Скачать статью в pdf.

УДК 535.37

DOI: 10.15507/2658-4123.034.202402.281-294

 

Оптические фотолюминесцентные свойства семян растений при заражении микопатогенами

 

 

Беляков Михаил Владимирович
доктор технических наук, доцент, главный научный сотрудник лаборатории инновационных технологий и технических средств кормления в животноводстве Федерального научного агроинженерного центра ВИМ (109428, Российская Федерация, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4371-8042, Researcher ID: ABB-2684-2020, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Московский Максим Николаевич
доктор технических наук, профессор Российской академии наук, главный научный сотрудник лаборатории технологий и машин для послеуборочной обработки зерна и семян Федерального научного агроинженерного центра ВИМ (109428, Российская Федерация, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5), ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5727-8706, Researcher ID: L-5153-2017, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Ефременков Игорь Юрьевич
специалист лаборатории инновационных технологий и технических средств кормления в животноводстве Федерального научного агроинженерного центра ВИМ (109428, Российская Федерация, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5), ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2302-9773, Researcher ID: AGR-5540-2022, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Новиков Василий Сергеевич
кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории технологий и машин для послеуборочной обработки зерна и семян Федерального научного агроинженерного центра ВИМ (109428, Российская Федерация, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3304-1568, Researcher ID: H-8443-2018, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Кузнецов Сергей Михайлович
кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории технологий и машин для послеуборочной обработки зерна и семян Федерального научного агроинженерного центра ВИМ (109428, Российская Федерация, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8378-7085, Researcher ID: H-9433-2018, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Бойко Андрей Александрович
кандидат технических наук, доцент кафедры технической эксплуатации летательных аппаратов и наземного оборудования Донского государственного технического университета (344000, Российская Федерация, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, д. 1), ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0890-9617, Researcher ID: ABD-3703-2020, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Михайличенко Станислав Михайлович
доцент кафедры сельскохозяйственных машин Российского государственного аграрного университета – МСХА имени К. А. Тимирязева (127434, Российская Федерация, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2305-2909, Researcher ID: IQW-4878-2023, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Аннотация
Введение. Использование оптического мониторинга качества зерна позволит значительно снизить потери урожая зерновых, вызванные заражением микопатогенами.
Цель исследования. Изучение зависимости спектральных характеристик, параметров возбуждения и люминесценции семян зерновых при заражении микопатогенами с целью определения информативных спектральных диапазонов и последующей разработки методики контроля зараженности.
Материалы и методы. Для исследования были использованы инокулированные семена пшеницы и ячменя ряда Fusarium graminearum и Alternaria alternata. Спектры возбуждения и регистрации люминесценции измерялись с помощью дифракционного спектрофлуориметра СМ 2203 в диапазоне 230–600 нм. Интегральные и статистические параметры спектров вычислялись в программе Microcal Origin.
Результаты исследования. Удалось выяснить, что при заражении микопатогенами уменьшается спектральная поглощательная способность семян. Для пшеницы интегральные параметры поглощения существенно снижаются при заражении альтернарией. В случае с ячменем, наоборот, большее снижение происходит при заражении фузариозом. В области 230–310 нм у зараженных семян появляются новые максимумы возбуждения. При возбуждении излучением с длиной волны λ = 284 нм спектральные и интегральные характеристики и параметры зараженных семян превышают аналогичные для незараженных. При возбуждении излучением 424 нм и 485 нм количество здоровых семян пшеницы и ячменя превышает количество зараженных.
Обсуждение и заключение. Изменения в спектрах возбуждения и фотолюминесценции могут быть объяснены замещением полисахаридов и белков при поглощении и модификации микокультур. Для объективного контроля заражения семян микопатогенами целесообразно использовать диапазон фотолюминесценции 290–310 нм при возбуждении излучением около 284 нм. Для различения заражения фузариозом и альтернариозом следует использовать контроль фотолюминесценции в диапазоне 380–410 нм.

Ключевые слова: семена, микопатогены, оптические спектры, фотолюминесценция, альтернариоз, фузариоз, Fusarium graminearum, Alternaria alternata

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности: авторы выражают благодарность рецензентам, чья критическая оценка представленных материалов и высказанные предложения по их совершенствованию способствовали значительному повышению качества настоящей статьи.

Для цитирования: Оптические фотолюминесцентные свойства семян растений при заражении микопатогенами / М. В. Беляков [и др.] // Инженерные технологии и системы. 2024. Т. 34, № 2. С. 281–294. https://doi.org/10.15507/2658-4123.034.202402.281-294

Заявленный вклад соавторов:
М. В. Беляков – анализ литературных данных, описание метода и способа предварительной обработки, составление выводов и заключения, доработка текста статьи.
М. Н. Московский – научное руководство, формирование структуры статьи, доработка начального текста, критический анализ.
И. Ю. Ефременков – проведение измерений и расчетов, подготовка начального варианта текста, оформление графического материала.
В. С. Новиков – проведение измерений и расчетов, доработка начального текста.
С. М. Кузнецов – проведение измерений и расчетов, доработка начального текста.
А. А. Бойко – описание методов и способа предварительной обработки.
С. М. Михайличенко – анализ литературных данных, составление выводов и заключения.

Поступила в редакцию 16.10.2023; поступила после рецензирования 10.01.2024;
принята к публикации 25.01.2024

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Lobachevskiy Ya.P., Dorokhov A.S. Digital Technologies and Robotic Devices in the Agriculture. Agricultural Machinery and Technologies. 2021;15(4):6–10. (In Russ., abstract in Eng.) https://doi.org/10.22314/2073-7599-2021-15-4-6-10

2. Zudyte B., Luksiene Z. Visible Light-Activated ZnO Nanoparticles for Microbial Control of Wheat Crop. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2021;219:112206. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2021.112206

3. Hogg A.C., Johnston R.H., Dyer A.T. Applying Real-Time Quantitative PCR to Fusarium Crown Rot of Wheat. Plant Disease. 2007;91(8):1021–1028. https://doi.org/10.1094/PDIS-91-8-1021

4. Brown N.A., Evans J., Mead A., Hammond-Kosack K.E. A Spatial Temporal Analysis of the Fusarium Graminearum Transcriptome during Symptomless and Symptomatic Wheat Infection. Molecular Plant Pathology. 2017;18(9):1295–1312. https://doi.org/10.1111/mpp.12564

5. Bollina V., Kumaraswamy G.K., Kushalappa A.C., Choo T.M., Dion Y., Rioux S., et al. Mass Spectrometry-Based Metabolomics Application to Identify Quantitative Resistance-Related Metabolites in Barley Against Fusarium Head Blight. Molecular Plant Pathology. 2010;11(6):769–782. https://doi.org/10.1111/j.1364-3703.2010.00643.x

6. Knight N.L., Sutherland M.W. Histopathological Assessment of Wheat Seedling Tissues Infected by Fusarium Pseudograminearum. Plant Pathology. 2013;62(3):679–687. https://doi.org/10.1111/j.1365-3059.2012.02663.x

7. Wójtowicz A., Piekarczyk J., Czernecki B., Ratajkiewicz H. A Random Forest Model for the Classification of Wheat and Rye Leaf Rust Symptoms Based on Pure Spectra at Leaf Scale. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2021;223:112278. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2021.112278

8. Cuba N.I., Torres R., San Román E. Lagorio M.G. Influence of Surface Structure, Pigmentation and Particulate Matter on Plant Reflectance and Fluorescence. Photochemistry and Photobiology. 2021;97(1):110–121. https://doi.org/10.1111/php.13273

9. Huang W.J., Lu J.J., Ye H.C., Kong W.P., Mortimer A.H., Shi Y. Quantitative Identification of Crop Disease and Nitrogen-Water Stress in Winter Wheat Using Continuous Wavelet Analysis. International Journal of Agricultural and Biological Engineering. 2018;11(2):145–152. https://doi.org/10.25165/j.ijabe.20181102.3467

10. Williams P.J., Geladi P., Britz T.J., Manley M. Investigation of Fungal Development in Maize Kernels Using Nir Hyperspectral Imaging and Multivariate Data Analysis. Journal of Cereal Science. 2012;55(3):272–278. https://doi.org/10.1016/j.jcs.2011.12.003

11. Yao H., Hruska Z., Kincaid R., Brown R.L., Bhatnagar D., Cleveland T.E. Detecting Maize Inoculated With Toxigenic and Atoxigenic Fungal Strains with Fluorescence Hyperspectral Imagery. Biosystems Engineering. 2013;115(2):125–135. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2013.03.006

12. Lu Y., Saeys W., Kim M., Peng Y., Lu R. Hyperspectral Imaging Technology for Quality and Safety Evaluation of Horticultural Products: a Review and Celebration of the Past 20-Year Progress. Postharvest Biology and Technology. 2020;170:111318. https://doi.org/10.1016/j.postharvbio.2020.111318

13. Shurygin B., Chivkunova O., Solovchenko O., Solovchenko A., Dorokhov A., Smirnov I., et al. Comparison of the Non-Invasive Monitoring of Fresh-Cut Lettuce Condition with Imaging Reflectance Hyperspectrometer and Imaging PAM-Fluorimeter. Photonics. 2021;8(10):425. https://doi.org/10.3390/photonics8100425

14. Sun Z., Hu D., Wang Z., Xie L., Ying Y. Spatial-Frequency Domain Imaging: An Emerging Depth-Varying and Wide-Field Technique for Optical Property Measurement of Biological Tissues. Photonics. 2021;8(8):162. https://doi.org/10.3390/photonics8050162

15. Platonova G., Štys D., Souček P., Lonhus K., Valenta J., Rychtáriková R. Spectroscopic Approach to Correction and Visualisation of Bright-Field Light Transmission Microscopy Biological Data. Photonics. 2021;8(5):333. https://doi.org/10.3390/photonics8080333

16. Toro P.M., Jara D.H., Klahn A.H., Villaman D., Fuentealba M., Vega A., et al. Spectroscopic Study of the E/Z Photoisomerization of a New Cyrhetrenyl Acylhydrazone: A Potential Photoswitch and Photosensitizer. Photochemistry and Photobiology. 2021;97(1):61–70. https://doi.org/10.1111/php.13309

17. Camuri I.J., da Costa A.B., Ito A.S., Pazin W.M. pH and Charge Effects Behind the Interaction of Artepillin C, the Major Component of Green Propolis, with Amphiphilic Aggregates: Optical Absorption and Fluorescence Spectroscopy Studies. Photochemistry and Photobiology. 2019;95(6):1345–1351. https://doi.org/10.1111/php.13128

18. Rumfeldt J.A., Takala H., Liukkonen A., Ihalainen J.A. UV-Vis Spectroscopy Reveals a Correlation Between Y263 and BV Protonation States in Bacteriophytochromes. Photochemistry and Photobiology. 2019;95:969–979. https://doi.org/10.1111/php.13095

19. Gsponer N.S., Rodríguez M.C., Palacios R.E., Chesta C.A. On the Simultaneous Identification and Quantification of Microalgae Populations Based on Fluorometric Techniques. Photochemistry and Photobiology. 2018;94:875–880. https://doi.org/10.1111/php.12936

20. Kowalski A., Agati G., Grzegorzewska M., Kosson R., Kusznierewicz B., Chmiel T., et al. Valorization of Waste Cabbage Leaves by Postharvest Photochemical Treatments Monitored with a Non-destructive Fluorescence-based Sensor. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2021;222:112263. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2021.112263

21. Cherney J.H., Digman M.F., Cherney D.J. Handheld NIRS for Forage Evaluation. Computers and Electronics in Agriculture. 2021;190:106469. https://doi.org/10.1016/j.compag.2021.106469

22. Acosta J., Castillo M.S., Hodge G.R. Comparison of Benchtop and Handheld Near-Infrared Spectroscopy Devices to Determine Forage Nutritive Value. Crop Science. 2020;60(6):3410–3422. https://doi.org/10.1002/csc2.20264

23. Berzaghi P., Cherney J.H., Casler M.D. Prediction Performance of Portable Near Infrared Reflectance Instruments Using Preprocessed Dried, Ground Forage Samples. Computers and Electronics in Agriculture. 2021;182:106013. https://doi.org/10.1016/j.compag.2021.106013

24. Dorokhov A., Moskovskiy M., Belyakov M., Lavrov A., Khamuev V. Detection of Fusarium Infected Seeds of Cereal Plants by the Fluorescence Method. PLOS ONE. 2022;17(7). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0267912

25. Belyakov M., Sokolova E., Listratenkova V., Ruzanova N., Kashko L. Photoluminescent Control Ripeness of the Seeds of Plants. E3S Web of Conferences. 2021;273:01003. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202127301003

 

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.