Устройство для определения флуктуирующей асимметрии оптических характеристик листьев растений
DEVICE FOR DETERMINING FLUCTUATING ASYMMETRY OF OPTICAL CHARACTERISTICS OF PLANT LEAVES

Изобретение относится к области сельского хозяйства, биоиндикации, экологии, к исследованию оптических свойств частей растений и может быть использовано для оперативной оценки стабильности развития растений, выращиваемых как в естественных, так и в искусственных условиях.
Факторы окружающей среды (температура, освещенность, влажность и т.д.) оказывают большое влияние на рост и развитие растений. Соответствие уровней факторов требуемым значениям находит отражение в явлении стабильности развития растения. Стабильность развития как явление представляет собой набор механизмов, которые позволяют обеспечить устойчивое развитие (поддержку фенотипа) живого организма несмотря на изменения условий окружающей среды или генетические отклонения [Debat, V. and P. David. 2001. Mapping phenotypes: canalization, plasticity and developmental stability. T. Ecol. and Evol. 16(10), 555-561].
Мерой стабильности развития является величина флуктуирующей асимметрии (ФА) билатеральных (зеркальных) признаков. При отклонении условий окружающей среды от оптимальных наблюдаются небольшие отклонения значений биометрических параметров у симметричных структур растения – половинок листа, оппозитных листьев и т.д., носящие случайный характер. В качестве биометрических параметров применяют линейные и угловые размеры, для определения которых используют измерительный циркуль, линейку и транспортир [Мазуркин П.М., Семенова Д.В. Способ измерения флуктуирующей асимметрии листьев березы. Пат. РФ № 2556987. Дата подачи заявки 02.07.2013. Опубликовано 20.07.2015 Бюл. № 20]. Величину ФА определяют по формуле
, (1)
где и - значения принятого параметра для билатеральной структуры соответственно на левой и правой стороне листа, N – количество измерений.
Недостатком известного технического решения является большая трудоемкость измерения линейных и угловых величин. Кроме того, величина ФА, вычисленная через геометрические размеры билатеральных структур, недостаточно адекватно характеризует стабильность развития растения. Более информативными являются оптические характеристики, отражающие физиологическое состояние растения. Так, отражающая способность листьев на различных длинах волн напрямую зависит от содержания в них пигментов, которые в большой степени определяют физиологические процессы в растении.
Наиболее близким
техническим решением к заявляемому является устройство для определения спектральных оптических характеристик листьев растений, содержащее первый зажим с расположенными на нем первыми входным и выходным оптическими разъемами, первый источник света, первый гибкий световод, соединяющий первый источник света с первым входным оптическим разъемом, спектрометр, устройство управления. Информация со спектрометра через блок управления поступает на компьютер, где сохраняется для последующей математической обработки [https://www.cid-inc.com/plant-science-tools/leaf-spectroscopy/ci-710-miniature-leaf-spectrometer/].
Недостатками
известного устройства, при его применении для определения ФА оптической плотности листьев растений, являются следующие.
1. Недостаточная функциональность. При определении величины ФА необходимы парные измерения, на левой и правой частях билатеральных структур. Применение одноканального измерителя требует проведения  последовательно двух измерений. Необходима так же обработка полученной первичной информации во внешнем компьютере с помощью статистических программ.
2. Недостаточное удобство в работе. Жесткое конструктивное совмещение элементов в одном корпусе, без возможности выноса зажима от устройства в ценоз, а так же необходимость внешнего компьютера создают неудобство при проведении измерений в ценозе.
3. Низкая точность. Перенос измерительного зажима с одной точки  поверхности листа в другую при поочередных измерениях осуществляется приблизительно, точное позиционирование зажима последовательно на необходимые точки затруднено.
4. Длительное время измерений. Проведение двух последовательных измерений требует более длительного времени по сравнению с одновременным измерением двух величин.
Техническая задача изобретения
– реализация назначения устройства, повышение его функциональности,  удобства в работе, точности измерений и скорости их проведения.
Технический результат
– определение величины флуктуирующей асимметрии оптических характеристик листьев растений для оценки стабильности их развития как  комплексного показателя влияния факторов окружающей среды на растения при оптимизации светокультуры.
Технический результат достигается тем
, что устройство содержит первый зажим с расположенными на нем первыми входным и выходным оптическими разъемами, первый источник света, первый гибкий световод, соединяющий первый источник света с первым входным оптическим разъемом, спектрометр, устройство управления, второй зажим с расположенными на нем вторыми входным и выходным оптическими разъемами, второй источник света, второй гибкий световод, разветвленный гибкий световод, направляющую, при этом второй гибкий световод соединяет второй источник света с вторым входным оптическим разъемом, разветвленный гибкий световод своими разветвленными жгутами соединен с первым и вторым выходными оптическими разъемами, а неразветвленым жгутом соединен с спектрометром, первый и второй зажимы присоединены к направляющей с возможностью  взаимного перемещения и фиксации на ней,  электрически устройство  управления соединено с первым, вторым источниками света и спектрометром.
Новые существенные признаки
: устройство дополнительно содержит второй  зажим с расположенными на нем вторыми входным и выходным  оптическими разъемами, второй источник света, второй гибкий световод, разветвленный гибкий световод, направляющую, при этом второй гибкий световод соединяет второй источник света с вторым входным оптическим разъемом, разветвленный гибкий световод своими разветвленными жгутами соединен с первым и вторым выходными оптическими разъемами, а неразветвленым жгутом соединен с спектрометром, первый и второй  зажимы присоединены к направляющей с возможностью  взаимного перемещения и фиксации на ней, электрически устройство управления соединено с первым, вторым источниками света и спектрометром.
Технический результат
обеспечивается тем, что:
- совокупность новых элементов конструкции во взаимодействии с известными обеспечивает реализацию назначения устройства;
- применение двух каналов измерения повышает функциональность устройства и сокращает время измерения;
- пространственная разнесенность зажимов, располагаемых на листе растения и устройства управления, находящегося при измерениях в руках оператора, повышает удобство в работе;
- возможность позиционирования зажимов на листе растения с помощью направляющей повышает точность измерений.
Возможность использование предлагаемого изобретения в биомониторинге и в сельском хозяйстве при выращивании растений, известность программно–аппаратных методов и средств, с помощью которых возможна реализация устройства в целом и его отдельных блоков в описанном виде позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «промышленная применимость».
Анализ уровня техники не выявил устройство того же назначения, что и предлагаемое техническое решение, которому присуща совокупность приведенных в независимом пункте формулы существенных признаков, что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
Сущность изобретения не следует для специалиста явным образом из уровня техники, поскольку не выявлена известность влияния признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, на основной технический результат – реализацию назначения изобретения. В изобретении используется неизвестный ранее, найденный авторами в экспериментальных исследованиях эффект, а именно, возможности  определения флуктуирующей асимметрии по оптическим характеристикам листа растения, определяемым в парных точках листовой поверхности. Предлагаемое изобретение соответствует условию изобретательского  уровня, т.к. основано на дополнении известного технического решения (измерение коэффициентов отражения от некоторой точки поверхности листа растения) новыми признаками, которые обоснованы полученными авторами новыми знаниями, при этом достигается неожиданный технический результат, обусловленный взаимосвязью дополнительных и известных признаков.
На фиг. 1
показана конструкция заявляемого устройства: 1 – первый зажим, 2 – первый входной оптический разъем, 3 – первый выходной оптический разъем, 4 –  первый источник света, 5 – первый гибкий световод,  6 – спектрометр, 7 – устройство управления, 8 – второй зажим, 9 – второй входной оптический разъем, 10 – второй выходной оптический разъем, 11 – разветвленный гибкий световод, 12 – второй источник света, 13 – второй гибкий световод, 14 – направляющая, Л – лист растения.
В основе изобретения лежат следующие положения
.
Сочетания факторов окружающей среды даже в искусственных, специально подобранных условиях могут не в полной мере удовлетворять требованиям растений. Стрессовые воздействия вызывают возмущения в процессе роста и развития растения. Способность живого организма поддерживать траекторию своего развития проявляется в явлении стабильности, которая является чувствительным индикатором состояния растения. Соответственно, нестабильность развития наблюдается в том случае, когда под воздействием внешних факторов организм не способен корректировать их проявление. О нестабильности развития свидетельствуют отклонения в симметрии билатеральных (зеркальных) морфологических структур, которые оценивают по ФА различных признаков. В качестве последних наиболее широко используют геометрические параметры: ширину листа, расстояния между характерными точками листовой поверхности, углы между жилками. Морфологические признаки наиболее доступны для определения величины ФА и позволяют получить  интегральную  оценку  состояния  организма  при  всем  комплексе  возможных воздействий. Однако такие измерения достаточно трудоемки, обеспечение их точности представляет серьезную проблему.
Пигменты являются важным биохимическим компонентом молекулярного аппарата, обеспечивающего протекание различных процессов в растении. Поэтому оценка стабильности развития растений возможна не только по геометрическим признакам, но и по содержанию пигментов в симметричных структурах листа, величина которых может быть найдена по измерениям его спектральных характеристик.
Основными пигментами зеленых листьев являются каротиноиды и хлорофиллы. Хлорофилл обеспечивает процесс фотосинтеза в растении. Каротеноиды выполняют ряд уникальных физико-химических и фотофизических функций: играют важную роль в организации фотосинтетических мембран, участвуют в сборе света, передачи энергии, гашении возбужденных состояний хлорофилла, диссипации избыточной энергии в хлоропластах. Сохранение каротиноидов в процессе разрушения хлорофилла является механизмом фотозащиты во время старения листьев. Изменения содержания каротеноидов в листьях используют для диагностики физиологического состояния растений во время развития, старения, акклиматизации и адаптации к различным средам и стрессам. Перспективным для определения содержания пигментов в листьях растений является применение неразрушающих оптических методов [Dar A. Roberts, Keely L. Roth, Ryan L. Perroy. Hyperspectral Vegetation Indices. https://www.researchgate.net/publication/288952459].
Например, количество каротеноидов в листе растения может быть определено по величине индекса CRI (Carotenoid Reflection Index)
, (2)
где  ,  - значения коэффициентов отражения на длинах волн 510 и 550 нм соответственно.
Значения коэффициентов отражения R на соответствующих длинах волн для формулы 2 получают опытным путем, как отношение величины отраженного потока к падающему на данной длине волны. Производя измерения на левой и правой стороне листа, по формуле 1 получают величину ФА индекса CRI, а значит и оценку неравномерности распределения каротеноидов между половинами листа, по которой судят о стабильности развития растений.
Устройство включает
(фиг. 1) первый зажим 1, первый входной оптический разъем 2, первый выходной оптический разъем 3, первый источник света 4, первый гибкий световод 5,  спектрометр 6, устройство управления 7, второй зажим 8, второй входной оптический разъем 9, второй выходной  оптический разъем 10, разветвленный гибкий световод 11, второй источник света 12, второй  гибкий световод 13, направляющую 14,
Первый гибкий световод 5 соединяет первый источник света 4 с первым входным оптическим разъемом 2, второй гибкий световод 13 соединяет второй источник света 12 с вторым входным оптическим разъемом 9, разветвленный гибкий световод 11 своими разветвленными жгутами соединен с первым 3 и вторым 10 выходными оптическими разъемами, а неразветвленым жгутом соединен с спектрометром 6, электрически устройство управления 7 соединено с первым 4, вторым 12 источниками света и спектрометром 6. Первый 1 и второй 8 зажимы присоединены к направляющей 14 с возможностью  взаимного перемещения и фиксации на ней. Длины гибких световодов 5, 11 и 13 при конструктивном исполнении устройства выбираются из возможности выноса зажимов 1 и 8 внутрь ценоза.
Устройство работает следующим образом
. Перед измерениями устройство калибруют с использованием вместо листа растения белой диффузно отражающей пластины для определения спектров излучения первого 4 и второго 12 источников света  и учета возможной несимметрии каналов измерения.
На поверхности листа растения намечают две точки, расположенные слева и справа симметрично относительно центральной жилки листа. Первый 1 и второй 8 зажимы перемещают вдоль направляющей 14  до совпадения мест измерения оптических характеристик листа с этими точками и фиксируют их на направляющей. Выбранный для измерений лист помещают в зажимы.
Поступающий от устройства управления 7 сигнал производит включение первого источника света 4. Поток света по первому гибкому световоду 5 через первый входной оптический разъем 2 падает на поверхность листа в первой точке его поверхности. Отразившийся от поверхности поток через первый выходной оптический разъем 3 по соответствующему разветвленному жгуту поступает в спектрометр 6 и далее в устройство управления 7, где производится вычисление спектральных коэффициентов отражения листа в первой точке.
После стабилизации измеренных величин устройство управления  7 выключает первый 4 и включает второй 12 источники света. Поток света по второму гибкому световоду 13 через второй входной оптический разъем  9 падает на поверхность листа во второй точке его поверхности. Отразившийся от поверхности поток через второй выходной оптический разъем 10 по соответствующему разветвленному жгуту поступает в спектрометр 6 и далее в устройство управления 7, где производится вычисление спектральных коэффициентов отражения листа во второй точке. После стабилизации измеренных величин устройство управления 7 выключает второй источник света 12 и определяет величину показателя ФА для данного листа растения. Результаты измерений сохраняются в памяти, входящей в состав устройства управления 7. Для обеспечения статистически достоверных значений измерения повторяют на других листьях с определением среднего значения показателя ФА.
Пример
. Оценку флуктуирующей асимметрии коэфициентов отражения листьев томата производили в блоке теплиц «Межвиди». Измерения проводили на растениях томата двух сортов, Энкоре и Бользано, выращиваемых в одинаковых условиях. Измеряли оптические характеристики (спекральные коэффициенты отражения) листьев нижнего яруса, без признаков хлороза,  достигших  длины 25-30 см. Измерения проводили на 60 образцах растений каждого сорта.
В таблице показаны средние значения коэффициентов отражения R на двух длинах волн, индекса CRI и величины ФА для различных сортов томата.
Как следует из результатов эксперимента, различия как между коэффициентами отражения R, так и между индексами  CRI (а значит, между концентрацией каротеноидов в листе), вычисленные для половинок листа, незначительны (величина k отличается  на единицы процента) для двух сортов томата и не могут быть использованы при анализе влияния сорта и условий окружающей среды на стабильность развития растений. Напротив, ФА концентрации каротеноидов (т.е. неравномерности их распределения между левой и правой частями листа) для растений томата сорта Бользано в 1,26 раза превышает это значение для растений сорта Энкоре.
Сорт
R<sub>510</sub>, %
R<sub>550</sub>, %
CRI, отн.ед.
L
R
L
R
L
R
ФА
Энкоре
14,7
14,8
24,2
24,4
0,0267
0,0271
0,0407
Бользано
14,0
14,3
23,1
23,6
0,0284
0,0281
0,0514
k
0,95
0,97
0,96
0,97
1,07
1,04
1,26
Таким образом, с помощью заявляемого устройства возможна оценка стабильности развития растений по ФА оптических характеристик (в частности, коэффициентов отражения) листьев растений. Данное устройство возможно использовать как при оценке состояния растения в процессе биомониторинга в естественных условиях, так и в условиях светокультуры, для комплексной оценки действия фактров окружающей среды на растения.