Влияние фотосинтетических показателей растений на эффективность использования PRI
Для успеха в сельском хозяйстве требуются большие затраты на орошение, удобрения, борьбу с вредителями и т.д. Однако эти расходы не всегда оправданы, так как растения в разных частях поля могут значительно различаться по доступности воды и удобрений, интенсивности действия абиотических стрессоров, степени поражения болезнями и вредителями.
В рамках активно развивающейся практики «точного земледелия» исследователи Университета Лобачевского работают над разработкой и внедрением методов пространственно-неоднородной обработки растений, которые минимизируют затраты и улучшают экологическое качество урожая за счёт менее интенсивного использования химических соединений.
Необходимым этапом точного земледелия является быстрый дистанционный анализ состояния растений на полях, позволяющий выявить пространственные неоднородности этого состояния. Для этой цели учёные используют оптические методы, основанные на регистрации света, отражённого растениями, так как такие методы относительно дешёвы и потенциально высокоинформативны.
Однако использование самих спектров неэффективно, поэтому учёные часто анализируют индексы, рассчитанные на основе интенсивности отражения света на двух или более длинах волн. Эти индексы отражают изменения различных физиологических параметров растения, включая объём зелёной биомассы, содержание фотосинтетических пигментов, водный статус растения и т.д.
Одним из важных индексов является индекс фотохимического отражения (PRI), который связан с изменениями активности окислительно-восстановительных процессов в ксантофилловом цикле. В свою очередь, ксантофилловый цикл играет ключевую роль в защите фотосинтетической цепи растения от повреждений, вызванных действием широкого спектра стрессоров (избыточное освещение, повышенная температура, засуха и многие другие).
Метаанализ литературных данных, проведённый аспиранткой Екатериной Суховой под руководством Владимира Сухова, оказался эффективным методом для решения задачи выявления условий, при которых измерение PRI является наиболее эффективным инструментом оценки фотосинтетических процессов у растения. Исследование поддержано Российским научным фондом и опубликовано в ведущем научном журнале в области дистанционного мониторинга Remote Sensing.
В ходе метаанализа были проанализированы литературные данные о взаимосвязи PRI с квантовым выходом фотосистемы II (показывающим её эффективность), нефотохимическим тушением флуоресценции хлорофилла (показывающим развитие стресса в фотосинтетической цепи растений) и эффективностью использования света в процессе фотосинтетической ассимиляции углекислого газа.
Метаанализ показал, что эффективность использования PRI для оценки квантового выхода фотосистемы II и нефотохимического тушения существенно зависит от распределения этих параметров в исследуемой группе.
В частности, эффективность использования метода была выше, когда в группе присутствовали растения с низким уровнем фотосинтетического стресса и когда уровень такого стресса среди растений в исследуемой группе значительно варьировался.
Исследования показали, что этот эффект исчезал в условиях, оптимальных для измерения PRI (изучение поверхности полога, измерения при искусственном освещении), поскольку в таких условиях регулярно наблюдалась хорошая корреляция PRI с квантовым выходом фотосистемы II и нефотохимическим тушением.
С другой стороны, в менее благоприятных условиях для измерения PRI (измерение с поверхности листа, исследования при солнечном свете) значимость распределения фотосинтетических параметров у растений для эффективности использования PRI значительно возрастала.
Это исследование подтвердило важный факт: влияние распределения фотосинтетических показателей среди растений исследуемой группы не сказывалось на эффективности использования PRI для оценки эффективности использования световой энергии в процессе фотосинтетической ассимиляции углекислого газа. Это означает, что выявленные закономерности не распространяются на все фотосинтетические индексы.
Полученные результаты имеют большое практическое значение, поскольку помогают понять условия, при которых использование измерения PRI для мониторинга фотосинтетических показателей у растений (а значит, их продукционного процесса и стресса) будет наиболее эффективным.