Способ определения содержания хлорофилла в листьях озимой пшеницы

содержания хлорофилла в листьях озимой пшеницы

Усвоение растениями углекислого газа из атмосферы и образование из него воды и органического вещества под действием солнечной энергии — фотосинтез-является одной из важнейших функций листа. Органом, в котором происходит фотосинтез, является хлоропласт [1]. Изучение хлоропластов, их состава и функций, стало возможным в 20-х годах ХХ века, когда была разработана методика их выделения. Исследованиями установлено, что состав хлоропластов зависит от физиологического состояния растений, их возраста, условий питания, освещения и других факторов [2].

От интенсивности фотосинтеза зависит накопления органической массы растений и их урожай. Следовательно, все элементы технологии возделывания сельскохозяйственных культур (подбор высокопроизводительных, адаптированных сортов, соблюдение оптимальных сроков сева, густоты стояния растений, защита от болезней и вредителей) так или иначе направлены на создание оптимальных условий для протекания фотосинтетических процессов [3].

Известно, что функциональное состояние растений тесно связан с интенсивностью цвета их листовых пластинок. Опытный специалист по цветовым характеристикам достаточно точно оценивает физиологическое состояние растения. Современные информационные технологии способны описать цветовые характеристики каких — либо изображений на количественном уровне.

Целью нашего исследования было изучение возможности применения современного программного и технического обеспечения компьютерного парка для оценки цветного изображения листовой пластинки.

Стандартное цветное изображение состоит из отдельных точек (пикселей). Каждая точка характеризуется тремя показателями — интенсив-ностями трех цветов — красного, зеленого и синего. Интенсивность каждого показателя изменяется от 0 до 255 единиц. Таким образом, за общие показатели цветности можно взять средние значения цветов, их функции распределения, и такие характеристики, как дисперсия, асимметрия и другие.

Наиболее информативным показателем изображения является его гистограммы, т.е. функции распределения пикселей изображения по интенсивности цветовых составляющих. Гистограммы цифровых изображений имеют несколько характерных особенностей в сравнении с обычными гистограммами, используемых в стандартном статистическом анализе.

Предварительный анализ изображений гистограмм образцов листовых пластинок пшеницы показал, что для отделения изображения листа растения от фона наиболее подходящей является гистограмма для синей компоненты цвета общего изображения, а за метод сегментации следует выбрать методы модифицированного дисперсионного анализа, в частности метод N. Otsu [4].

Изучение зависимости содержания хлорофилла от количественных параметров цветных характеристик листьев указывает на существенную нелинейность такой связи (рис 1).

Рис. 1 — Зависимость общего содержания хлорофилла от интенсивности зеленого цвета (среднее за 2007-2009 гг)

Использование методов нелинейного регрессионного анализа позволило выявить, что для описания такой зависимости наиболее подходящими являются экспоненциально и степенные уравнения.

Благодаря анализу результатов этих исследований в 2007-2009 гг лабораторией селекции и физиологии озимой пшеницы Института растениеводства им. В. Я. Юрьева НААН совместно с кафедрой экономической кибернетики Национального аграрного университета им. В. В. Докучаева разработана и запатентованная полезная модель «Способ определения содержания хлорофилла в листьях озимой пшеницы» [5].

В основу полезной модели поставлена ??задача обеспечения селекционного процесса, диагностики состояния растений, физиологических исследований объективными данными по содержанию фотосинтетических пигментов — хлорофиллов-в листьях путем сканирования исследуемого объекта (листа) на планшетном сканере. При этом повышается достоверность оценок, их доступность для широкого круга специалистов и снижается стоимость исследований.

Принцип действия предложенной полезной модели осуществляется с помощью специально созданного программного обеспечения.

В таблице 1 приведены содержание фотосинтетически активных пигментов в флагового листа пшеницы озимой сорта Василиса в фазу формирования зерновки. Интервал в сроках сева составлял 10 дней, до наступления фазы колошения разница в вариантах первого и второго сроков знивелювалась и составляла 2 дня с наступлением этой фазы на участках третьего и четвертого сроков. Однако, насыщенность листьев фотосинтетически активными пигментами большей степени связана со сроками сева, чем со временем колошения растений. По сева 20 сентября содержание хлорофилла в листьях был больше на 50,9% по сравнению с растениями на варианте посева 10 сентября, а на варианте 10 октября — на 95,8%. Таким образом, у растений поздних сроков сева в период формирования зерновки флажки листья содержат больше фотосинтетически активных пигментов, а следовательно более продуктивно синтезируют органические вещества. Очевидно, благодаря этому урожайность зерна по сева в допустимо поздние сроки, хотя и уменьшается по сравнению с оптимальными (3,14 т / га против 3,49 т / га), однако в какой-то мере компенсируется длительным периодом функционирования листьев.

Таблица 1

Содержание фотосинтетически активных пигментов в листьях озимой пшеницы в зависимости от срока сева, 2010 г.

Исследование содержания фотосинтетически активных пигментов в листьях озимой пшеницы при отрастания в монолитах свидетельствует об их зависимости от жизнеспособности растений (табл.2). Растения из вариантов, в которых высочайший процент живых побегов (92-95), содержат больше хлорофилла в листьях, отросшие (в пределах 0,138 — 0,165 мг / см2). Соответственно в листьях растений с наименьшим выживанием (45%) уровень пигментов низкий (0,079 мг / см2). Корреляционный анализ этих данных свидетельствует о достаточно тесной связи — коэффициент корреляции составляет 0,77. Несколько слабее, но также положительная корреляция наблюдается и между интенсивностью отрастания новых листьев и содержанием в них хлорофилла, коэффициент корреляции здесь составляет 0,64.

Таблица 2

Общее содержание хлорофилла в листьях озимой пшеницы в зависимости от состояния растений при отрастания в монолитах, 2011 г.

Выводы. Разработана методика определения содержания хлорофилла в листьях озимой пшеницы с использованием компьютерного оборудования, защищена патентом Украины, позволяет получать достаточно точные спектральные характеристики листьев, поэтому может использоваться в селекции для достоверного отбора растений с высоким уровнем фотосинтетически активных пигментов, в растениеводстве для диагностики состояния растений, поскольку установлена ??достаточно тесная положительная корреляция между жизнеспособностью растений и содержанием фотосинтетически активных пигментов в листьях.

Преимуществом данной методики является возможность создания картотеки изображений, с проведением их анализа в любое удобное время.

Предложена методика для своей реализации требует лишь наличия стандартного компьютерного оборудования, что позволяет ее использование с высокой экономической эффективностью в научно-исследовательских, учебных и производственных учреждениях