Frühzeitige Erkennung von Risiken zur Senkung der Sojabohnen: SIF-Technologie unterstützt ein stabiles Ertragsmanagement

In einem früheren Artikel haben wir die Grundlagen der Sonnenlichtinduzierten Chlorophyllfluoreszenz (SIF) und ihre weit verbreitete Anwendung in Ökosystemen wie Wäldern und Feuchtgebieten erläutert.

In dieser Ausgabe konzentrieren wir uns auf Sojabohnen, eine wichtige Ernte, und untersuchen, wie SIF-Technologie durch die frühzeitige Überwachung von Umweltbelastungen (z. B. hohe Temperaturen, Dürre usw.) ein entscheidendes Instrument für ein stabiles Produktionsmanagement ist, um das Risiko einer letztendlichen Ertragseinnahme zu warnen.

In früheren Artikeln haben wir die Grundprinzipien der Sonneneinduzierten Chlorophyllfluoreszenz (SIF) und ihre breiten Anwendungen in Ökosystemen wie Wäldern und Feuchtgebieten vorgestellt.

Diese Ausgabe konzentriert sich auf die wichtige Ernte von Sojabohnen und untersucht, wie SIF-Technologie als Schlüsselinstrument zur Gewährleistung eines stabilen Ertragsmanagements durch frühzeitige Überwachung von Umweltbelastungen (z. B. hohe Temperaturen, Dürre) dienen kann, um vor potenziellen Ertragsverlusten zu warnen.

Beziehung zwischen SIF und Sojabohnen Photosynthese

SIF ist ein kleiner Teil der Lichtenergie, die von den Chlorophyllmolekülen wieder ausgestrahlt wird, wenn die Pflanze Sonnenlicht absorbiert. Es ist eng mit der Primärproduktivität der Photosynthese (GPP) verbunden und gilt als effektiver alternativer Indikator zur Bewertung von GPP.

SIF-Signale entstehen durch eine photochemische Reaktion des Photosynthesesystems II (PSII), deren Intensität dynamisch durch die Lichtintensität, den Chlorophylgehalt und die Verteilungswege des Lichts reguliert wird. Studien haben gezeigt, dass es eine signifikante lineare oder nichtlineare Beziehung zwischen SIF und GPP gibt, was SIF zu einem wichtigen Mittel zur Überwachung der Vegetationsphotosynthese macht.

Da SIF direkt mit dem Fotosyntheseprozess verbunden ist, wird, wenn Sojabohnen unter Umweltbelastung stehen, ihre Photosynthese beeinflusst, was zu Veränderungen des SIF-Signals führt, was eine theoretische Grundlage für die Überwachung des Umweltbelastens von Sojabohnen bietet.

SIF ist ein kleiner Teil der Lichtenergie, die von Chlorophyllmolekülen wieder emittiert wird, nachdem Pflanzen Sonnenlicht absorbieren. Es ist eng mit der Bruttoprimärproduktion (BPP) verbunden und gilt als effektiver Proxy für die Bewertung der BPP.

Die Erzeugung von SIF-Signalen stammt aus den photochemischen Reaktionen des Photosystems II (PSII). Ihre Intensität wird dynamisch durch die Lichtintensität, den Chlorophyllgehalt und die Wege der Lichtenergiezuordnung (Photochemie, nicht-photochemische Löschung und Fluoreszenz) geregelt. Die Forschung zeigt signifikante lineare oder nichtlineare Beziehungen zwischen SIF und GPP, was SIF zu einem wichtigen Mittel zur Überwachung der Vegetationsphotosynthese macht.

Da SIF direkt mit dem Photosyntheseprozess verbunden ist, wird Sojabohnen bei Umweltbelastung beeinflusst, was zu Veränderungen der SIF-Signale führt. Dies bietet eine theoretische Grundlage für die Verwendung von SIF zur Überwachung von Umweltstress in Sojabohnen.

Abbildung: Embroidered Embroidered Daylight Induced Chlorophyl Fluorescence Monitoring System, ABN-SIF-UAV。 Durch die Erkennung der Sonnenlichtinduzierten Chlorophyllfluoreszenz (SIF) ermöglicht das System eine zerstörungsfreie Überwachung großer landwirtschaftlicher Flächen, eine genaue Beurteilung der Erntenwächstung und die Bereitstellung von wichtigen Daten für eine frühe Warnung vor Schädlingen und Dünger-Stress.

ABN-SIF-UAV unmanned aerial vehicle-borne sun-induced chlorophyll fluorescence monitoring system von exponentsci. Dieses System erkennt die Sonneneinduzierte Chlorophyllfluoreszenz (SIF), die eine zerstörungsfreie Überwachung großer landwirtschaftlicher Flächen ermöglicht, den Pflanzenwachstumsstatus genau beurteilt und kritische Daten zur Frühwarnung vor Schädlingen, Krankheiten und Wasser-/Düngestressen bereitstellt.

Anwendung von SIF zur Erkennung von Umweltstress in Sojabohnen

Hochtemperaturdruck:Die hohen Temperaturen und die damit einhergehenden hohen Wasserdampfdruckdifferenzen beeinflussen in der Regel die Pflanzen, verursachen jedoch keine deutlichen Koronaturänderungen oder Änderungen der spektralen Eigenschaften. SIF kann diese Belastung aufgrund seiner Verbindung zur Photosynthese besser erkennen. Zum Beispiel wurden die Auswirkungen von hohen Temperaturen auf die Sojakronenphotosynthese durch das T-FACE-Experiment quantifiziert. Sojabohnen beeinflussen unter hohen Hitzebedingungen das Blattgewicht, die Porendichte, die Photosynthese und die Chlorophyllfluoreszenzparameter.

Hochtemperaturspannung:Hohe Temperaturen und damit einhergehendes hohes Dampfdruckdefizit beeinflussen oft Pflanzen, ohne offensichtliche Veränderungen in der Dachstruktur oder den spektralen Eigenschaften zu verursachen. Durch seine Verbindung zur Photosynthese kann SIF solche Belastungen besser erkennen. Zum Beispiel verwendete eine Studie das Temperatur Free-Air Controlled Enhancement (T-FACE)-Experiment, um die Auswirkungen hoher Temperaturen auf die Photosynthese von Sojabohnen mit SIF zu quantifizieren. Unter hohen Temperaturbedingungen erleben Sojabohnen Veränderungen im spezifischen Blattgewicht, der stomatalen Dichte, der Photosynthese und der Chlorophyllfluoreszenzparameter.

Sonnenlicht induzierte Chlorophyllfluoreszenz (SIF), SIF-Ausbeute, absorbierende photosynthetische effektive Strahlung (APAR), das Verhältnis der APAR-Absorption der gesamten Koronnenschicht (fAPAR) und der Korrelationskoeffizient zwischen photosynthetischer effektiver Strahlung (PAR) und Koronnentemperatur (r).

Korrelationskoeffizienten (r) zwischen Sonneneinduzierter Chlorophyllfluoreszenz (SIF), SIF-Ausbeute, absorbierter photosynthetisch aktiver Strahlung (APAR), Anteil des gesamten Baldachins APAR (fAPAR) und PAR gegen Baldachintemperatur.

Ozon-Druck:Hohe Ozonkonzentrationen führen zu einem erheblichen Rückgang der Sojakoronate SIF760, insbesondere in der späteren Phase des Wachstums (36%), was darauf hindeutet, dass SIF die Auswirkungen von Ozon auf die Sojakoronate und die Beschleunigung des Alterns effektiv erfassen kann. Ozon-Druck kann auch eine Synergie mit der Verringerung der Strahlung erzeugen, die die Chlorophyl-Fluoreszenz-Eigenschaften und den Ertrag von Sojabohnen beeinflusst.

Ozonspannung:Hohe Ozonkonzentrationen verursachen einen signifikanten Rückgang des Sojabohnenbleches SIF760, insbesondere in späteren Wachstumsphasen (bis zu 36% Reduktion). Dies deutet darauf hin, dass SIF die Auswirkungen des Ozons auf die Dachbahnenstruktur und die beschleunigte Alterung in Sojabohnen effektiv erfassen kann. Ozonstress interagiert auch mit reduzierter Strahlung und beeinflusst Sojabohnenchlorophyllfluorescenzeigenschaften und -ausbeute.

Die Messungen von SIF760 (A), PAR (B), FPARgreen (C) und der apparenten SIF-Ausbeute (D), die während der gesamten Sojabohnenwachstumssaison beobachtet wurden, entsprechen Sojabohnen, die unter Umweltozonkonzentrationen (weiße Streifen) und erhöhten Ozonkonzentrationen (graue Streifen) wachsen. * repräsentiert einen signifikanten Unterschied (P < 0,05).

Messung von SIF760 (A), PAR (B), FPARgreen (C) und scheinbarem SIF-Ertrag (D) über die gesamte Wachstumszeit in Sojabohnen, die unter Umgebung O angebaut werden ₃ (weiße Streifen) und erhöhtes O ₃ (graue Streifen). * zeigt signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen zu jedem Messdatum (P < 0,05).

Andere Belastungen / Stress:

Wassermangel zwingt die Poren zu schließen, wodurch die Photosynthese und die Verdampfung unterdrückt werden. Dieser Prozess verursacht nicht-photochemische Plötzlichkeit und Veränderungen in der fotosynthetischen Elektronenübertragung, und SIF-Signale sind sehr empfindlich auf diese winzigen Veränderungen.

Bisphenol A (BPA) als Umweltendokrines Störungsmittel hat einen signifikanten Einfluss auf das Wachstum, die Photosynthese und die Chlorophyllfluoreszenzparameter von Sojabohnenpflanzen (wie die Anfangsfluoreszenz, die maximale photochemische Effizienz, die effektive Quantenproduktion PSII und die Übertragungsrate von Photosynthesenelektronen), die SIF-Technologie erkennen kann.

Wassermangel: Wassermangel zwingt die Schließung des Stomats, wodurch Photosynthese und Transpiration verhindert werden. Dieser Prozess induziert Veränderungen im nicht-photochemischen Löschen und photosynthetischen Elektronentransport, auf die SIF-Signale sehr empfindlich sind.

Bisphenol A (BPA): Als Umweltendokriner Disruptor beeinflusst BPA signifikant die Wachstums-, Photosynthese- und Chlorophyllfluoreszenzparameter (wie anfängliche Fluoreszenz, maximale photochemische Effizienz, effektive Quantenausbeute von PSII und photosynthetische Elektronentransportgeschwindigkeit) von Sojabohnensämlingen. Die SIF-Technologie kann diese Veränderungen erkennen.

Die Sonnenlicht-induzierte Chlorophyllfluoreszenz (SIF) Technologie bietet einen direkten, nicht-invasiven Ansatz zur Umweltbelastungsüberwachung von Sojabohnen, indem sie Lichtsignale erfasst, die direkt mit dem Mechanismus der Photosynthese in Verbindung stehen. Mit dieser Technologie können wir den Gesundheitszustand unserer Pflanzen rechtzeitiger erfahren und eine wichtige technische Unterstützung für das präzise Landwirtschaftsmanagement und die Gewährleistung einer stabilen Ernte bieten.

Die Sonneneinduzierte Chlorophyllfluoreszenz (SIF) Technologie bietet eine direkte, nicht-invasive Methode zur Überwachung von Umweltstress in Sojabohnen, indem Lichtsignale erfasst werden, die direkt mit dem Mechanismus der Photosynthese verbunden sind. Die Verwendung dieser Technologie ermöglicht eine zeitgerechtere Bewertung der Pflanzengesundheit, bietet wichtige technische Unterstützung für das Präzisionslandwirtschaftsmanagement und gewährleistet stabile Ernteerträge.

Quellen / Quellen:

1. KQuantifizierung von Hochtemperatur-Stress auf Sojabohnen-Baldachin-Photosynthese: Die einzigartige Rolle der Sonneneinduzierten Chlorophyllfluoreszenz. (2021)

2. Quantifizierung der Hochtemperaturbelastung auf der Fotosynthese des Baldachins beim Experiment zur Temperatur-Freiluft-gesteuerten Verbesserung (T-FACE): die einzigartige Rolle der sonneninduzierten Chlorophyllfluoreszenz bei der Erfassung des physiologischen Stresses der Pflanzen. (2020)

3. Die solarinduzierte Chlorophyllfluoreszenz erfasst die Auswirkungen des erhöhten Ozons auf die Dachbahnenstruktur und die Beschleunigung der Alterung in Sojabohnen. (2023)

4. Auswirkungen von Bisphenol A auf Wachstum, Photosynthese und Chlorophyllfluoreszenz in oberirdischen Organen von Sojabohnen-Sämlingen. (2013)