Новый портативный прибор определяет здоровье растений по их свечению
Здоровые растения испускают красный свет, который почти невозможно увидеть невооруженным глазом. Новый прибор, разработанный в Йоркском университете, позволяет измерять это свечение как в лаборатории, так и в полевых условиях.
Это запаздывающая флуоресценция — свет, поглощённый от солнца, который растение испускает после вспышки. Она связана с фотосинтетической активностью и здоровьем растения.
«Мы можем определить, насколько здорово растение, по интенсивности испускаемого им красного света. Чем слабее свет, тем менее здорово растение», — говорит доцент биофизики Оззи Мермут. Состояние растения не всегда можно определить визуально.
Именно для этого Мермут и профессор химии Уильям Пьетро создали высокочувствительный портативный биосенсор. «Мы разработали устройство, способное улавливать низкоинтенсивное свечение растений», — говорит Пьетро.
Устройство представляет собой портативный счётчик фотонов запаздывающей флуоресценции на основе SiPM (кремниевого фотоумножителя) со встроенной светодиодной подсветкой. Оно легко разворачивается удалённо, что позволяет измерять здоровье и устойчивость растений, испытывающих стресс от выбросов CO2, парниковых газов и экстремальных погодных явлений.
Прибор размером с портфель можно легко переносить: на поля в Саскачеване, на охраняемые земли коренных народов Канады или в тропические леса Бразилии.
«Результаты могут рассказать нам о реакции растений на различные условия окружающей среды, включая засуху, тепловой и холодовой шок или наводнения. Устройство делает это новым мощным способом, позволяя изучать это явление непосредственно в поле. Оно настолько чувствительно, что может считать отдельные фотоны, частицы света, испускаемые растениями», — поясняет Пьетро.
Ещё несколько лет назад это было невозможно. Технология была слишком громоздкой, непортативной, сложной и дорогой, что исключало полевые исследования. Разработчики надеются, что другие исследователи также начнут использовать этот инструмент, возможно, для изучения долгосрочного воздействия изменения климата на растения.
В будущем они планируют установить оборудование на дрон, чтобы оно могло летать над тропическими лесами, заповедниками и сельскохозяйственными полями. Это может помочь фермерам в решении проблем продовольственной безопасности, оценивая здоровье растений и его изменения со временем или в ответ на стрессоры.
«Это очень важно, потому что примерно 20% кислорода производится бразильскими тропическими лесами», — говорит Мермут. «Можно представить, насколько полезной может стать такая технология в будущем, не только для растений, но и для людей».
Исследователи опубликовали доказательство концепции в статье «A SiPM-Enabled Portable Delayed Fluorescence Photon Counting Device: Climatic Plant Stress Biosensing» в специальном выпуске журнала Biosensors.
Уже сейчас они обучают студентов программы по биофизике на кафедре физики и астрономии использованию этого исследовательского оборудования в лаборатории MiBAR. Там в теплицах можно моделировать природные стрессы, чтобы увидеть их влияние на различные растения.