Изучено влияние данных показателей на эффективность использования фотохимического индекса отражения

leaf 1498985 960 720

В настоящее время успешное ведение сельского хозяйства требует больших затрат на обеспечение полива, внесение удобрений, на борьбу с вредителями и т.д. Тем не менее эти затраты не всегда оправданы, поскольку растения, растущие в различных участках поля могут существенно различаться по уровню обеспеченности водой и удобрениями, по интенсивности действия абиотических стрессовых факторов, по степени поражения болезнями и вредителями и т.д.

Активно развивающаяся в настоящее время практика «точного земледелия» позволяет учёным Университета Лобачевского направить на разработку и внедрение методы пространственно-неоднородной обработки растений, которые минимизируют затраты и повышают экологическое качество урожая, вследствие менее интенсивного использования химических соединений.
Необходимым этапом растениеводства в рамках точного земледелия является быстрый и дистанционный анализ состояния растений в полях, позволяющий также выявить пространственные неоднородности в таком состоянии. Для этой цели ученые используют оптические методы, базирующиеся на регистрации отраженного растениями света, так как такие методы являются относительно дешевыми и, потенциально, обладают высокой информативностью.
Однако использование самих спектров малоэффективно, поэтому ученые чаще анализируют индексы, рассчитанные на основе интенсивности отражения света на двух или более длинах волн. Эти индексы отражают изменения разнообразных физиологических показателей растений, включая объем зеленой биомассы, содержание фотосинтетических пигментов, водный статус растения и другое.
Важное место среди таких индексов занимает фотохимический индекс отражения (photochemical reflectance index, PRI), который связан с изменениями активности окислительно-восстановительных процессов в ксантофилловом цикле. В свою очередь, ксантофилловый цикл играет ключевую роль в защите фотосинтетической цепи растений от повреждения при действии широкого спектра стрессоров (избыточное освещение, повышенная температура, засуха и многие другие).

«Исследования показывают, что изменения фотохимического индекса отражения должны быть перспективным показателем фотосинтетического стресса у растений. Таким образом, задача выявления условий, при которых измерение PRI окажется максимально эффективным для оценки фотосинтетических процессов растения, имеет значительную фундаментальную и прикладную актуальность», – констатирует заведующий лабораторией электрофизиологии растений Института биологии и биомедицины ННГУ Владимир Сухов.

Работа магистранта кафедры биофизики ННГУ им. Н.И. Лобачевского Екатерины Суховой, выполненная под руководством Владимира Сухова при поддержке Российского научного фонда и опубликованная в одном из ведущих научных журналов в области дистанционного мониторинга – Remote Sensing, посвящена поискам решения этой задачи.
Для этого учеными был использован метод мета-анализа литературных данных, который представляет собой исследование количественными методами большого массива результатов, полученных другими авторами и опубликованных в статьях.
Такой метод показывает значительную эффективность в выявлении общих закономерностей исследуемого эффекта, так как позволяет абстрагироваться от различных условий проведения экспериментов и выявить наиболее общие черты эффекта.
В ходе мета-анализа Екатериной Суховой были проанализированы литературные данные связи фотохимического индекса отражения с квантовым выходом фотосистемы II (показывающим эффективность работы фотосистемы II), нефотохимическим тушением флуоресценции хлорофилла (показывающим развитие стресса в фотосинтетической цепи растений) и эффективностью использования световой энергии в процессе фотосинтетической ассимиляции углекислого газа.
Примененный в исследовании мета-анализ показал, что эффективность использования фотохимического индекса отражения для оценки квантового выхода фотосистемы II и нефотохимического тушения значительно зависит от распределения этих показателей в исследуемой группе.
В частности, эффективность такого использования повышалась при наличии в группе растений с низким уровнем фотосинтетического стресса и при значительной вариабельности уровня такого стресса среди растений в исследуемой группе.
Исследования показали, что этот эффект исчезал в оптимальных для измерения PRI условиях (исследования поверхности массива растений, исследования в условиях искусственного освещения), так как хорошая корреляция фотохимического индекса отражения с квантовым выходом фотосистемы II и нефотохимическим тушением стабильно наблюдалась в таких условиях.

«С другой стороны, в менее оптимальных для измерения фотохимического индекса отражения условиях (измерение с поверхности листа, исследования в условиях солнечного освещения) значимость распределения фотосинтетических показателей у растений для эффективности использования PRI существенно возрастала», – анализирует Екатерина Сухова.

Исследования подтвердили важный факт, что влияние распределения фотосинтетических показателей среди растений в исследуемой группе никак не повлияло на эффективность использования фотохимического индекса отражения для оценки эффективности использования световой энергии в процессе фотосинтетической ассимиляции углекислого газа; т.е. выявленные закономерности работают не для всех фотосинтетических показателей.

«В целом, полученные научные результаты имеют важное прикладное значение, так как позволяют понять условия, при которых использование измерения фотохимического индекса отражения для мониторинга фотосинтетических показателей у растений (а значит – их продукционного процесса и стрессированности) будет наиболее эффективным», – подводит итог Екатерина Сухова.

Результаты исследований опубликованы в журнале Remote Sensing.