Фитопатогены являются одной из существенных причин потерь урожая. Несмотря на то, что в настоящее время в сельском хозяйстве используют в основном сорта растений, обладающие достаточно высокой устойчивостью к заражению различными патогенами и их негативному воздействию, ежегодно во всем мире наблюдается снижение урожайности сельскохозяйственных культур на 10–20% из-за болезней растений, что представляет серьезную угрозу глобальной продовольственной безопасности. Используя сразу несколько методов визуализации параллельно, можно обнаружить очаги заражения при отсутствии видимых симптомов и принять своевременные меры борьбы с патогенами.

Целью данной работы является сравнение методов РАМ-флуориметрии и гиперспектрального имиджинга в ранней детекции вирусных инфекций в растенияъ.

Исследования проводились на четырёхнедельных растениях Nicotiana benthamiana, в которых наблюдали распространение вируса PVX, имеющего сшитый с белком оболочки флуоресцентный белок GFP. Инфицирование растений проводили с помощью агоробактериальной инфильтрации четвёртого настоящего листа. В качестве методов обнаружения инфекции применяли PAM-флуориметрию, гиперспектральный имиджинг и RGB-фотографии. Замеры производили каждый день в одно и то же время в течение 10 дней с помощью IMAGING-PAM M-Series MINI и гиперспектрального датчика Specim IQ.

В неинокулированном (10 листе) листе табака регистрировали вызванные инфицированием изменения параметров флуоресценции хлорофилла (квантовый выход фотосистемы II (YII) и нефотохимического тушения флуоресценции (NPQ)), а также спектры отражения в здоровых и инфицированных частях листа. После 12-ти минутной адаптации растений в темноте в зараженной области неинокулированного листа наблюдалось небольшое отличие стационарных значений YII и NPQ по сравнению с таковыми в здоровой области того же листа. В отличие от стационарных показателей, динамика YII и NPQ, обусловленная включением актиничного света в здоровых и зараженных участках листа, существенно различалась, начиная со вторых суток после проникновения вируса в неинокулированный лист. Также имеет место различие спектров отражения здоровых и инфицированных растений

Полученные результаты позволяют предположить подход для уверенного раннего детектирования вирусной инфекции в листьях табака. В частности, четкое разграничение на здоровые и зараженные участки на основе показателя YII в диапазоне 40–60 с после включения актиничного света и в диапазоне 20–40 с на основе NPQ.

Анализ спектров отражения показал, что имеются различия между заражённой и здоровой областью листьев. Различия обнаружены в нескольких участках спектра. Представляется оптимальным использование нормализованного отражательного индекса, чтобы избежать различий в абсолютной величине интенсивности сигнала. Сопоставление методов выявило, что РАМ является более чувствительным методом и с его помощью обнаружить вирусную инфекцию можно уже на 1-2 день после прихода вируса в лист.



Работа выполнена в ходе выполнения проекта НЦМУ «Центр фотоники» при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, договор № 075-15-2020-927.

Phytopathogens are one of the significant causes of yield loss. Despite the fact that currently in agriculture there are mainly plant varieties that have a fairly high level of spread to infection with pathogens and their harmful effects, a decrease in crop yields by 10–20% is regularly observed in everything due to plant diseases, which poses a serious threat to global food security. multiple detected detections at once, detection of detection foci when symptoms are detected, and timely detection of diseases with pathogens.

The aim of this work is to compare the methods of PAM fluorimetry and hyperspectral imaging in the early detection of viral diseases in plants.

A stock study of four-week-old Nicotiana benthamiana plants that observed the spread of PVX virus highly cross-linked to a protein. Infection of plants is carried out with the help of agorobacterium infiltration of the fourth true leaf. PAM fluorometry, hyperspectral imaging, and RGB photography have been blamed as methods for detecting accusations. Measurements were made every day at the same time for 10 days using the IMAGING-PAM M-Series MINI and Specim IQ hyperspectral sensor.

In a non-inoculated (10 leaves) tobacco leaf, infection-induced chlorophyll fluorescence parameters (quantum yield of photosystem II (YII) and non-photochemical fluorescence quenching (NPQ)), as well as reflection spectra of affected and infected parts of the leaf, were recorded. After 12 minutes of plant adaptation in the infected area of ​​the non-inoculated leaf, there is a significant difference in stationary YII and NPQ values ​​compared to those in the healthy area of ​​the same leaf. In contrast to stationary indicators, the dynamics of YII and NPQ, due to the inclusion of actinic light in infected and infected leaf areas, significantly increased in nature from the second days after infection with the virus in a non-inoculated leaf. The frequency of the reflection spectra of diseased and infected plants is also important.

Results have been obtained that may lead to the detection of infection virus in tobacco leaves. In particular, a clear distinction between healthy and infected areas based on the YII trait within 40–60 s after actinic light is turned on and available 20–40 s based on NPQ.

The analysis of the spectra showed that there are differences between the infected and healthy leaf area. infections are found in several regions of the virus. It seems to be optimal to use the normalized reflective index to eliminate the exception in the absolute value of the signal frequency. Comparison of the detection results showed that PAM is a more sensitive method and with the help of its properties, a viral infection can be already 1-2 days after the arrival of the virus in the leaf.



The work was carried out during the implementation of the project of the NTsMU "Photonics Center" with the Russian financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Federation, contract No. 075-15-2020-927.