«В частности, дистанционный мониторинг способствует раннему выявлению поражения растений стрессорами и локализации зоны такого поражения, что позволяет применять защитные меры только к пострадавшим растениям и делать это своевременно. Наиболее перспективным для анализа состояния растений является измерение отраженного света в видимом диапазоне, так как отражательная способность растений тесно связана с их физиологическими и биохимическими процессами, а само измерение отраженного света — является относительно простым с технической точки зрения методом, — констатирует заведующий лабораторией электрофизиологии растений Института биологии и биомедицины ННГУ Владимир Сухов.
Следует отметить, что анализ спектров отражения является довольно сложной задачей, для оптимизации которой используют анализ спектральных индексов отражения. В свою очередь, индексы отражения часто представляют собой отношение разности отражения на двух длинах волн (узких полос) к их сумме.
Одним из таких индексов является фотохимический индекс отражения (photochemical reflectance index, PRI), который рассчитывается на основе отражения света растением на длинах волн 531 и 570 нм. В основе применения такого индекса лежит относительно быстрое снижение отражения на длине волны 531 нм при действии на растения неблагоприятных факторов; это означает, что PRI должен снижаться при действии стрессоров и это может быть использовано в рамках дистанционного мониторинга. В то же время, механизмы изменений PRI в первые минуты освещения остаются недостаточно исследованными, а их выявление может иметь существенное фундаментальное и прикладное значение, так как полевые измерения фотохимического индекса происходят в условиях нестабильного солнечного освещения.
Целью работы аспиранта кафедры биофизики Института биологии и биомедицины ННГУ им. Н.И. Лобачевского Екатерины Суховой с соавторами, выполненной при поддержке Российского научного фонда и опубликованной в журнале Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology, стал экспериментальный анализ механизмов, лежащих в основе снижения PRI после начала освещения. В частности, авторы анализировали связь изменений фотохимического индекса отражения и закисления люмена хлоропластов на свету.
«Такое закисление является ключевым шагом в протекании фотосинтеза и, тем самым, в продукционном процессе растений. Для оценки закисления люмена авторы использовали изменения светопропускания листа на длине волны 535 нм в минутном диапазоне, так как эти изменения являются показателем изменений рН в люмене хлоропластов», — подчеркивает Екатерина Сухова.
Фотохимический индекс отражения измеряли с использованием спектрометра. Для исследования были выбраны проростки гороха и взрослые растения герани, которые являются удобным объектом для анализа закисления люмена и изменений фотохимического индекса отражения.
Исследование показало, что включение света индуцировало одновременное закисление люмена хлоропластов и снижение PRI у листьев гороха и герани. Оба процесса развивались синхронно в течение первых 2 минут освещения, что подтверждалось высоким коэффициентом корреляции между обоими исследованными показателями.
Обратный процесс — возрастание рН люмена и увеличение фотохимического индекса отражения происходил при выключении света; коэффициент корреляции между исследованными величинами оставался высоким.
При использовании более длительных интервалов времени (до 10 минут) связь между изменениями фотохимического индекса отражения и светопропускания на длине волны 535 нм становилась слабой; т.е. именно связанные с рН изменения светопропускания были ответственны за изменения PRI.
«В целом, полученные результаты показывают, что именно быстрое закисление люмена хлоропластов при включении света участвует в развитии снижения фотохимического индекса тушения в минутном диапазоне. Такой результат имеет фундаментальное значение, уточняя механизмы развития изменений PRI в условиях нестабильного освещения. В частности, он показывает, что снижение фотохимического индекса отражения обусловлено не только развивающимися при действии стрессоров биохимическими изменениями фотосинтетических пигментов (такие изменения требуют от нескольких минут — до нескольких десятков минут), но и с более быстрыми процессами в фотосинтетическом аппарате; возможно, со сжатием хлоропластов, вызванным закислением люмена», — комментирует результаты исследования Владимир Сухов.
С прикладной точки зрения, полученный результат позволяет уточнить условия применения фотохимического индекса отражения для мониторинга состояния растений в нестабильных условиях естественного освещения или при заданных изменениях интенсивности освещения в условиях выращивания растений в защищенном грунте. В дальнейшем, он может быть использован для усовершенствования методик дистанционного мониторинга состояния сельскохозяйственных растений в полевых условиях и в условиях теплицы, а также для раннего диагностирования действия на них стрессоров.
