Исследование влияния внешней среды на состояние растений на основе метода грв биоэлектрографии
Скачать 336 Kb.
|
- Навигация по данной странице:
- ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ НА СОСТОЯНИЕ РАСТЕНИЙ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ГРВ БИОЭЛЕКТРОГРАФИИ
- Введение
- Цель исследований
- Задачи исследований
- Материалы и методы исследований
- Результаты исследований
- Обсуждение результатов
- Выводы
| УДК 681.78: 634.0.44
Н. С. Прияткин1, К. Г. Коротков1, В. А. Куземкин2 , Т. Б. Дорофеева3 1 Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики 2 Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) 3Центр комплексного благоустройства ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ НА СОСТОЯНИЕ РАСТЕНИЙ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ГРВ БИОЭЛЕКТРОГРАФИИВ статье приведены описания методик исследования и основные результаты применения метода ГРВ для оценки состояния коры и древесины побегов вяза шершавого (Ulmus glabra Huds.), подвергнутых заражению фитопатогенным грибом Graphium ulmi Schwazz в условиях in vitro, а также зерен пшеницы, в различной степени пораженных грибами рода Fusarium spp. ВведениеМетод ГРВ Биоэлектрографии, основанный на эффекте Кирлиан, позволяет оценивать состояние абиотических и биотических составляющих экологических систем в реальном масштабе времени. Современный программно-аппаратурный комплекс «ГРВ Камера» дает возможность регистрировать и анализировать характеристики газоразрядного свечения [1], индуцированного у организмов и у их структур, в том числе у биологических жидкостей, природных вод, почв, грунтов, включая химически загрязненные. Исследование характеристик ГРВ свечения растений - одно из интереснейших направлений ГРВ биоэлектрографии. Первые опыт исследования в этой области принадлежит А.Г. Гурвичу [2] и С.Д. Кирлиан [3]. В.А. Лысиков [4] выполнил исследование по оценке взаимовлияния растений методикой ГРВ. О.А. Буадзе с соавторами [5] изучено влияние гербицида 2,4-Д на физиологическое состояние 7-дневных проростков кукурузы с последующим воздействием витамина B2 как защитного эффекта. Данные Словенских исследователей [6,7] показали, что по характеристикам ГРВ-изображений (площадь свечения, мощность шумовой компоненты, коэффициент формы и др. [1]) можно различить больные и здоровые ягоды винограда, листья, плоды яблони, разные сорта растений. Однако оказалось невозможным выявить различия между растениями, выращенными с использованием минерального и органического питания [8]. Необходимо отметить, что применение различных технических средств для исследования кирлиановского эффекта, а также отсутствие стандартных адаптивных методик получения и обработки газоразрядных изображений существенно затрудняет сравнение и интерпретацию научных данных, полученных разными исследователями.
Апробация ГРВ методики исследования характеристик получения и обработки компьютерных газоразрядных отображений коры и древесины побегов деревьев и кустарников путем сравнения характеристик возбужденной оптоэлектронной эмиссии, полученной с контрольной (незараженной) древесины ильмовых и древесины, зараженной фитопатогенным грибом Graphium ulmi Schwazz [сумчатая стадия - Ophiostoma ulmi (Buism.) Nannf.]. Апробация ГРВ методики получения и обработки газоразрядных отображений свечения семян растений на примере сравнения характеристик компьютерных отображений газоразрядного свечения зерновок пшеницы, имеющих различную степень пораженности грибами рода Fusarium - возбудителями фузариоза колоса.
Отрезки однолетних побегов вяза шершавого Ulmus glabra Huds. длиной 100 мм толщиной 5 мм. Одной пробой для ГРВ анализа служили: фрагменты коры и древесины длиной 5 мм. Одиночные цельные непроращенные зерна пшеницы Использованные методы исследований: Методика оценки состояния БО на основе технологии ГРВ. Для инициализации ГРВ-сигнала с поверхности растений был использован плоский заземляющий электрод, обеспечивающий фиксацию объекта и устойчивую экспозицию газового разряда (рис. 1). Экспериментальным путем выявлены оптимальные режимы работы прибора (диапазон напряжения – «1» для побегов и «3» - зерен, время экспозиции газового разряда – 0,5с) и программной обработки газоразрядных отображений побегов древесных растений и зерен (минимальная площадь удаляемой шумовой компоненты [1] – 30 пикселей, уровень фона [1] – 220 для побегов и 250 для зерен по шкале яркости Windows в диапазоне «0» абсолютно черное до 255 «абсолютно белое». (Яркость изображения ГРВ сигнала на ПЗС-матрице фиксировалась в видеокамере 8-разрядным двоичным кодом). Был определен ряд параметров ГРВ сигнала, являющихся наиболее чувствительными к изменению состояния зерна. Разработан новый параметр оценки степени биологического повреждения участка побега дерева (Sin) – соответствующий площади свечения внутреннего контура поперечного разреза участка побега («внутренняя корона»), измеряемый в пикселях (Рис. 2). Стандартные методики фитопатологической оценки использовали для контроля состояния растительных организмов [9]. Статистические методы анализа и обработки данных: экспериментальные данные обрабатывали с использованием методов параметрической (t-критерий, коэффициент корреляции) и непараметрической статистики (критерий Манна-Уитни, коэффициент корреляции Спирмана), реализованные в программе Statistica 6.0 [10].
Анализ газоразрядных визуализированных изображений (ГРВ - анализ) инфицированных отрезков стебля (табл.1) со стандартным фитопатологическим контролем (табл. 2) осуществлен на 10-е и 20-е сутки после искусственной инокуляции стебля (инокуляция с 33,2 и 59,6 млн. конидий / мл стерилизованной воды). Состояние инфицированных стеблей ослаблено по сравнению с неинфицированными (табл. 3). Средний прирост боковых почек инфицированного стебля меньше (3,9+0,3 и 3,8+0,5 см), чем у неинфицированных (5,6+0,9 см). Площадь газоразрядного свечения инокулированной древесины (86+17 и 109+25 пикселей) больше, чем у неинокулированной (54+16 пикселей). При увеличении количества конидий, инокулированных в стебель, площадь газоразрядного свечения возрастает. 2) Применение метода ГРВ для оценки состояния зерновок пшеницы, пораженной возбудителем фузариоза колоса. Изучали характеристики ГРВ-сигнала, полученные у зерен пшеницы, не имеющих видимых признаков поражения «внешне здоровые» (Группа 1), имеющих слабую (Группа 2) и сильную (Группа 3) степень пораженности фузариозом. Установлено (табл.4), что внешне здоровые зерна характеризуются максимальным значением параметров ГРВ-изображения: распределением яркости, коэффициентом формы и трехмерной фрактальностью по сравнению инфицированными зерновками. ГРВ-изображения внешне здоровых зерновок отличаются большей изрезанностью контура и разнообразием спектра яркости, чем ГРВ-изображения инфицированных зерновок. Корреляционный анализ (табл.5) не выявил значимой связи (r) ГРВ параметров и размера зерновок. Различия параметров ГРВ изображений обусловлено состоянием зерновок.
Изменение параметров ГРВ свечения зерен с увеличением степени пораженности зерен также объяснимо с позиции биологии патогена. Поражение зерна возбудителем фузариоза колоса снижает массу зерна, а также вызывает появление щуплости зерна [15]. Изменение морфологических характеристик и показателей жизнеспособности зерен (прежде всего влажности) [16] неизбежно сказывается на процессах формирования газоразрядного свечения вокруг биологического объекта, что, в конечном итоге, приводит к изменению характеристик ГРВ изображений зерен. ВыводыПовреждающее воздействие фитопатогенного гриба G. ulmi на древесину побегов вяза сопровождается изменением характеристик газоразрядного свечения (увеличением площади ГРВ свечения внутри контура поперечного разреза побега). Повреждающее воздействие фитопатогенных грибов рода Fusarium на зерна пшеницы сопровождается снижением значений параметров ГРВ свечения: коэффициента формы, распределения яркости, трехмерной фрактальности, характеризующих жизнеспособность зерна. Таким образом, метод ГРВ позволяет визуализировать и анализировать повреждения растений, вызванные фитопатогенными организмами на ранних стадиях развития болезни, а также служить дополнительным инструментом для семенного контроля. Работа выполнена при поддержке Конкурсного центра фундаментального естествознания Минобразования России (Номер гранта М04-3.5.К-48). Список литературы
Таблица 1 Площадь свечения инфицированной и неинфицированной древесины стебля однолетнего побега вяза шершавого Ulmus glabra Huds., инокулированного Graphium ulmi Schw., газоразрядная визуализация, пиксели
* Статистически значимые различия (уровень значимости р<0,05 [Вероятность отсутствия различия между исследуемыми группами объектов менее 5%]) по сравнению с контролем (неинокулированная древесина) Таблица 2 Рост мицелия Graphium ulmi Schw. в стебле однолетнего побега вяза шершавого Ulmus glabra Huds., 10-сутки
Таблица 3 Число активных боковых почек и прирост боковых почек стеблей однолетних побегов вяза шершавого Ulmus glabra Huds., инфицированных Graphium ulmi Schw., 20-е сутки
Таблица 4 Характеристики газоразрядного свечения внешне здоровых зерен
Таблица 5 Корреляционный анализ размера зерен Triticum aestivum L. с характеристиками ГРВ-изображений
Рисунок 1. Схема заземления биологического объекта электродом: 1 – корпус прибора, 2 – стекло, 3 – объект, 4 – электрод , 5 – крышка. 
Рис. 2. Компьютерное отображение газоразрядного свечения коры и древесины однолетнего побега вяза: 1 – граница контура поперечного разреза побега, 2 - «Внешняя корона» отображения газового разряда, 3 – отображение газоразрядного свечения внутри контура поперечного среза побега Каталог: assets -> files -> papers -> Russian -> 2006-N2 Priborostroenie 2006-N2 Priborostroenie -> Физические механизмы и принципы построения систем грв биоэлектрографии / К. Г. Коротков, Ю. А. Гатчин 2006-N2 Priborostroenie -> Физические основы методики грв биоэлектрографии 2006-N2 Priborostroenie -> Целью работы являлась оценка информативности метода грв с позиции анестезиолога-реаниматолога при функциональном обследовании больных в периоперационном периоде. Для этого были поставлены следующие задачи: Задачи 2006-N2 Priborostroenie -> Использование метода грв биоэлектрографии для оценки реакции антиген-антитело papers -> Научно-исследовательский испытательный центр (медико-биологической защиты) государственного научно-иследовательского испытательного института военной медицины мо РФ 2006-N2 Priborostroenie -> Физические основы методики грв биоэлектрографии Russian -> Психофизиологические корреляты успешности соревновательной деятельности спортсменов Олимпийского резерва Скачать 336 Kb. Поделитесь с Вашими друзьями:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||