Phát hiện sớm rủi ro giảm năng suất đậu nành: Công nghệ SIF hỗ trợ quản lý năng suất ổn định

Trong các bài viết trước, chúng tôi đã giới thiệu các nguyên tắc cơ bản của huỳnh quang chlorophyll gây ra ánh sáng ban ngày (SIF) và ứng dụng rộng rãi của nó trong các hệ sinh thái như rừng, vùng đất ngập nước.

Trong giai đoạn này, chúng tôi sẽ tập trung vào đậu nành, một loại cây trồng quan trọng, để tìm hiểu làm thế nào công nghệ SIF có thể thông qua giám sát sớm các căng thẳng môi trường (như nhiệt độ cao, hạn hán, v.v.) để cảnh báo nguy cơ cắt giảm sản lượng cuối cùng, trở thành một công cụ quan trọng để đảm bảo quản lý sản lượng ổn định.

Trong các bài viết trước, chúng tôi đã giới thiệu các nguyên tắc cơ bản của Chlorophyll Fluorescence do Mặt Trời (SIF) và các ứng dụng rộng rãi của nó trong các hệ sinh thái như rừng và vùng ngập nước.

Vấn đề này tập trung vào cây trồng đậu nành quan trọng, khám phá cách công nghệ SIF có thể phục vụ như một công cụ quan trọng để đảm bảo quản lý năng suất ổn định bằng cách giám sát sớm các căng thẳng môi trường (ví dụ như nhiệt độ cao, hạn hán) để cảnh báo mất năng suất tiềm năng.

Mối quan hệ giữa SIF và quang hợp đậu nành - Relationship Between SIF and Soybean Photosynthesis

SIF là một phần nhỏ năng lượng ánh sáng được phát ra bởi các phân tử diệp lục sau khi thực vật hấp thụ ánh sáng mặt trời. Nó liên quan chặt chẽ đến năng suất sơ cấp quang hợp (GPP) và được coi là một chỉ số thay thế hiệu quả để đánh giá GPP.

Việc tạo ra tín hiệu SIF bắt nguồn từ phản ứng quang hóa của Hệ thống quang hợp II (PSII), cường độ của nó được điều chỉnh động bởi cường độ ánh sáng, hàm lượng chlorophyll và con đường phân phối năng lượng ánh sáng. Nghiên cứu cho thấy mối quan hệ tuyến tính hoặc phi tuyến đáng kể giữa SIF và GPP, làm cho SIF trở thành một phương tiện quan trọng để theo dõi quá trình quang hợp của thảm thực vật.

Vì SIF có liên quan trực tiếp đến quá trình quang hợp, khi đậu nành gặp phải căng thẳng môi trường, cơ chế quang hợp của nó bị ảnh hưởng, do đó gây ra những thay đổi trong tín hiệu SIF, cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc sử dụng SIF để giám sát căng thẳng môi trường của đậu nành.

SIF là một phần nhỏ năng lượng ánh sáng được phát ra lại bởi các phân tử chlorophyll sau khi thực vật hấp thụ ánh sáng mặt trời. Nó có liên quan chặt chẽ đến Tổng sản lượng sơ cấp (GPP) và được coi là một proxy hiệu quả để đánh giá GPP.

Sự tạo ra các tín hiệu SIF có nguồn gốc từ các phản ứng quang hóa của Hệ quang II (PSII). Mức độ của chúng được điều chỉnh năng động bởi cường độ ánh sáng, hàm lượng chlorophyll và các con đường phân bổ năng lượng ánh sáng (quang hóa, tắt không quang hóa và huỳnh quang). Nghiên cứu cho thấy mối quan hệ tuyến tính hoặc phi tuyến tính quan trọng giữa SIF và GPP, làm cho SIF trở thành một phương tiện quan trọng để giám sát quang hợp thực vật.

Vì SIF liên quan trực tiếp đến quá trình quang hợp, khi đậu nành gặp phải căng thẳng môi trường, thiết bị quang hợp của chúng bị ảnh hưởng, dẫn đến sự thay đổi trong tín hiệu SIF. Điều này cung cấp một nền tảng lý thuyết cho việc sử dụng SIF để theo dõi căng thẳng môi trường trong đậu nành.

Hình ảnh: Hệ thống giám sát huỳnh quang diệp lục cảm ứng ánh sáng ban ngày trên máy bay không người lái Aiboergic, ABN-SIF-UAV。 Bằng cách phát hiện huỳnh quang chlorophyll gây ra bởi ánh sáng ban ngày (SIF), hệ thống này cho phép giám sát không phá hủy trên một phạm vi rộng lớn của đất nông nghiệp, đánh giá chính xác sự phát triển của cây trồng và cung cấp dữ liệu quan trọng để cảnh báo sớm về sâu bệnh và căng thẳng phân bón.

ABN-SIF-UAV Hệ thống giám sát huỳnh quang Chlorophyll do Mặt Trời gây ra bởi Exponentsci. Hệ thống này phát hiện ánh huỳnh quang Chlorophyll do Mặt Trời gây ra (SIF), cho phép giám sát không phá hủy đất nông nghiệp quy mô lớn, đánh giá chính xác tình trạng tăng trưởng cây trồng và cung cấp dữ liệu quan trọng để cảnh báo sớm về côn trùng, bệnh tật và căng thẳng nước / phân bón.

Ứng dụng SIF trong phát hiện stress môi trường ở Soybeans

Áp suất nhiệt độ cao:Nhiệt độ cao và chênh lệch áp suất hơi nước cao đi kèm với nó thường ảnh hưởng đến thực vật, nhưng không gây ra những thay đổi đáng kể về cấu trúc vành hoặc thay đổi đặc điểm quang phổ. SIF, vì mối liên hệ của nó với quang hợp, có thể phát hiện tốt hơn sự căng thẳng này. Ví dụ, một nghiên cứu đã sử dụng SIF để định lượng tác động của nhiệt độ cao đối với quang hợp của mũ đậu nành thông qua thí nghiệm Tăng cường kiểm soát không khí tự do nhiệt độ (T-FACE). Đậu nành trong điều kiện nhiệt độ cao có thể ảnh hưởng đến các thông số huỳnh quang nặng hơn lá, mật độ khí khổng, quang hợp và diệp lục.

Căng thẳng nhiệt độ cao:Nhiệt độ cao và thiếu hụt áp suất hơi cao đi kèm thường ảnh hưởng đến thực vật mà không gây ra những thay đổi rõ ràng về cấu trúc mái hoặc đặc điểm quang phổ. Do kết nối với quang hợp, SIF có thể phát hiện rõ hơn căng thẳng như vậy. Ví dụ, một nghiên cứu đã sử dụng thí nghiệm Tăng cường nhiệt độ không khí tự do (T-FACE) để định lượng tác động của nhiệt độ cao đối với quang hợp đậu nành bằng cách sử dụng SIF. Trong điều kiện nhiệt độ cao, đậu nành trải qua những thay đổi về trọng lượng lá cụ thể, mật độ miệng, quang hợp và các thông số huỳnh quang chlorophyll.

Ánh sáng ban ngày gây ra huỳnh quang chlorophyll (SIF), sản lượng SIF, bức xạ hiệu quả quang hợp hấp thụ (APAR), tỷ lệ hấp thụ APAR toàn bộ vành (fAPAR) và hệ số tương quan giữa bức xạ hiệu quả quang hợp (PAR) và nhiệt độ vành (r).

Hệ số tương quan (r) giữa ánh huỳnh quang Chlorophyll do Mặt Trời gây ra (SIF), năng suất SIF, Bức xạ hoạt động quang hợp hấp thụ (APAR), một phần của toàn bộ mái APAR (fAPAR) và PAR chống lại nhiệt độ mái.

Áp lực ozone:Nồng độ ozone cao dẫn đến giảm đáng kể SIF760 trong vành đậu nành, đặc biệt là giảm mạnh hơn trong giai đoạn tăng trưởng muộn (36%), cho thấy SIF có thể nắm bắt hiệu quả tác động của ozone đối với cấu trúc vành đậu nành và tăng tốc lão hóa. Căng thẳng ozone cũng có tác dụng hiệp đồng với việc giảm bức xạ, ảnh hưởng đến đặc tính huỳnh quang chlorophyll và năng suất của đậu nành.

Căng thẳng Ozone:Nồng độ ozone cao gây ra sự giảm đáng kể trong vỏ đậu nành SIF760, đặc biệt là trong giai đoạn phát triển sau (giảm lên đến 36%). Điều này cho thấy rằng SIF có thể nắm bắt hiệu quả tác động của ozone đối với cấu trúc mái và tăng tốc lão hóa trong đậu nành. Căng thẳng ozone cũng tương tác với bức xạ giảm, ảnh hưởng đến đặc tính huỳnh quang chlorophyll đậu nành và năng suất.

Các phép đo của SIF760 (A), bức xạ quang hợp hiệu quả PAR (B), tỷ lệ hấp thụ bức xạ quang hợp hiệu quả FPARgreen (C) và năng suất SIF rõ ràng (D) được quan sát thấy trong suốt mùa trồng đậu tương tương ứng với đậu tương được trồng trong điều kiện nồng độ ozone xung quanh (dải màu trắng) và nồng độ ozone tăng (dải màu xám). * Đại diện cho sự khác biệt đáng kể (P<0,05).

Được đo trên mái SIF760 (A), PAR (B), FPARgreen (C) và năng suất SIF rõ ràng (D) trong suốt mùa trồng ở đậu nành trồng dưới môi trường O ₃ (thanh trắng) và O cao ₃ (thanh xám). * cho thấy sự khác biệt đáng kể giữa các phương pháp điều trị tại mỗi ngày đo (P < 0,05).

Other Stresses/Những áp lực khác:

Thiếu nước có thể buộc các lỗ khí đóng lại, do đó ức chế quá trình quang hợp và thoát hơi. Quá trình này gây ra những thay đổi trong quá trình đột biến không quang hóa và truyền electron quang hợp, và tín hiệu SIF rất nhạy cảm với những thay đổi nhỏ này.

Bisphenol A (BPA) hoạt động như một chất gây rối loạn nội tiết môi trường có tác động đáng kể đến sự tăng trưởng, quang hợp và các thông số huỳnh quang chlorophyll của cây đậu nành như huỳnh quang ban đầu, hiệu quả quang hóa tối đa, năng suất lượng tử hiệu quả PSII và tốc độ truyền electron quang hợp, và công nghệ SIF có thể phát hiện những thay đổi này.

Thiếu nước: Thiếu nước buộc miệng đóng cửa, do đó ức chế quang hợp và mồ hôi. Quá trình này gây ra những thay đổi trong việc dập tắt không quang hóa và vận chuyển điện tử quang hợp, mà các tín hiệu SIF rất nhạy cảm.

Bisphenol A (BPA): Là một chất gián đoạn nội tiết môi trường, BPA ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển, quang hợp và các thông số huỳnh quang chlorophyll (chẳng hạn như huỳnh quang ban đầu, hiệu quả quang hóa tối đa, năng suất lượng tử hiệu quả của PSII và tốc độ vận chuyển electron quang hợp) của cây giống đậu nành. Công nghệ SIF có thể phát hiện những thay đổi này.

Công nghệ huỳnh quang chlorophyll cảm ứng ánh sáng ban ngày (SIF) cung cấp một phương pháp trực tiếp, không xâm lấn để giám sát căng thẳng môi trường của đậu nành bằng cách bắt các tín hiệu ánh sáng liên quan trực tiếp đến cơ chế quang hợp. Sử dụng công nghệ này, chúng ta có thể nắm bắt kịp thời tình trạng sức khỏe của cây trồng, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật quan trọng cho việc quản lý nông nghiệp chính xác và đảm bảo sản lượng ổn định.

Công nghệ huỳnh quang Chlorophyll gây ra bởi mặt trời (SIF) cung cấp một phương pháp trực tiếp, không xâm lấn để theo dõi căng thẳng môi trường trong đậu nành bằng cách chụp các tín hiệu ánh sáng liên quan trực tiếp đến cơ chế quang hợp. Sử dụng công nghệ này cho phép đánh giá kịp thời hơn về sức khỏe cây trồng, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật quan trọng cho quản lý nông nghiệp chính xác và đảm bảo năng suất cây trồng ổn định.

Nguồn/Sources:

1. KQuantifying căng thẳng nhiệt độ cao trên quang hợp vỏ đậu nành: Vai trò độc đáo của huỳnh quang chlorophyll do ánh sáng mặt trời gây ra. (2021)

2. định lượng căng thẳng nhiệt độ cao trên quang hợp mái nhà tại thí nghiệm Tăng cường kiểm soát không khí tự do nhiệt độ (T-FACE): vai trò độc đáo của huỳnh quang chlorophyll do mặt trời gây ra trong việc bắt căng thẳng sinh lý thực vật. (2020)

3. Chlorophyll huỳnh quang do năng lượng mặt trời gây ra nắm bắt ảnh hưởng của ozone cao lên cấu trúc mái và tăng tốc lão hóa trong đậu nành. (2023)

4. Tác động của bisphenol A đối với sự phát triển, quang hợp và huỳnh quang chlorophyll trong các cơ quan trên mặt đất của cây giống đậu nành. (2013)