициентов отражения, пропускания и поглощения) [4].
В результате взаимодействия с растением лазерное когерентное зондирующее излучение ис-
пытывает амплитудно-фазовые модуляции, сопряженные с оптическими свойствами объекта, которые, в свою очередь, определяются соотношением биохимических и структурных компонентов его клеток и тканей. Это легло в основу разработки новых неразрушающих методов диагностики функциональной активности растений при дефиците минерального питания, вирусном заражении и хлорозе.
Условия, материалы и методы. В опытах с минеральным питанием мы использовали листья восьмилетних растений яблони сорта Golden Delicious на подвое М9, выращенные при достаточном минеральном питании (5 мМ КН2Р04), и при его дефиците (0,05 мМ КН2Р04). Листья отбирали отдельно с коротких и длинных побегов на растениях с плодами и без.
Влияние вирусной инфекции на параметры светорассеяния исследовали на 4-7-летних деревьях яблони сортов Вишневое и Синап Орловский на клоновых подвоях П22 и 62-396, латентно пораженных вирусами хлоротической пятнистости листьев яблони (ACLSV), борозчатости (ASGV) и ямчатости древесины яблони (ASPV). Для анализа использовали морфологически идентичные листья без внешних признаков болезни.
Диагностику хлороза отрабатывали на листьях шестилетних растений черной смородины (сорт Зеленая Дымка).
Лазерную диагностику осуществляли на специально разработанном для этих целей компьютеризированном оптическом оборудовании [5]. Регистрировали когерентность G, интенсивность / и приведенную когерентность G/I прошедшего сквозь лист высококогерентного монохроматического излучения (длина волны 632,8 или 650 нм).
Измерения проводили в 4...6 точках каждого образца равноудаленных от края листа и лежащих между крупными жилками.
Фотосинтетическую активность определяли по флуоресценции хлорофилла на портативном флу-ориметре РАМ-2000 (Германия) по соотношению Fv/Fm —(Рт-1го)/Рт, где Го и /тп — минимальный и максимальный уровни флуоресценции, соответствующие ненасыщенному (окисленному) и насыщенному состоянию реакционных центров фотосистемы 2 [6]. Спектрофотометрическую оценку коэффициента поглощения листьев проводили с помощью спектрофотометра СФ-26 (ЛОМО).
В основу прибора для регистрации амплитудно-фазовых характеристик светорассеяния растительной ткани положена виброустойчивая оптическая схема светосильного интерферометра сдвига. Он формирует стационарную интерференционную картину (ИК), контраст которой (V) при соблюдении условия равенства интенсивностей интерферирующих лучей равен модулю корреляционной функции светорассеяния С(з) [71:
+ 1„,п) = \0'(!)\ =
где I и / —соответственно максимальное и
тих тт
минимальное значения интенсивностей И К, И(х) и И — функция распределения и средний размер фазовых неоднородностей; Я — длина волны зондирующего потока; $ — разность хода интерферирующих лучей.
При взаимодействии с растительной тканью в результате рассеяния на фазовых оптических неоднородностях (клеточные стенки, воздушные межклеточные промежутки, зерна крахмала) лазерный луч теряет фазовую упорядоченность. Это проявляется снижением контраста И К тем в большей степени, чем сильнее нарушается структура растительной ткани в результате функциональных или механических повреждений.
Результаты и обсуждение. При фосфорном голодании яблони в разной степени снижается как удельная фотосинте-тической активность, так
и приведенная когерентность светорассеяния листьев (табл. 1). Наибольшее изменение фотосин-тетической активности зарегистрировано у листьев с коротких побегов растений без плодов, где оно составило 22 %. Различия по приведенной когерентности в этом же варианте были выражены значительно сильнее и достигали 70 %. У листьев длинных побегов растений с плодами величина параметра Сг/7 в отсутствии фосфорного питания снизилась в 2 раза, тогда как соотношение /т/Утя уменьшилось только в 1,12 раза.
Полевая оценка влияния параметров светорассеяния листьев растений яблони, зараженных такими распространенными и вредоносными вирусами, как ямчатость древесины (А8РУ), хлороти-ческая пятнистость листьев (АСЬ5У), борозда-тость деревьев (А8СУ) и их комплексов, позволила выявить устойчивое снижение когерентности и приведенной когерентности прошедшего сквозь листовую пластинку лазерного луча (табл.2). Выраженность различий зависит от возраста (фазы развития) листьев, типа вируса, климатических условий. По мере старения листьев происходит изменение параметров светорассеяния, причем его характер и темп определяется как генотипом «хозяина», так и видом вируса. В ранней фазе развития листа, когда гетеротрофный тип питания преобладает над аутотрофным, разницы между средними значениями амплитуднофазовых характеристик светорассеяния контрольных и опытных образцов практически нет.
Присутствие инфекции проявляется на этом этапе только в существенном увеличении дисперсии и коэффициента вариации когерентности (в 1,4-2,5 раза выше, чем в контроле). Наиболее выраженные изменения параметров светорассеяния (в 1,3-1,8 раза) наблюдаются в середине периода вегетации. В большинстве случаев уровень значимости нулевой гипотезы относительно контроля а< 0,01. В конце вегетации различия по вариантам сглаживаются в связи с развитием дег-радационных процессов старения листьев.
Таблица 2. Влияние вирусной инфекции и фазы развития на когерентность све^ торассеяния листьев яблони
Сорт Тип вирусной инфекции Когерентность рассеянного излучения в, %
май июнь июль август
Вишнёвое контроль 37,4±0,5 11,8±0,8 10,1±0,6 7,5±0,4
АО-ЭУ 31,5±1,1 8,2±0,7 6,7±0,6 5,4±0,4
АБРУ 32,7*1,1 9,8±0,5 5,6±0,4 4,5±0,4
АЗРУ+АЭЗУ 35,1 ±1,1 6,5±0,8 6,9±0,7 5,3±0,5
Синап контроль 33,5±1,1 8,0±1,1 7,2±0,6 7,5±0,6
Орловский АБРУ 33,5±1,3 4,9±0,5 4,2±0,8 4,7±0,7
АС1.8У+ АЭРУ 34,6±1,2 7,7±0,9 5,0±0,7 5,3±0,5
АС1_8У+А5СУ 34,5±0,9 5,1 ±0,5 5,7±0,9 8,0±0,9
Таблица 1. Влияние фосфорного питания на оптические параметры листьев яблони
Тип побега 5мМКН2Р04 0,05 мМ КН2РО4
Гч/Рт в/1 МРт ел
Короткий без плодов Короткий с плодами Длинный без плодов Длинные с плодами 0,801±0,012 0,797±0,020 0,782+0,012 0,766±0,023 17,5+0,61 15,5±0,64 16,7+0,61 22,9±0,1 0,624+0,026 0,659±0,062 0,676+0,034 0,687+0,030 10,7±0,42 9,4±0,51 11,1+0,38 11,1+0,37
Хлороз (обесцвечивание) листьев — универсальный показатель ослабления функционального состояния растений, возникающий в результате самых разнообразных причин (недостаток азотного питания и железа, болезни, старение, избыточное освещение). У растений черной смородины сорта Зеленая Дымка, хлоротичные листья отличались от здоровых светло-зеленой окраской и существенно более высоким коэффициентом пропускания в красной области спектра (7,5 и 4,2 % соответственно).
Кроме того, у хлорозных листьев степень пространственной когерентности G на 120 секунде засветки была в 2 раза ниже, а прирост когерентности в 6 раз слабее, чем у здоровых (см. рисунок).
Предложенный метод оказался также эффективным при оценке скороспелости растений фейхоа [7]; определении потребности растений в мик-роэлементном питании [8]; диагностике товарного качества плодов [9], действия высоких и низких температур и других неблагоприятных факторов среды [10].
Выводы. Таким образом, амплитудно-фазовые характеристики светорассеяния когерентного лазерного излучения — универсальный (неспецифический) маркер структурно-функционального статуса растительной ткани.
Установлено, что большей функциональной активности и потенциальной жизнеспособности растительного организма соответствуют более высокие уровни когерентности и приведенной когерентности. Действие неблагоприятных факторов, не-
Литература.
1. Рузин М.В. Измерительные комплексы на потоке // Лазер-Информ. — 2007. — № 4. — С. 1-4.
2. Рогатки» Д. А. Неинвазивные оптические диагностические технологии для медицины // Лазер-Информ. — 2003. — №23. — С. 1-8.
3. Стил Р.В. Мировой лазерный рынок: состояние и тенденции //Лазер-Информ. — 2008. — №4. — С. 1-8.
4. Лискер И. С. Лазернооптические технологии определения состояния растений // Агрофизика от А. И.Иоффе до наших дней/под ред.-И.Б.Ускова. — Санкт-Петербург, 2002. — С. 300-319.
5. Будаговская О.Н., Будаговский А.В., Будаговский И.А. Автоматизированная система контроля структурных перестроек растительных тканей//Приборы и техника эксперимента. — 2007. — № 1. — С. 161-162.
6. Krause G.H., Weis Е. Chlorophyllfluorescence and photosynthesis: the basics //Annual review ofplant physiology and plant molecular biology. — 1991. - Vol. 42 - P. 313-349.
7. Способ оценки скороспелости растений фейхоа: Патент РФ 2222177МПК7A01G1/00, А01Н1/04. / О.Н. Будаговская, А.В. Будаговский, Н.Г. Огиенко//Заявка М2001129543 от 01.11.2001. Зарег. в Госреестре изобретений РФ 27.01.2004.
8. Способ диагностики потребности растений в микроэлементном питании: Патент РФ 2225691 МПК7A01G 7/00/ О.Н. Будаговская, А. В. Будаговский, З.В. Притула, 0.1. Белоус, Ю.С. Абгыьфазова//Заявка №2002108804 от 05.04.2002. Зарег. в Госреестре изобретений РФ 20.03.2004.
9. Способ определения качества плодов и устройство для его осуществления: Патент РФ 2016671МКИ3 В07С 5/342/ О.Н. Будаговская, А.В. Будаговский //Заявка №490704313 от 31.01.1991. — Зарег. в Госреестре изобретений РФ 30.07.1994.
10. Budagovsky A., Budagovskaya О., Lenz F., Keutgen A., Alkayed К. Analysis of functional state of cultivated plants by means of interference of scattered light and chlorophyll,fluorescence //Journal of Applied Botany. — 2002, К 76. — P. 115-120.
METHOD AND DEVICES OF OPTIC AND ELECTRONIC PLANT DIAGNOSTICS BASED ON AMPLITUDE AND PHASE PARAMETERS OA LIGHT SCATTERING LASER IRRADIATION О. N. Budagovskay
Summary. Potential of laser diagnostics of plant functional state in apple and black current has been shown under the exposure to deficiency of mineral nutrition, virus diseases and chlorosis. Change of amplitude and phase parameters of laser irradiation scattered by plant tissue is of non-specific character. Complex comparable estimation of resistance of different varieties and rootstock-scion combinations of top and soft fruit to various adverse factors of environment can be made.
Kew words: laser, CCD-camera, coherence, scattered light, plant tissue.
Время, с
Рисунок. Динамика изменения степени когерентности светорассеяния листьев здоровых и хлоротичных листьев черной смородины: —о— — вздор; -л- -- Сгхлор.
зависимо от их природы, проявляется в снижении величин этих показателей.
Учитывая неповреждающий и практически мгновенный характер измерений (доли секунды), впервые представляется возможным детально изучить скорость и направленность структурно-функциональной реакции растений на разнообразные факторы среды (как отдельные, так и в комплексе) и использовать этот метод при оптимизации аг-ротехнологических приемов, оценке степени вредоносности грибной и вирусной инфекции, экологическом мониторинге, хозяйственно-биологи-ческой оценке селекционного материала и решении других задач практического растениеводства.
