WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

И технические средствамногопараметрической диагностикирастений и плодов

На правах рукописи

БУДАГОВСКАЯ ОльгаНиколаевна

ЛАЗЕРНО-ОПТИЧЕСКИЕМЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВАМНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИРАСТЕНИЙ И ПЛОДОВ

Специальность 05.20.02 -электротехнологии

и электрооборудование всельском хозяйстве

Автореферат

диссертации насоискание учёной степени

доктора техническихнаук

МОСКВА 2013

Диссертация выполнена вГосударственном научном учреждении«Всероссийский научно-исследовательскийинститут садоводства имени И.В. Мичурина»Россельхозакадемии и в Федеральномгосударственном бюджетном учреждениивысшего профессионального образования«Московский государственныйагроинженерный университет имениВ.П. Горячкина»

Научныйконсультант: БашиловАлексей Михайлович, доктор техническихнаук, профессор
Официальные оппоненты: ШогеновЮрий Хасанович, доктор техническихнаук, профессор, заведующий  секторомэлектрификации и автоматизацииотделения механизации, электрификациии автоматизации Россельхозакадемии,г. Москва Лямцов АлександрКорнилович, доктор технических наук,профессор, заведующий лабораториейэлектрооптических технологическихустановок ГНУ «Всероссийскийнаучно-исследовательский институтэлектрификации сельского хозяйства»,г. Москва Соловченко АлексейЕвгеньевич, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудниккафедры биоинженерии биологическогофакультета ФГБОУ ВПО "Московскийгосударственный университетимени М.В. Ломоносова"
Ведущая организация: ГНУ «Всероссийскийселекционно-технологический институт садоводства ипитомниководства» Россельхозакадемии,г. Москва

Защита состоится «23»сентября 2013 г., в 13-00 часов на заседаниидиссертационного совета Д220.044.02 ФГБОУ ВПО«Московский государственныйагроинженерный университет имениВ.П. Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва,ул. Лиственничная аллея, д.16а, корпус 3,конференц-зал.

С диссертацией можноознакомиться в библиотекеуниверситета.

Автореферат разослан «___»_________2013 и размещен «30» апреля 2013 г. насайте ВАКhttp://www.vak.ed.gov.ru и насайте ФГБОУ ВПО МГАУ http://www.msau.ru

Ученый секретарьдиссертационногосоветаАндреев

кандидат техническихнаук,доцентСергейАндреевич

ОБЩАЯХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Ростнаселения Планеты,сопровождающийся снижением плодородныхплощадей, требует рационального использования ресурсов и энергии, затрачиваемых напроизводство и хранениесельскохозяйственной продукции. Этомуспособствует прецизионное земледелие,которое невозможно без адекватной комплекснойоценки жизнедеятельности возделываемыхкультур. Несмотря на социальную и научнуюзначимость, проблема диагностикирастительныхорганизмов разработана недостаточно итребует качественно новых решений.

Специфика оценкифункционального состояния растенийзаключается в том, что они представляютсобой открытые динамические системы соспособностью к онтогенезу (индивидуальному развитию) игомеостазу (поддержанию постоянства параметров и функций при изменении условийвнешней среды). Ответные реакции такихорганизмовмогут иметь различные проявления, которыев существенной степени зависят от фазы развития,условий обитания, а также видараздражителя и его интенсивности. Из этого вытекаетнеобходимость многопараметричности измерений всочетании свысокой скоростью и минимальным влияниемна исследуемый объект.

Существующиеметодические подходы, как правило,позволяют регистрировать лишь отдельныебиологические показатели: биохимические,физиологические, морфологические и т.п.Однако наиболее полную информацию ожизнедеятельности растений представляетанализ их структурно-функциональногостатуса, включающий оценкумикроструктурной организацию ткани,фотосинтетических процессов иметаболической активности. Для этогоиспользуют разнообразные способы и устройства,что делает измерения длительными,трудоёмкими и дорогостоящими. Во многих случаях ониносят разрушающий характер.

Российский изарубежный опыт в области измеренийбиологических объектов показывает широкиевозможности оптического излучения.Значительный вклад в решение вопросовсоздания и совершенствования техническойи методологической базы электрофизическойдиагностики растительных организмовоптическими средствами внеслиисследования В.В. Альта, А.М. Башилова, И.Ф. Бородина, В.А. Веселовского, А.С. Ильинского, Ю.В. Казимирко,В.А. Караваева, С.В. Климова, Ю.Д. Корнеева, Э.В. Кувалдина, И.С. Лискера, Ю.И. Посудина, С.А. Родикова, В.И. Старовойтова,Т.М. Шадчиной,H. Kautsky,H.K. Lichtentrhaler, G.E. Rehkugler, A. Zdunek идр.

Несмотря на большиепотенциальные возможности оптическихтехнологий, в биологии, а тем более растениеводстве,они используются недостаточно эффективно.Большинство существующих методов и приборов основаны на измерении амплитудных(цветовых, спектральных илилюминесцентных) параметров излучения.Поэтому с их помощью невозможно решать задачи,связанные с количественной оценкой микроструктурных измененийрастительныхтканей и клеток.

Комплексная диагностика растений иплодов может быть осуществлена средствами когерентной лазерной оптики. Еёпреимущество заключается в использованиине только энергетических, но истатистических характеристик оптическогоизлучения,что позволяет по амплитудно-фазовымпараметрам светорассеяния определятьструктурно-функциональныйстатус исследуемых организмов.

Таким образом, актуальная проблемасоздания неразрушающих методов и технических средствкомплексной диагностики растений и плодовтребует системного подхода. Он заключаетсяв анализе, теоретическомобосновании и экспериментальной проверкевлияния физических ибиологических факторов на процессывзаимодействия когерентного излучения срастительными организмами; в разработкеконцепции многопараметрическойоценки ихструктурно-функционального состояния средствами когерентной лазерной оптики; втеоретическом и экспериментальномобосновании основных элементовпроектирования оптико-электроннойаппаратуры для технической реализации комплекснойдиагностики.

Цельисследования. Повышениеэффективностидиагностикисельскохозяйственных растений и плодов впроцессе селекции, выращивания ихранения посредством созданиялазерно-оптических методов и средствмногопараметрическойколичественной оценки структурно-функционального состояния их тканей.

Поставленная цельпредполагает в качестве объекта исследования процессысветорассеяния когерентногоэлектромагнитногоизлучения и их связь соструктурно-функциональными характеристикамирастительных тканей, а предмета исследований  методы и техническиесредства многопараметрической диагностикирастений и плодов поамплитудно-фазовым параметрамсветорассеяния когерентного лазерногоизлучения.

Для достиженияпоставленной цели были выдвинутыследующие задачи:

1. Провести критическийанализ существующих методов и средствнеразрушающей оптической диагностикирастений и плодов; определить путиповышения их эффективности.

2. Разработать концепцию неразрушающеймногопараметрическойдиагностики растений и плодов средствамикогерентной лазерной оптики.

3. Разработать физико-математическиемодели светорассеяния когерентногоизлучениярастительными тканями и структурами врежиме отраженного и проходящего через объектлазерного пучка.

4. Исследовать влияниеструктурно-функционального состояниярастительных тканей на амплитудно-фазовыехарактеристики рассеяния лазерногоизлучения.

5. Разработать комплекс оптическихпоказателей для количественной оценкиструктурно-функционального статусарастительных тканей.

6. Теоретически иэкспериментально обосновать параметрыоптико-электронного оборудования длятехнической реализации комплекснойдиагностики растительныхорганизмов.

7. Создать семействолазерных диагностических приборов,провести их экспериментальную апробацию, внедрение иоценку технико-экономическойэффективности.

При решениитеоретических и прикладных задач былииспользованы классические физические методы анализараспространения когерентныхэлектромагнитных волн в неоднородной среде, вчастности: теория фазового экрана; а так жеметодыбиофизики, физиологии растений,математического, компьютерного ифизическогомоделирования, планирования экспериментови компьютерной обработки данных; теоретические основыконструирования оптико-электронныхприборов.

Организацияисследований, биологические материалы итехнические средства. Представленнаяработа выполнена в ГНУ ВНИИС имени И.В. Мичурина и вФГБОУ ВПО МГАУ имениВ.П.Горячкина в рамках следующих отраслевых ифедеральныхпрограмм Министерствасельского хозяйства иРоссийской академии сельскохозяйственных наук:отраслевой тематический план ОСХ-60комплексной программы 03.03.06 (1980-1985); план НИРи ОКР межведомственной программы «Плоды иягоды»(1986-1990); программа «Плоды,ягоды, виноград, субтропические идекоративные культуры»,задание № 08.04.И1-М5 (1990-1995);Федеральная программа фундаментальных иприкладныхисследований по научному обеспечениюразвития АПК РФ задание 19 «Разработать научные основысистемы производства сохранения идоведения до потребителя высококачественныхплодов и ягод» (1995-2000); задание 04.19.03 «Установитьбиологический потенциал садовых,субтропических растений и винограда,разработать методы управленияпродукционным процессом, создать методыопределенияфизиолого-биохимических показателейустойчивости к действию биотических ибиотических стрессов садовых растений и винограда»(2000-2005); задание 04.16.02 «Разработать методывыявления эколого-физиологическихмеханизмов оптимизации, стабилизации иуправленияпродукционным процессом и качествомпродукции, модели оптимизации размещениямноголетних насаждений» (2005-2010); задание 04.16«Разработать адаптивную стратегию интенсификациирастениеводства для создания новых сортови гибридов культурных растений,конструирования высокопродуктивных, экологическиустойчивых ресурсосберегающих технологий возделывания с.-х.культур на основе новогопоколения технических средств с учетом глобального илокальногоизменения климата»(2010-2015).

Для экспериментов использовалирастения различных видов и сортов плодово-ягодных,субтропических, овощных, зернобобовых,цветочных и декоративных культур,которые произрастали наопытных участках ГНУ ВНИИС имениИ.В. Мичурина,ГНУ ВНИИГиСПРимени И.В. Мичурина (г.Мичуринск), ГНУ ВНИИЦиСК (г. Сочи).Частьисследований проводилась в Германии, в институте садоводства и овощеводства Рейнскогоуниверситета (г. Бонн).

Для модификациифункционального состояния растительныхорганизмов применяли различные факторыбиогенной (вирусная и грибная инфекция,искусственное и естественное заражение) иабиогенной (химические и физические)природы. Источником зондирующегоизлучения служили полупроводниковые игазовые лазеры и светодиоды.Светорассеяние в растительных тканяхизучали на разработанном авторомоборудовании и по авторским методикам.Параллельно с этим проводили оценкуфункционального состояния растений иплодов с привлечением типовых методик,приборов и специалистов соответствующегопрофиля.

Научная новизнаисследований

  1. Выдвинута итеоретически обоснована научная концепциямногопараметрическойдиагностики растений иплодов, основанной на анализемикроструктурной организации ткани,функционального состоянияфотосинтетического аппарата иметаболической активности клетоксредствами когерентной лазернойоптики.
  2. Разработаныфизико-математические моделисветорассеяния лазерных пучковрастительными тканями, позволившиеустановить связь между показателями,характеризующими морфофизиологическоесостояние растительных организмов ипараметрами физических процессовраспространения и трансформациикогерентного излучения в их тканях.
  3. Выявленынеизвестные ранее закономерности влиянияструктурно-функциональных свойстврастительной ткани и параметровзондирующего лазерного пучка наамплитудно-фазовые характеристикисветорассеяния.
  4. Показано, что прилазерном зондировании фотосинтезирующихтканей необходимо учитыватькомбинированную природу регистрируемогооптического сигнала, содержащего двакомпонента: люминесцентный и рэлеевский,различающихся по статистическойупорядоченности.
  5. Теоретически иэкспериментально обоснованы новыеэлементы комплексной диагностики растенийи плодов средствами когерентной лазернойоптики:

- количественная оценкамикроструктурной организациирастительной ткани по степеникогерентности или радиусу корреляциирассеянного лазерного пучка;

- оценкафункционального состоянияфотосинтетического аппарата растений подинамическим показателям фотоконверсии,индуцированной интенсивныммонохроматическим излучением;

- оценка метаболическойактивности растительных клеток исубклеточных структур по вариабельностиамплитудно-фазовых параметровсветорассеяния.

6. Предложены ранее неиспользовавшиеся в исследовательскойпрактике показатели и алгоритмы обработкиданных для многопараметрической оценкиструктурно-функционального статусарастительных тканей по амплитудно-фазовымпараметрам светорассеяния когерентноголазерного излучения и динамики ихсветоиндуцированного изменения.

7. Разработаны принципыконструирования лазерного оборудования иустановлены оптимальные параметрытехнических средств для осуществлениякомплексной диагностики в рамках единойоптико-электронной схемы.

8. Создано семействокомпьютеризированных лазерных приборов,позволяющих реализовать принципиальноновые способы неразрушающеймногопараметрической диагностикирастений и плодов в процессе ихжизнедеятельности.

Теоретическаязначимость и практическая ценностьисследований

Теоретическая значимостьисследований заключается в разработкеконцепциинеразрушающей многопараметрическойдиагностики, основанной на количественнойоценке комплекса морфофизиологическихпоказателейрастений и плодов, отражающих различныепроцессы их жизнедеятельности. Выявленызакономерности светорассеяния, расширяющиепредставления о взаимодействиикогерентного электромагнитного излучения сбиологическими системами и структурами.Для описаниямеханизма этих закономерностей предложеныфизико-математические модели,устанавливающие связь междуамплитудно-фазовыми параметрамикогерентного излучения рассеянногорастительным организмом и егоструктурно-функциональным состоянием.Предложенныетеория и оптическая схема регистрациифазовых параметровсветорассеяния для неразрушающей оценки структурных перестроекрастительной ткани способствуют развитию новыхнаправлений в научных исследованиях ипрактическом использовании средствфотоники в сельском хозяйстве.Разработанные автором способы регистрации и анализакомбинированного сигнала, состоящего излюминесцентного и рэлеевского компонент, дают возможностьвыявлять качественно новые зависимостиамплитудно-фазовых характеристиксветорассеяния от функционального состояния фотосинтезирующего аппарата (фотосинтетической активности,устойчивости к фотоингибированию и фотодекструкции,антиоксидантного потенциала). Выявлена связьфлуктуаций амплитудно-фазовыхпараметров лазерногоизлучения, рассеянного растительной тканью, сеё метаболической активностью.Разработанные принципы конструированияоптико-электронного оборудования иалгоритмы обработки получаемой с егопомощью информации, обеспечивают неразрушающую многопараметрическую диагностику растений и плодов врежиме реального времени.

Созданные на основе предложенныхтеоретических положений методы итехнические средства лазерной диагностикимогут применяться в различных сферахэкспериментально-исследовательского ипрактического растениеводства, в научных иэкологических исследованиях,учебно-образовательном процессе.Полученные в диссертационной работерезультаты способствуютсовершенствованию технической базыоптических методов исследованиярастительных организмов. Новые способы иустройства позволяют обеспечитьколичественный многопараметрическийанализ структурно-функционального статусарастений и плодов без их повреждения;выполнение измерений в режиме реальноговремени без дополнительных операций попредварительной подготовкеобъектов; устранение субъективностиоценок; применение современных цифровыхтехнологий съема и обработки данных.Созданные приборы повышают эффективностьдиагностики растительных организмов,снижают её трудоемкость и энергоемкость.

Достоверностьполученных результатов, рекомендаций и выводов,содержащихся в диссертации,подтверждается корректным использованиемизвестных теоретических положений;применением современных средств и методовпроведения исследований,непротиворечивостью полученныхрезультатов базовым знаниям;репрезентативностью и статистическиманализом данных; совпадениемтеоретических и экспериментальныхрезультатов; практикой многолетнейэксплуатации методов и оборудования,разработанных автором.

Положения, выносимые назащиту:

  1. Концепциямногопараметрической диагностикирастений и плодов по амплитудно-фазовымпараметрам светорассеяния когерентногооптического излучения их тканями.
  2. Физико-математические моделисветорассеяния лазерного пучка ианализ преобразования сигналов воптическом тракте, позволившие получитьсвязь между параметрами, характеризующимиструктурно-функциональное состояниерастительных тканей и физическимиособенностями распространения итрансформации когерентного лазерногоизлучения в них, а именно:

- междумикроструктурой ткани и степеньюпространственной когерентностирассеянноголазерного излучения;

- между метаболическойактивностью клеток и флуктуациями амплитудно-фазовыхпараметров светорассеяния;

- между устойчивостьюхлорофилл-содержащих тканей кфотоингибированию и фотодеструкции, ихфотосинтетической активностью и параметрами фотоконверсии комбинированногосигнала светорассеяния в процессевзаимодействия лазерного пучка сфотосинтезирующими органамирастений.

3. Принципы конструирования ирезультаты оптимизационных исследованийпараметровприборов, способы и алгоритмыобработки информации, обеспечивающиетехническую реализациюлазерно-оптических методов диагностикирастений и плодов.

4. Лазерно-оптические методы итехнические средства,обеспечивающие увеличение эффективностидиагностирования функционального состояния сельскохозяйственныхрастений и плодов в процессе селекции,выращивания и хранения.

Реализация и внедрениерезультатов исследований

Внаучно-исследовательскую ипроизводственную практику внедреныследующие результаты диссертационнойработы:

  1. Концепциямногопараметрической диагностикирастений и плодов по амплитудно-фазовымпараметрам светорассеяния когерентногооптического излучения их тканями.
  2. Способы иустройства неразрушающей оптическойдиагностики растений иплодов (патенты РФ: № 2016671,№ 2113707, № 2222177, № 2225691, № 2342825, № 2352104,№ 2360402, № 2364077, № 2384045, № 2448454, № 2453106).
  3. Принципыконструирования и оптимизации параметровлазерного оборудования длямногопараметрической оценкиструктурно-функционального состояниятканей растительных организмов.
  4. Оптико-электронноеоборудование серии LPT (макетные,экспериментальные и опытныеобразцы).

Практическоеприменение выполненных научно-техническихразработок подтверждается актами внедренияопытных образцов оборудования иметодикамипроведенияисследований от научно-исследовательскихинститутов,высших и учебных учреждений, агропромышленныхпредприятий. Методы и приборы прошлиуспешные испытания их практическогоиспользования для оценки функциональногосостояния и оптимизацииагротехнических приемоввыращивания растений яблони, смородины,земляники, цветочных культур, культурыхлореллы, растений in vitro.Результаты исследований и документация переданыдля освоения мелкосерийного производствав ООО «НТОП «Сатурн-1» и ООО «Современныесистемы управления» (г. Москва).

Апробация результатовисследований

Основные положения ирезультаты работы доложены на: International Ecological Congress (Voronezh, 1996),Международной конференции «Физиологиярастений –наука 3-готысячелетия» (Москва, 1999), Втором съездебиофизиков России (Москва, 1999), Четвёртомсъезде общества физиологов растенийРоссии (Москва, 1999), Международной конференции«Электромагнитные излучения в биологии»(Калуга, 2000), Третьем съезде фотобиологовРоссии (Воронеж, 2001), Первой всероссийскойконференции по иммунитету растений кболезням и вредителям (С.-Петербург, 2002),VIIIМеждународной научной экологическойконференции «Актуальные проблемысохранения устойчивости живых систем» (Белгород, 2004),Международнойнаучно-технической конференции «Автоматизациясельскохозяйственного производства»(Углич, 2004), Международнойспециализированной выставке «Laser 2005» (Москва, 2005),Международных выставках «Фотоника»(Москва, 2007, 2009, 2010), International Conference on Laser Applications in Life Sciences (Moscow, 2007),Всероссийской Школе-конференции «Вопросыфизиологии растений в садоводстве»(Мичуринск, 2009), Международном семинаре«Опыт внедрения лазерных технологий всельском хозяйстве» (Москва, 2009),Международной научно-практическойконференции «Реализация биологическогопотенциала плодовых и ягодных растений внестабильных условиях внешней среды»(Москва, 2011), Международнойнаучно-практической конференции «Фотоникав сельском хозяйстве и природопользовании»(Москва, 2012), Международном семинаре(Россия-Китай) «Физика лазерных процессов иприменения»(Рязань, 2012).

Декларациясобственного вклада в разработку научныхрезультатов

Обоснование концепции,разработка физических моделей, ихэкспериментальная проверка, анализполученных результатов, описаниеисследований, формулировки положений ивыводов сделаны лично соискателем.Проведенные исследования, разработанныетехнические устройства выполненысамостоятельно или под его руководствоми непосредственном участии. Болееполовины объема опубликованных работнаписаны без соавторов, а в остальных доляего вклада превышает 25 %. Участие впроделанной работе специалистов биологови разработчиков программного обеспеченияотражено в совместных публикациях.

Публикации. По теме диссертационныхисследований опубликовано свыше 150 научных работ,включаямонографию, 2 методические рекомендации,11 патентов,более 30 работ в журналах,рекомендованных ВАК, 18 – в зарубежныхизданиях. Объём всех публикаций по темеисследований превышает 90 авторскихпечатных листов.

Структура и объемдиссертации. Диссертациясостоит из введения, семи глав, заключенияи приложений. Основной текст изложен на 420страницах, включая 291 рисунок и 67 таблиц.Перечень цитируемых источников информациивключает 665 наименований, из них 251 – на иностранныхязыках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕРАБОТЫ

В первой главе представлен анализ теоретических ипрактических вопросов оптическойдиагностики растений и плодов, выявленыпути её совершенствования, обоснованы цельи задачи исследований.

В условиях перехода кпрецизионному земледелию необходимыэффективные методы и технические средства оценкифункционального состояния растений иплодов в процессе ихжизнедеятельности.Предназначенная для этого аппаратурадолжна удовлетворять следующим требованиям: неразрушающий характер измеренийв режиме in situ (на месте); высокаяпроизводительность;универсальный (неспецифический) характер получаемойинформации; низкаятрудоемкость и компьютеризацияизмерений. Нарастения впроцессе их жизнедеятельности действует большоеколичество климатических иантропогенных факторов, а характер ответныхреакций растительного организмав существенной степенизависит от отногенетическойпрограммы и фазы его развития, вида, силы,комбинации и длительности действующихфакторов. Выход ищут в комплексном анализеструктурно-функционального состояниярастительных организмов с привлечениемнескольких различных методов, позволяющихоценивать структурные перестройкирастительной ткани, функциональныеизменения фотосинтетического аппарата иактивность метаболическихпроцессов. В настоящее время ни вРоссии, ни за рубежом не существует способов иприборов, позволяющих проводить такойкомплексный анализ в режиме реальноговремени и без повреждения растительныхтканей. Используемые методики оценкиструктурных перестроек, метаболическойактивности и устойчивости кфотоингибированию отличаются высокойтрудоемкостью, деструктивным характеромизмерений, субъективностью получаемыхоценок, необходимостью привлечениядорогостоящего оборудования иквалифицированного персонала для егообслуживания.

Наиболее перспективныдля решения данной проблемы оптическиеизмерительные технологии. Проведенныйанализ достижений, полученных в этойобласти за последние 40лет исследователями МГАУ им. В.П. Горячкина, МГУ им. М.В. Ломоносова, ИФР(г. Москва); ИБФ (г. Пущино); Сибирских отделений АН и РАСХН; АФИ и ВИИЗР (СПб);ВНИИС им. И.В. Мичурина, стран СНГи дальнего зарубежья,показал следующее:

1. Существующиеоптические приборы, включая системытехнического зрения, и неразрушающиеметодики исследований функциональногосостояния растений и плодов основаны на ихколориметрических,спектрофотометрических и люминесцентныхсвойствах. Но поскольку изменения цвета испектров поглощения, отражения,люминесценции связаны только смодификацией биохимического составарастительных тканей, то известные способыв принципе не способны решать задачидиагностики, требующие оценки структурныхперестроек. К ним относятся: дефектоскопиямеханических повреждений плодов и овощей(сдиры, проколы, ушибы, сетка, градобоины ит.п.); латентные фазы старения, репарации,развития грибной и вирусной инфекций;онтогенетические особенностимикроструктурного строения и т.п. Иногда спомощью амплитудных методов удаётсязарегистрировать трансформацию структуры,но лишь на самой заключительной,необратимой стадии, включающей ибиохимические изменения. Но на этом этапемеры защиты малоэффективны или бесполезны.В настоящее время для анализамикроструктурных перестроек тканейиспользует препаративную техникумикроскопии.

2. Оптические методыдиагностики растений, основанные на связифотометрических параметров сконцентрацией хлорофилла, имеют рядметодических неточностей, приводящих кнестабильному и невоспроизводимомурезультату при переходе от лабораторныхисследований к полевым оценкам. Главнымобразом это вызвано тем, что не учитываетсяфлуоресценция хлорофилла (ФХ) (и непредпринимаются меры по ее фильтрации). Всвою очередь, интенсивность ФХ всущественной степени зависит отсвето-температурных условий измерений,мощности и спектрального составазондирующего излучения, активностифотохимических процессов фотосинтеза.Кроме того, ФХ отличается сложнойкинетикой, проявляющейся в 2-4 кратномизменении ее амплитуды в зависимости отдлительности засветки в процессеизмерений (эффект Каутского). В связи с этимнеобходимо совершенствовать методику итехническую базу измерений оптическихпараметров хлорофиллсодержащих тканейрастений с учетом комбинированной природырегистрируемого оптического сигнала,содержащего два компонента:люминесцентный и рэлеевский,различающихся по спектру и статистическойупорядоченности.

3. Устойчивость растенийк фотоингибированию и фотодеструкцииявляется интегральной оценкой ихфункционального состояния,редокс-потенциала, метаболическойактивности, адаптивности и в конечномитоге тесно связана с продуктивностью.Однако существующие методы являются чистолабораторными. Они заключаются в анализеспектральных или люминесцентныххарактеристик листьев до и последлительного экспонирования (несколькочасов), как правило, целых растенийинтенсивным белым светом от мощныхизлучателей. Помимо высокой энергоемкости,материалоемкости и трудоемкости, такиеизмерения носят повреждающий характер, непозволяют проводить оценку состояниярастений в процессе вегетации, их реакцийна изменение условий обитания. Из-засложного анатомо-морфологическогостроения фотосинтезирующих органов испектрального распределенияисточников, не удаётся получить точныеоценки дозы, поглощённой клетками,особенно при использовании немонохроматических излучателей. В целомданная методика нуждается в существенномусовершенствовании.

Анализ работ поприменению лазеров для исследованиярастительных объектов в РФ и СНГ (Астафурова Т.П.,Венедиктов П.С., Гришин А.И., Дмитриев А.П.,Жумарь А.Ю.,Каневский А.В., Ковалев А.А., Кутис И.С., ЛевинГ.Г., Лискер И.С., Масюк Н.П., Медведев Е.М., Межерис Р.М.,Миркамилов Д.М., Посудин Ю.И., Паламарюк В.Е.,Сапожникова В.В., Тарусов Б.Н., Царюк О.В.) истранах дальнего зарубежья (Brach E.J., Brada Jr, Buschmann C., Chapelle E.W., Cecchi E.W., Сhen Y., Ehret D., Fejer S.O., Gowin J., Gunasekaran S.A., Heisel Y., Huang L., Jinior R., Koper R., Lichtenthaler H.K., Ludeker W., О’SullivanV., Oulamara A., Pajuelo M., Popp F.-A., Ren K., Shoji T., Tartachnyk J., Terasaki S., Tribillon  G., Tu K., Turner C.E., Voshchula I.V., Walklate P.J., Wei D., Zdeng B., Zdunek A.) позволяет сделатьследующие выводы:

1. Лазер в основномприменяют как источник с высокойспектральной яркостью и малойрасходимостью для возбуждениялюминесценции и дистанционного измеренияформы и размера растительных объектов.Фазовые методы исследования структурныхособенностей живой материи воплощенытолько в интерференционном микроскопеЛинника, имеющего низкуювиброустойчивость и предназначенного длялабораторной работы с оптическипрозрачными тонкими срезами-препаратами.

2. Несмотря на сочетаниетаких уникальных и взаимообусловленныхсвойств лазерного излучения, как высокаяпространственная и временнаякогерентность, степень поляризации,монохроматичность, спектральная яркость,низкая расходимость, их не используют вполном объёме и комплексно. Не разработанытеоретические подходы кмногопараметрической диагностикерастений, нет методик расчета ипроектирования лазерной аппаратуры для еереализации.

Анализ потенциальныхвозможностей когерентной лазерной оптикипоказал, что она в принципе позволяетрешить проблему комплексной диагностикирастений и плодов. Для этого необходим системныйподход, объединяющий физическую,биологическую и инженерную методологию натеоретическом, экспериментальном иконструкторском уровнях, что явилосьосновой сформулированной цели и задачисследований.

Во второй главе описаны структура, методология итехническая база проведения исследований.Их организацию можно отразить следующейсхемой: теоретическое обоснование методовизмерений математическое ифизическое моделирование расчет-обоснованиепараметров оборудования для проведенияэкспериментов исследование спецификисветорассеяния лазерного излучениярастительной тканью экспериментальныеисследования по оптимизации параметроврабочих органов оборудования многопараметрическойдиагностики разработка и изготовлениеприборовлазерной диагностики проведениеиспытаний внедрениеопытных образцов.

При разработкефизико-математических моделейсветорассеяния лазерного излучениярастительными тканями, математическоеописание было дополнено физическиммоделированием. Создание необходимой дляэтого аппаратурной базы проходило с учетомтого, что эксперименты в основном будутпроходить на плодах и листьях. Длямодификации ФСР использовали какклиматические условия произрастания, так иразличные факторы биогенной и абиогеннойприроды.

Параметрысветорассеяния лазерных пучковрастительными тканями исследовали наразработанном автором оборудовании и по авторскимметодикам. В качестве источников когерентногои квазимонохроматическогоизлучения применяли одномодовые и многомодовые газовые,полупроводниковые и твёрдотельные лазеры,светодиоды различной мощности и длины волны. Таккак ширина спектра излученияполупроводниковых источников зависит от токанакачки (рис.1), то для каждого конкретногоизлучателя еёоценивали с помощью спектроанализаторов.

АБ

 Рис. 1. Спектрыизлучения светодиода L-53SRC-F (А)-0 Рис. 1. Спектрыизлучения светодиода L-53SRC-F (А)-1

Рис. 1. Спектрыизлучения светодиода L-53SRC-F (А) иполупроводникового лазерного модуля HLDPM-10(Б) в зависимости от тока накачки.

Мощностью, плотностьюмощности и диаметром пучказондирующего излученияуправляли электронными блоками питания, введением в оптический трактнейтральных светофильтров, изменением расходимости потока излучения. Выходную мощность определяли калориметрическим измерителем мощности ИМО2Н (Россия),полупроводниковымиприборамиVEGA Ophir (Израиль) и ИМ 12 (Россия). Ширину спектральных линийконтролировали анализатором спектров SOLAR F150-2-36-48USB (Беларусь) и спектрофлуориметром JY3CS (Франция). Преобразование оптическогосигнала в электрический осуществляли спомощью фотодиодов ФД-7К, ФД-24К, ФД-263;аналоговых и цифровых видеокамер фирм Sony (Япония), Logitech (Швейцария), Defender (Китай).

Экспериментальныеисследованияпотребовалиразработки и изготовления специализированныхоптико-электронных узлов и электронныхмакетных схем,осуществляющих стабилизированное питаниеизлучателей, линейное усиление сигнала фотодетекторов; предварительную обработку информации и заданные режимыуправления процессом измерений. Для функциональной диагностикирастений и плодов использовали такжестандартные методы и приборы: портативныехлорофилл-флуориметры Unior-PAM, РАМ-2000 (Германия)и ИФСР-2 (Россия); ИФА-фотометр MR-600 (США), хлорофиллометр DA-meter (Италия), пенетрометр FT327 (Италия) и др.

Разработана методикаотносительной калибровки видеосигналацифровых 8-ми битовых видеокамер,позволяющая существенно увеличитьлинейность, динамический диапазонвнутрикадровой оцифровки и снизить ошибкупри оценке контраста интерференционнойкартины при различных уровнях входногосигнала.

В третьейглаве изложены теоретические и экспериментальныеосновы получения комплексной информации оструктурно-функциональном состояниирастений и плодов без повреждения тканей, спомощью амплитудно-фазовых параметровсветорассеяния лазерного излучения идинамики их изменения в процессеизмерений.

Теоретически обоснована количественнаяоценка микроструктурырастительной ткани по степенипространственной когерентности (СПК) и радиусу корреляции(Rc)рассеянного объектом лазерного пучкаметодом поляризационной и спекл-интерферометрии. На базефизико-математической модели стационарного случайного фазовогоэкрана сГауссовым типомраспределения фазовых неоднородностейопределены теоретические зависимости СПКи Rc от среднегоразмера фазовых неоднородностей среды aiи разности хода s поляризационного интерферометра(рис. 2).

 Рис. 2.Теоретический вид кривых изменения СПК отразности -2 Рис. 2.Теоретический вид кривых изменения СПК отразности хода s поляризационного интерферометра исреднего размера фазовых неоднородностейсреды ai: А – не рассеянныйлазерный пучок (ai = 2ro>> 200 мкм); В – ai = 80мкм; С – ai = 30 мкм; Rc –линия отсчета радиуса корреляции по уровню0,5.

В соответствии стеоремой Винера-Хинчина корреляционнаяфункция стационарного случайного процессаи его спектральная плотность связаныФурье-преобразованием, что для одномерногослучая можно представить как:

(s)=g()eid, гдеg() –спектр распределения разности фаз  = (r+s,z) -(r,z) впоперечной плоскости рассеянного пучка.Функция распределенияразности фаз g()зависит от характерасветорассеяния лазерного излучения,определяемого типом неоднородностейобъекта и схемой наблюдения рассеянногоизлучения (отраженный или проходящийпучок).

Основными фазовыминеоднородностями растительной тканиявляются клеточные стенки, межклеточные ивнутриклеточные воздушные пространства,клеточные органеллы, зернакрахмала. Физическоемоделирование связи интерференционнойкартины (ИТК) испекл-картины с микроструктуройорганизацией верхней и нижнейстороны зрелого листа яблони,проведенное на базеполяризационного интерферометра с разностьюхода s = 75 мкм, подтверждаетработоспособность интерферометрических методовоценки структурных различий растительнойткани (рис. 3).

Рис. 3. Видинтерференционных картин, полученных приотражении лазерного пучка от верхней(слева) и нижней (справа) сторон листаяблони с помощью поляризационногоинтерферометра.

Обоснована неразрушающая диагностикаметаболической активности тканей, основанная на регистрацииклеточной и цитоплазматическойподвижности, по флуктуации СПК или поинтенсивности мерцания спекл-картинырассеянного лазерного пучка во времени.Перемещение клеточных и субклеточныхструктур приводит к изменениюпространственного распределения фазовыхнеоднородностей, формирующихинтерференционную и спекл-картины, поэтомураспределение интенсивности на выходеполяризационного интерферометра описывается выражением: I(z, t) = Io + Ie +2 cos( +о +(t)), где Io – интенсивностьобыкновенного луча, Ie –интенсивность необыкновенного луча, – детерминированная разностьфаз, вносимая интерферометром, о– разность фаз, вносимаянеподвижными фазовыми рассеивателями, (t) – переменнаяразность фаз, вносимая подвижнымирассеивателями. При этом каждая из отдельных волнбудет испытывать различные значенияфазового сдвига, вызванного движущимисячастицами объекта, что в свою очередьявляется причиной флуктуацииинтенсивности и контрастадетерминированной интерференционнойкартины и недетерминированнойспекл-картины (мерцание спеклов). Физическое моделирование,проведенное на базе специализированного стенда(рис. 4) с использованием живых и высушенныхтканей растений, подтверждает связь мерцанияспеклов с метаболическойактивностью клеток (рис. 5).

Рис. 4. Схема стенда дляпроверки гипотезы оценки жизнеспособностирастительных тканей по мерцанию спекл-картины. 1–гелий-неоновый лазер ЛГН-222, 2 – фокусирующаялинза, 3 – затвор, 4 – объект, 5 – ограничивающаядиафрагма, 6 – фотодиод ФД-7К, 7 – дифференциальныйусилитель У7-6, 8 – цифровой мультиметр «Метех МЕ-31»,9 – компьютер.

 Флуктуация интенсивностиспеклов, -7
Рис.5. Флуктуация интенсивностиспеклов, полученная при различныхфункциональных состояниях листа яблони: живой и сухой лист.

Экспресс-анализфункционального состоянияфотосинтетического аппаратарастений может бытьосуществлен по степени измененияинтенсивности зондирующего излучениярастительной тканью (концентрацияхлорофилла), по характеристическимпоказателям индукции флуоресценциихлорофилла (фотосинтетическаяактивность) ипо изменению параметров светорассеяния впроцессе ускоренной искусственнойфотодеструкции, инициированнойинтенсивным лазерным излучением(устойчивость к фотоокислению).

При использованиизондирующего пучка с длинной волны,соответствующей максимуму поглощенияхлорофилла в синей или красной областяхспектра, рассеянный от растительногообъекта оптический поток представляетсобой двухкомпонентный (комбинированный)сигнал, состоящий из долипрошедшего (отраженного) через листзондирующего излучения Ро* (рэлеевскийкомпонент) и флуоресценции хлорофиллаРфх (флуоресцентный компонент).Расчетами, проведенными для типового,фотосинтетически активного листапоказано, что доля каждой из составляющихсветорассеяния в энергетическомэквиваленте примерно одинакова исоставляет 2,4…3,8 % от величины падающегопотока. Вклад каждого компонента винформационный электрический сигнал навыходе фотоприемного устройства взначительной степени зависит от типаспектральной фильтрации измеряемогопотока, спектральной чувствительностифотоприемника и длительности измерений.Последнее вызвано двумя конкурирующимипроцессами: медленной индукциейфлуоресценции хлорофилла (МИФХ), когдафлуоресценция снижается по мере освещенияхлоропластов и фотодеструкцией(выцветанием) хлорофилла (ФДХ), приводящей кувеличению доли Ро* сувеличением световой экспозиции. Амплитуда искорость спада Рфх зависят отинтенсивности засветки и функциональногосостояния хлоропластов. Величина искорость подъема Ро*– от концентрации пигментов,редокс-потенциала клетки, спектральногосостава и интенсивности зондирующегопотока. Физическое моделирование,проведенное с использованием интактных итермоинактивированных листьев смородинычерной, продемонстрировало практическуювозможность оценки функциональногосостояния фотосинтетического аппаратарастений по параметрам комбинированногосигнала светорассеяния (рис. 6).

Теоретическиобоснованы основные требования кхарактеристикам зондирующего лазерного излучения,геометрии оптического тракта, элементамоптико-электронной схемы, алгоритмам сбораи обработки данных экспериментальногооборудования, предназначенного длякомплексной диагностики структурно-функционального состояниярастительных тканей листьев и поверхностиплодов.

 Рис. 6. Изменениекомбинированного сигналасветорассеяния -8 Рис. 6. Изменениекомбинированного сигналасветорассеяния листьев смородинычерной после пятиминутного прогреванияпри температуре: 1 – 30°С, 2 – 50°С, 3 – 80°С. Значенияинтенсивностей нормированы относительноначальных значений засветки(относительные единицы).

Расчетным путемустановлены условия совмещения оптических схем измерения параметровинтерференционной картины,динамики спеклов и фотоконверсии комбинированного сигнала светорассеяния. Для этого необходимо выполнение следующихусловий: длина волнызондирующего излучения –любая вдиапазонах 430...480 нм или630…680 нм; ширина спектра  2,0 нм; выходная мощность– не менее 0,6мВт (по критерию порога чувствительности датчика ИТК)и не более 30 мВт (по критериюлазерной безопасности); угловой размеристочника –менее 0,01 рад. Теоретически определенысоотношения параметров основных элементовоборудования, обеспечивающие оптимальнуюгеометрию оптической схемы и оптимальныйконтраст ИТК при одновременной оценке параметровдетерминированной ине детерминированнойинтерференции:

10Ri< КИТК /2sin(o/2)  0,5R(оптимальнаягеометрия ИТК); arctg 2ro /l1  4х10-3 рад (оптимальный контрастИТК), где КИТК– коэффициент передачи оптическоготракта между интерферометром ифотоприемной матрицей;o –апертура интерференцииполяризационного интерферометра; R – размер матричного фотоприемника; 2rо – диаметр пучка;l1 –расстояние от объекта довходной диафрагмы поляризационногоинтерферометра.

Четвёртая главапосвящена установленнымзакономерностям изменения параметровсветорассеяния монохроматическогоизлучения растительной тканью, содержащей хлорофилл. Проведены исследованиязависимостикомбинированного сигнала и его компонент от характеристикзондирующего потока ифункционального состоянияфотосинтетического аппарата (ФСА)растений. На этой базе, с позиций комплекснойдиагностики, проведена оптимизацияпараметров оптико-электронногооборудования и алгоритмов обработкирегистрируемого сигнала.

При освещениихлорофилл-содержащих тканей излучениемсиней или красной области спектраформируется комбинированный сигналсветорассеяния (КОМБ), состоящий изфлуоресцентного (ФХ) и рэлеевскогокомпонент. Благодаря этому, присоответствующем подборе параметровизлучения, конструкции прибора и режимовизмерения, возможна оценкафункционального состоянияфотосинтетического аппарата по тремкатегориям: по показателям медленнойиндукции флуоресценции хлорофилла (МИФХ),по кинетике искусственной ускореннойфотодеструкции хлорофилла (ФДХ) и постепени восстановления ФСА послефотоингибирования.

Зависимостьинтенсивности комбинированного сигнала отдлительности засветкипредставляет собоймногофазную кривую, которая отражаетопределенные физические и фотохимическиепроцессы,индуцированные оптическим излучением (рис. 7):

1 фаза(участок О-А) – спад интенсивностисветорассеяния с выходом на плато.Кинетика и амплитудная выраженность этогоспада обусловлены двумя конкурирующими процессами:медленной индукцией флуоресценциихлорофилла (вызывает снижение) ифотодеструкцией (вызывает увеличение)сигнала. При снижении фотохимической активностиклеток сокращается длительность даннойфазы, уменьшаются относительная амплитудаперепада интенсивности и скоростьизменения сигнала;

2 фаза (участок А-В) – нижнийстационарный уровень интенсивностисветорассеяния. Аналогично первой фазе,также обусловлен двумя процессами, носигнал не снижается и не увеличиваетсяблагодаря тому, что спад флуоресценциикомпенсируется увеличением рэлеевскогокомпонента из-за снижения поглощения светапо мере выцветания хлорофилла.Длительность данной фазы зависит отфотосинтетической активности ФСА иустойчивости к фотоокислению. Уослабленныхрастений вторая фаза может вообщеотсутствовать – увеличение интенсивностинаступает сразу же или после небольшого инепродолжительного спада;

3 фаза(участок В-С-D) – рост интенсивности светорассеяния,вызванный постепенным выцветаниемхлорофилла. На этом отрезкепреимущественную роль играют процессы ФДХ,которые вносят существенно больший вклад,чем МИФХ. Скорость увеличения сигналаопределяется компетентностьюантиоксидантной защитной системы,препятствующей фотоокислениюхлорофилла;

4 фаза– верхнийстационарный уровень вследствие полногоразрушения хлорофилла в зоне засветки. Двепоследние фазы необратимы, более того,реакция фотоокисления хлорофилла непрекращается и при снятии возбуждающегосвета.


Рис. 7. К описанию основныхзакономерностей и характеристическихпоказателей кинетики комбинированногосигнала, обусловленного изменениеминтенсивности светорассеянияхлорофилл-содержащих тканей растений впроцессе длительной засветкимонохроматическим излучением.

Для количественногоописания кинетики светорассеянияпредложены следующие характеристическиепоказатели:

Кf1 = (Io-Iст)/Iо– коэффициентфотоконверсии первой фазы светорассеяния -относительное изменение интенсивности втечение фазы ОА, где Io– уровень сигнала в начале засветки,при времени То; Iст- уровень сигнала встационарной фазе, при времени Тст;

|| – скорость сниженияинтенсивности светорассеяния в течениепервой фазы ОА (скорость фотоконверсии). Данныйпоказатель определяется из уравнения,описывающего процесс спада сигнала: Iot–, где t–длительность засветки;

Тсп –длительность спада (переходных процессовпервой фазы ОА);

Тфд –длительность засветки до наступлениявидимых признаков фотодеструкциихлорофилла, выраженных подъемоминтенсивности;

Кf3=[I3(t) -Iст ]/Iст – коэффициентфотоконверсии третьей фазы светорассеянияВ-D –относительное изменение интенсивностисигнала I3в течение некоторого времениt,отсчитываемого с начала наступлениятретьей фазы;

||– скоростьувеличения сигнала в течение третьей фазыВ-D. Определяется из уравнения,описывающего процесс подъема сигнала:Iстet.

Оптимизацияспектрального состава зондирующего потокаи режимов измерения (пропускание,отражение) проведена для двух длин волн,соответствующих областям сильногопоглощения хлорофилла – 470 нм и 655 нм, синтенсивностью, выровненной по квантовомуэквиваленту (6500 мкМольм-2·с-1). Критериемоптимизации являлась максимальная разницахарактеристических показателей междулистьями с высокой (Fv/Fm  0,75)и низкой (Fv/Fm < 0,4) удельной фотосинтетическойактивностью. Выявлено, что работа в синейспектральной области дает преимущества почувствительности оценокфотосинтетической активности, а вкрасной – фотодеструктивных процессов.Критерием оптимизации схемы измеренийявлялось достижение больших/меньшихзначений характеристических показателейкомбинированного сигнала светорассеяниялистьями с высокой удельнойфотосинтетической активностью (Fv/Fm > 0,65). Первая фазакинетики светорассеяния регистрируетсяпрактически одинаково для обеих схемизмерения (табл. 1). При необходимостианализа полного профиля фотодеструкциипредпочтителен режим пропускания, так какв этом случае момент наступленияфотодеструкции Тфд регистрируетсясущественно раньше и значения показателейКf3 и также значительно больше,чем при оценке отраженного потока.

Таблица 1

Характеристическиепоказатели комбинированного сигналасветорассеяния

листьев цисусаромболистного, снятые в режиме пропусканияи отражения

Показатели Режимотражения Режимпропускания
Кf1, % 40,2 ± 12,3 41,2 ± 10,8
*100 при t =120 с -9,9 ± 1,4 -10,7 ± 0,6
Тсп, с 344,6 ± 24,8 180,5 ± 12,4
Тфд, мин 106,4 ± 32,6 18,7 ± 6,8
Кf3 при t = 180 мин 0,314 ± 0,08 1,71 ± 0,7
*100 (120-240 мин) 0,44 ± 0,1 0,9 ± 0,2

Оптимизацию режимов измерениямедленной индукции флуоресценциихлорофилла по параметрамкомбинированного сигналапроводили надлине волны 470 нм в диапазоне плотностимощности от 100 до 2400 Вт/м2 (рис. 8).Регистрацию рассеянногообъектом излучения осуществляли с помощьюкремниевого линейного фотоприемника ссоотношением спектральнойчувствительности в краснойи синей областях спектра равной 5/1. Измерения проводили на зрелыхздоровых листьях лимона с высокойфункциональной активностью ФСА (Fv/Fm > 0,6). Максимальную корреляцию (0,98) коэффициента Кf1и скорости фотоконверсии между кривыми МИФХ и КОМБнаблюдалипри плотности мощности800 Вт/м2.

Влияние содержанияхлорофилла и состояния ФСА листьев нахарактер кинетики светорассеяния исследовали вдвух вариантахфункционального состояния фотосистемы2 по критериюудельной фотосинтетической активности(УФА): низкая (Fv/Fm < 0,4) и высокая(Fv/Fm > 0,75) и в двух вариантахконцентрации хлорофилла по критериюкоэффициента пропускания листа на длине волны650 нм (Кпр = 3,5 ± 0,3 % – темно-зеленый лист; и Кпр = 12,7 ± 0,8 % – светло-зеленый лист). Ослаблениефотосинтетической активности быстрее приводит кпадению устойчивости растений кинтенсивному свету – фотодеструктивные процессыначинаются существенно раньше и проходятболееинтенсивно. Выявлено, чтохарактеристические показатели первых фазсветорассеяния О-А-В-С практически совпадают улистьев с близким состояниемфотосистемы2, независимо от их оптическойплотности (рис. 9).

 Рис. 8. Типовые кинетикисветорассеяния листьев с -9  Рис. 8. Типовые кинетикисветорассеяния листьев с -10

Рис. 8. Типовые кинетикисветорассеяния листьев с высокойфункциональной активностью (Fv/Fm> 0,6) в процессе длительной засветкиинтенсивным монохроматическим излучением.МИФХ –медленная индукция флуоресценциихлорофилла (слева), КОМБ – комбинированныйсигнал (справа).Интенсивность зондирующего излучения:

1 – 100 Вт/м2; 2 – 200 Вт/м2; 3–  400 Вт/м2; 4 – 800 Вт/м2; 5 – 1600 Вт/м2; 6 – 2400 Вт/м2.

АБ

 Рис. 9. Изменениеинтенсивности комбинированного -11  Рис. 9. Изменениеинтенсивности комбинированного -12

Рис. 9. Изменениеинтенсивности комбинированного сигналасветорассеяния (в относительных единицах,приведённых к начальным значениям) приразличной фотосинтетической активности иоптической плотности (концентрациихлорофилла) листьев. А – низкая УФА (Fv/Fm < 0,4); Б – высокая УФА(Fv/Fm > 0,75).

Оптимизацию диапазонаинтенсивностей зондирующего потока проводили наосновании кинетик светопропускания живых(Fv/Fm > 0,5) итермоинактивированных (Fv/Fm < 0,15) листьев.Выявлено, что минимальное значениеинтенсивности зондирующего потока должносоставлять 100 Вт/м2, т.к. при меньших значенияхплотности мощности резко снижаютсявеличины показателей Кf1 и ||даже у здоровых листьев(рис. 10). Экспериментально доказано, чтопервые фазы кривых светорассеяния «МИФХ» и«КОМБ» от объектов с высокойфункциональной активностью (Fv/Fm > 0,6) имеют значительнуюкорреляционную связь (не менее 0,96) как приодинаковых, так и при различных плотностяхмощности зондирующего потока. Этодопускает использование интенсивностейзасветки в диапазоне от 800 до6500 мкМольм-2·с-1при оценке показателей МИФХ как в красной,так и в синей областях спектра без потериинформативности (рис. 11).

 Рис. 10. Зависимостьхарактеристических показателей первойфазы -13

Рис. 10. Зависимостьхарактеристических показателей первойфазы кинетики светорассеянияхлорофилл-содержащей ткани от плотностимощности зондирующего излучения краснойобласти спектра (650 нм). На примере листьевс Fv/Fm = 0,54...0,62.

 Рис. 11. Кинетикисветорассеяния здоровых листьев (Fv/Fm -14 Рис. 11. Кинетикисветорассеяния здоровых листьев (Fv/Fm -15

Рис. 11. Кинетикисветорассеяния здоровых листьев (Fv/Fm > 0,6) прииспользовании излучения синей (слева) икрасной (справа) областей спектра. 1 – 800 мкМольм-2·с-1; 2 1625 мкМольм-2·с-1; 3 – 3250 мкМольм-2·с-1; 4 – 6500 мкМольм-2·с-1.

Кривые светорассеяния«МИФХ» и «КОМБ» хлорофилл-содержащей тканис низкой активностью фотосинтеза(Fv/Fm < 0,25) хорошо согласуются только вдиапазоне интенсивностей, не вызывающихфотодеструкцию хлорофилла в процессеизмерений (рис. 12А). Когда же интенсивность зондирующегопотока превышает адаптивные возможностихлорофилл-белкового комплекса кизбыточному свету, быстроефотоингибирование ипоследующее фотоокисление хлорофиллаприводят к различному характеру измененияэтих кривых. Сигналсветорассеяния, зафиксированныйнеселективным фотоприемником от объекта,возбуждаемого красным излучением(КОМБ), посленезначительного снижения быстро растет, тогда какфлуоресцентная составляющая (МИФХ)неуклонно спадает (рис. 12Б). Это позволяетувеличить достоверность оценокфункционального состояния растений, атакже использовать комбинированный сигналдля анализаих устойчивости к фотоингибированию.Показано, что оптимальный диапазонплотности мощности засветки, вызывающейускоренное искусственное выцветаниехлорофилла врамках фотохимических реакций составляет2000 – 6000Вт/м2, дальнейшееувеличение интенсивности сглаживаетразличиямежду характеристическими показателямифотодеструкции листьев с высокой и низкойфотосинтетической активностью.

А Б

 Рис. 12. Типовые кинетикисветорассеяния листьев с -16  Рис. 12. Типовые кинетикисветорассеяния листьев с -17

Рис. 12. Типовые кинетикисветорассеяния листьев с низкойфункциональной активностью (Fv/Fm < 0,25) в процессе засветки излучением синей (МИФХ) и красной (КОМБ) областей спектра: А - синтенсивностью 1600 мкМольм-2·с-1,не вызывающей фотодеструкцию в течение времени измерений; Б - синтенсивностью6500 мкМольм-2·с-1,приводящей к разрушению хлорофилла впроцессе измерений.

Оптимизациядлительности измерений при анализеустойчивости ФСА к фотодеструкции попоказателям комбинированного сигнала.Определены коэффициентыкорреляции между характеристическимипоказателями всех фаз профилясветорассеяния. Измерения проводили врежиме пропускания, с использованиемзондирующего излучения красной областиспектра плотностью мощности 3200 Вт/м2. Выявлена высокаястепень статистической связи (более 0,8)между показателями первой и третьей фазкинетики светорассеяния. Это позволяет сократитьдлительность измерений при анализеустойчивости к фотодеструкции до единиц секунд.Например, для листьев смородины черной,уравнение регрессии, по которому можноосуществлять прогноз величины показателя Тфдпо результатам пятисекундных измерений, будетвыглядеть следующим образом: Тфд =57,94(Кf1) - 69,44 (R2 =0,964).

Оптимизацияциклического режима измерений при оценкестепени восстановления ФСА после фотоингибирования. С помощью серии одно- и многофакторныхэкспериментов выявлен оптимальныйалгоритм циклических измерений: перваязасветка ирегистрация кинетики светорассеяния – темноваяпауза, вторая засветка ирегистрациякинетики светорассеяния. Установленастепень влияния интенсивности фотоингибирующегоизлучения, длительности засветок итемновых пауз на скорость восстановления ФСА. Определены режимы,позволяющие осуществлять весьцикл измерений за 1,5 – 2 минуты.Использование предложенной методикиискусственной ускоренной фотодеструкциилазерным пучком, режима циклическойзасветки, совмещения действующего и измерительногоканалов, позволяют существенно сократитьэнергоемкость и трудоемкость измерений посравнению с традиционными методами.

Пятая глава посвящена экспериментальной оптимизации параметров оптической схемы (рис.13) для оценки степенипространственной когерентностисветорассеяния и динамики спеклов. Установленалинейная зависимость периодаинтерференционной картины(Т) от удаления плоскостиизображения от поляризационногоинтерферометра (l2), что позволяетсогласовать геометрию ИТК с любымфотоприемником. При использовании матричного фотодетектораизображение ИТК должно включать от 1,5 до 2,5периодов для надёжнойрегистрации максимумов и минимумов полос.

 Рис. 13. Геометрия оптического тракта. 1 -18

Рис. 13. Геометрия оптического тракта. 1 –лазерный излучатель, 2 – объект, 3 – поляризационный интерферометр, 4 – плоскость регистрации с фотоприемной матрицей.

Угловой размеристочника зондирующего излучения, который определяется соотношением диаметразондирующего пучка к расстоянию до входнойапертуры интерферометра (2ro/l1),является основным фактором, влияющим нааппаратурный контраст ИТК и средний размерспеклов. Установлено, что период (Т)и геометрия полосИТК независят от углового размера источника,тогда как контраст ИТКи средний размер спекла(dsp) в значительнойстепени определяются угловымразмером зондирующегопучка (рис. 14, 15). При 2ro/l1 >0,1 рад, аппаратный контраст ИТКстановится менее 50 %, средний размерспеклов –менее 2 пиксель. Для того, чтобыудовлетворить требованиям максимально высокогоаппаратного контраста ИТК, достаточногоразмера спекла (несколько пиксель) иотношения Т/dsp   5,угловой размер должен лежать в пределах от0,02 до 0,06 радиан. Соответственно, оптимальный диапазонварьирования диаметра пучка для типового расстоянияl1  35мм составляет 0,8…2 мм.

АБ

 Рис. 14. Зависимость от углового размераисточника -19  Рис. 14. Зависимость от углового размераисточника излучения-20
Рис. 14. Зависимость от углового размераисточника излучения аппаратного контраста ИТК – А и среднегодиаметра спеклов – Б.

Влияние интенсивностизондирующего потока на параметрыинтерференционной и спекл-картин(рис. 14 и табл. 2) оценивали в диапазоне мощностей от 1 до14 мВт и в диапазонеплотностей мощности от 60 до 5500 Вт/м2. В процессеизмеренияпараметров ИТК и спекл-картиныпредусматривали меры для обеспеченияработы налинейном участке передаточной функциифотоприемного устройства. Параметры спеклов отстационарного фазового экрана измеряли вцентре максимума ИТК.

1 2 3

Рис. 15. Интерферограммы,полученныеот стационарного фазовогоэкрана при различныхугловыхразмерахисточника излучения. 1 – 0,01 рад; 2 – 0,06 рад; 3 – 0,24 рад.

Таблица 2

Зависимость параметровспекл-картины стационарного фазовогоэкрана

от интенсивностизондирующего пучка

Параметры спекл-картины Интенсивность зондирующегопотока
390 Вт/м2 1570Вт/м2 5500Вт/м2
Среднийразмер спекла, пиксель 12,27 ± 2,34 13,06 ± 2,6 11,84 ± 2,22
Средняяинтенсивность спекла в течение 30 секунд измерений,усл. ед. 19,87 ± 0,053 91,7 ± 0,045 387,84 ± 0,3
Ср. кв.отклонение 0,1867 0,652 3,015
Коэффициентвариации, % 0,94 0,711 0,78

Выявлено отсутствиезависимости контраста ИТК и среднегоразмера спеклов от интенсивностиоптического зондирующего пучка. Изменениеинтенсивности спеклов от времени приусловии неподвижности рассеивателей такжеминимально зависит от мощности излучателя.Это упрощает процесс наладки устройстваконтроля при переходе на другой объект, сдругими оптическими параметрами или присмене фотоприемника. Регулируя мощностьзондирующего луча, можно устанавливатьнеобходимые для регистрации уровнисигналов, не внося существенных искаженийв аппаратные параметры ИТК испекл-картины.

Оптимизирован режимасглаживания высокочастотного шумадетерминированной интерференционнойкартины с помощьюпрограммы Mathcade(на примере тестовых ИТК с максимальнымконтрастом и максимальным размеромспеклов). Обоснован алгоритм сверткиизображения по вертикали и сглаживания погоризонтали «скользящим средним»(рис. 16).

Оптимизация режимовизмерения мерцания биоспеклов при оценкеметаболическойактивности растительныхтканей, несодержащих хлорофилл (сухиеи живые лепестки ромашки садовой) проведена для следующихпараметров измерительногооборудования: размер зоны измерения (интегрирования спеклов), скорость и длительность регистрацииданных, алгоритм обработки данных. Установлено, что корректная оценкафункционального состояниянепигментированных тканей проходит в широкомдиапазоне: интенсивности зондирующегоизлучения (от 60 до 2500 Вт/м2),зоны интегрирования спеклов (один-двапорядка), частоты съема данных (от 0,2 до 5 Гц)и длительности наблюдений (от единицсекунд до десятков минут).

А Б С
 Рис. 16. Исходнойпрофиль ИТК тест-объекта -24  Рис. 16. Исходнойпрофиль ИТК тест-объекта (А) -25  Рис. 16. Исходнойпрофиль ИТК тест-объекта (А) и -26

Рис. 16. Исходнойпрофиль ИТК тест-объекта (А) и профилираспределения интенсивности при: Б -свертка по вертикали, без сглаживания погоризонтали; С - свертка по вертикали исглаживание по горизонтали скользящимсредним с шириной окна 36 пиксель.

Оптимизация алгоритмов анализамерцания спеклов проведена вотношении следующих пяти приемовматематической обработки данных:коэффициент вариации (Кvar);максимальная амплитуда первой производной(АdI max);число переходов первой производной черезнулевой уровень (NdI о);число пересечений первой производной(NdI q) некоторого порогаq; быстроепреобразование Фурье (БПФ). Сравнивалирасчётные показатели ряда данных,полученные при измерениинепигментированных участков листьевпестролистных растений с разнымфункциональным состоянием: живой (Fv/Fm  0,65) иинактивированный высокой температурой(Fv/Fm < 0,3)(рис. 17). Критерий выбора алгоритма – достижение приминимальном времени измерений наибольшихи достоверных различий междуфункционально активными и не активнымилистьями.

 Рис. 17. Изменениеинтенсивности спеклов во -27

Рис. 17. Изменениеинтенсивности спеклов во времени,измеренное от непигментированных тканейрастений (на примере лилейникаполосатого).

На графике хорошозаметен сложный характер изменениясигнала. Выделяются низкочастотныеколебания с периодом несколько десятковсекунд, модулированные сигналом болеевысоких частот. Для инактивированной тканихарактерна низкая амплитуднаявыраженность всех составляющих, особенновысокочастотной. Присутствиевысокочастотных колебаний даетвозможность осуществить количественнуюоценку метаболической активности ткани померцанию спеклов в течение несколькихсекунд. Выявлено, что дляэкспресс-диагностики наиболеерепрезентативны алгоритмы расчетакоэффициента вариации (Кvar) ичисла пересечений первой производнойустановленного порога (NdIq). Они позволяютполучить высокий уровень различий заминимальное время измерений и количествоотсчетов (табл. 3).

Таблица 3

Уровень значимостиразличий мерцания спеклов живой и термоинактивированной непигментированнойрастительной ткани при различныхалгоритмах обработки сигнала

Длительность измерений, с(количество отсчетов) Уровеньзначимости различий
Кvar АdI max NdI о NdI q(q=2) БПФ
1,5 с (8отсчетов) 0,920 0,850 Менее0,20 0,950 Менее0,70
3 с(16 отсчетов) 0,950 0,900 Менее0,20 0,980 Менее0,75
6 с (32отсчета) 0,980 0,920 Менее0,20 0,980 Менее0,75
12 с (64отсчета) 0,980 0,950 Менее0,20 0,990 Менее0,85
192 с (1024 отсчета) 0,990 0,990 0,20 0,999 Менее0,90

В шестой главе приведены основныерезультаты экспериментальныхисследований функционального состояниярастений и плодов, которые подтвердилитеоретические положения и позволиливыявить специфику светорассеяниялазерного излучения растительной тканью взависимости от ееструктурно-функционального состояния.Установлено, что между основнымиморфофизиологическими параметрамирастительной ткани и амплитудно-фазовымихарактеристиками светорассеяниясуществуют значимые корреляции. Например,связь когерентности рассеянного света(G) ссодержанием крахмала (r =  0,92) совпадает стеоретической моделью - чем вышесодержание крахмала в листьях, тем большецентров рассеяния и тем сильнее снижаетсястатистическая упорядоченность света.

Показано, чтосущественное снижение степеникогерентности лазерного пучка происходитпри взаимодействии с более чем десятьюклеточными слоями, что позволяет проводитьоценку структурного статуса любыхрастительных тканей и органов в режимеотражения и листьев - в режиме какотражения, так и пропускания.

Использованиепараметра «пространственнаякогерентность» при оптической диагностикеплодов и овощейзначительно увеличиваетточность распознавания механических дефектов по сравнению со стандартнымиспектрофотометрическими методами. При этомвеличинаинформационного сигнала практически не зависит отпомологического сорта,биохимического состояния покровных исочных тканей плода, времени нанесенияповреждений, а определяется только ихмикроструктурным состоянием (табл. 4). Когерентностьотраженного излучения от неповрежденнойповерхностибольшинства фруктов, овощей и корнеплодовсвыше 30 %, а в зоне механическихповреждений типа сдира, прокола, сетки ит.п. - менее 12 %.

Выявлено, чтокогерентность светорассеяния лазерногопучка от экваториальной зоны плодов грушикоррелирует (r > 0,92) с их твердостью,измеренной с помощью пенетрометра (табл. 5).Эта закономерность использована дляоценки скорости дозаривания плодов груши(рис. 18) и качества плодов яблони последлительного хранения в обыкновенной (ОГС) имодифицированной (МГС) газовой среде(рис. 19). Величина когерентностисветорассеяния от поверхности здоровыхплодов и овощей и динамика восстановленияпоказателей в процессе заживлениямеханических повреждений тесно связаны слежкоспособностью, устойчивостью кболезням и регенерационным потенциаломпокровных тканей (рис. 20).

Таблица 4

Показатель«когерентность светорассеяния»поверхности яблок

сортов Мартовское иАнтоновка Обыкновенная различногокачества

Покровная окраска Состояние мякоти плода Неповрежденный плод Дефекттипа «Сдир кожицы»
Бело-желтая Светлая Побуревшая 0,47 ±0.03 0.44 ± 0.12 0,07 ±0.02 0.08 ± 0.02
Желто-зеленая Светлая Побуревшая 0,48 ±0.04 0.42 ± 0.19 0,08 ±0.02 0.06 ± 0.02
Темно-зеленая Светлая Побуревшая 0,52 ±0.06 0.45 ± 0.13 0,12 ±0.04 0.08 ± 0.02
Светло-красная Светлая Побуревшая 0,48 ±0.04 0.48 ± 0.09 0,10 ±0.03 0.09 ± 0.02
Темно-красная Светлая Побуревшая 0,50 ±0.02 0.47 ± 0.08 0,11 ±0.03 0.12 ± 0.05

Таблица 5

Результатыинструментальных измерений степенизрелости плодов

Типплодов, сорт Незрелые плоды Зрелыеплоды
Когерентность, G, % Твердость,кг/см2 Когерентность, G, % Твердость,кг/см2
Груша: КрасавицаЧерненко Августовская Роса Осеннее Яковлева Январская 16,2 ± 1,7 13,9 ± 0,8 11,8 ± 2,2 14,5 ± 2,8 6,8 ± 0,4 4,6 ± 0,4 4,4 ± 0,4 5,8 ± 0,4 3,83 ± 1,4 3,65 ± 0,7 6,3 ± 0,7 7,2 ± 0,8 1,2 ± 0,34 0,65 ± 0,05 1,5 ± 0,22 1,2 ± 0,35
 Рис. 18.Динамика изменения -28  Рис. 18.Динамика изменения -29
Рис. 18.Динамика изменения когерентностисветорассеяния плодов груши сорта Елена впроцессе дозаривания. Рис. 19. Сравнительнаяоценка когерентностисветорассеяния плодов яблони после 6,5 месяцевхранения в ОГС и МГС.

Разнокачественность нижней и верхнейстороны листа. Как показанона примерезрелых листьев яблони и вишни, величинапрактически всех амплитудно-фазовых идинамических показателей светорассеянияна 30-200 % выше у верхней стороны листьев(табл. 6). Всвязи с этим, с целью увеличениядинамического диапазона варьирования показателей притестировании растений по листовымпластинкам,измерения следуетпроводить от верхнейстороны листа.

 Когерентностьсветорассеяния покровной ткани -30
Рис.20. Когерентностьсветорассеяния покровной ткани плодовцукини до и после механическогоповреждения кожицы. Grun Zucchini – устойчивый сорт, Gelb Zuccini - неустойчивый сорт.

Таблица 6

Характеристическиепоказатели светорассеяниялистьев яблони и вишни с различным

типом микроструктурнойорганизации тканей верхней и нижнейстороны листа

Параметр Яблоня Вишня
Низлиста Верхлиста Низлиста Верхлиста
Iср, усл.ед. 187,23 ± 3,02 119,44 ± 4,66 166,92 ± 2,64 129,22 ± 2,1
G, % 29,15 ± 3,31 83,40 ± 0,67 59,95 ± 2,75 82,51 ± 0,89
Rc, пиксель 3,36 ± 0,152 5,01 ± 0,203 4,41 ± 0,125 5,03 ± 0,098
Kf 0,508 ± 0,024 0,781 ± 0,013 0,438 ± 0,011 0,725 ± 0,015
10 0,216 ± 0,023 0,569 ± 0,034 0,168 ± 0,024 0,448 ± 0,006
30 0,708 ± 0,056 1,464 ± 0,042 0,529 ± 0,025 1,446± 0,040
60 1,156 ± 0,057 1,724 ± 0,022 0,949 ± 0,030 1,535 ± 0,052
Tст, с 73,82± 2,76 63,64± 4,53 90,82± 5,17 89,16± 4,32
Fm,усл.ед. 104,15 ± 1,6 88,34 ± 2,7 108,37 ± 0,6 82,56 ± 1,5
FT, усл.ед. 90,83 ± 3,02 58,72 ± 1,67 100,16 ±1,26 61,93 ± 1,31
Fm/FT 1,153 ± 0,028 1,505 ± 0,020 1,084 ± 0,014 1,337 ± 0,032

Установлено,что лазернаядиагностика, основанная на регистрациикогерентности светорассеяния,имеет существенно бльшую чувствительность,чем методфлуоресценции хлорофилла к изменениям,происходящим в растительной ткани при грибном заражении(рис. 21).Это позволяет использовать разработанноеоборудование в исследованияхразвития грибной инфекции, в том числе на фонедействия химических средств защиты, атакже оптимизировать режимы обработки растений.

На примере однолетнихи многолетних растений показано, чтовирусная инфекцияпроявляется в снижении показателейкогерентности и приведеннойкогерентности (G/I)светорассеяния лазерногопучка в режиме пропускания через зрелыйлист (аутотрофная стадия развития). Данные лазерногометода диагностики хорошо согласуются срезультатами иммунно-ферментного анализа(ИФА).Различия воптических показателях между контрольнымии зараженными растениями достаточны длявыявленияослабленных вирусами образцов уже налатентной стадии патогенеза (рис. 22).

Установлено, что процессы старения и заболеваниехлорозом сопровождаются значительным (болеечем в 2,5 раза) снижением степеникогерентности и радиуса корреляцииотраженного от поверхности листьевлазерного пучка.

Показанацелесообразность использования разработанныхметодов диагностики дляэкспресс-оценки реакции растений на токсичные соединения (соли тяжелых металлов, хлоридноезасоление и т.п.). Наиболеечувствительными являются динамические показателикомбинированного сигнала, описывающиескорость изменения когерентности иинтенсивности светорассеяния в процессенепрерывного зондирования лазерным лучомлистовой пластинки в течение 20-60 с. Так,например, фотосинтетическая активностьлистьев малины, инкубированных трое суток в 10 мМ растворе хлорида никеляснизилась по показателю удельной фотосинтетическойактивности, параметруFv/Fm (флуориметр Unior, Германия) в 1,4раза, а по динамическому показателю t(разработанный приборLPT-3КС) – в 5раз.

 Рис. 21. Оценкафункционального состояния листьев огурцапосле -31 Рис. 21. Оценкафункционального состояния листьев огурцапосле искусственного заражения грибнойинфекцией и химической обработки пофотосинтетической активности Fv/Fm икогерентности светорассеяния G (в относительныхединицах к контролю).  Рис. 22. Приведеннаякогерентность светорассеяния -32 Рис. 22. Приведеннаякогерентность светорассеяния листьевздоровых и инфицированных различнымивирусами растений яблони (сорт Вишневое).ACLSV – вирусхлоротической пятнистости листьев; ASPV– вирусямчатости древесины; ASGV – вирусбороздчатости древесины
Исследования, проведенные намноголетних растениях яблони, мандарина,лимона, чая и однолетних растенияхпоказали, что дефицит микро-или макроэлементного питания, проявляется в измененииприведенной когерентности светорассеяниялистовых пластинок (рис. 23). Параметрыфотоконверсии комбинированного сигналалистьев однолетних растений такжезначительно варьируют (до 240 %) взависимости от способоввнесения питательныхвеществ, что позволяет использоватьсозданные методы и устройства приоптимизации агроприемов с внесениемудобрений.  Рис. 23. Амплитудно-фазовая характеристика(G/I) -33
Рис. 23. Амплитудно-фазовая характеристика(G/I) зондирующеголазерного излучения, рассеянного листовымипластинками чая при различном внекорневомпитании.

Разработанные методылазерной диагностики использованы дляколичественной оценки генетической специфичностирастений и связанных с нейхозяйственно-ценных признаков: скороспелость растений фейхоа;потенциальная устойчивость сортов озимойпшеницы, крыжовника и черной смородины кмучнистой росе (табл. 7); степень плоидностисортов чая и др. Наиболее информативноиспользование распределения показателей вдвумерном пространстве признаков «степенькогерентности – интенсивность светорассеяния»лазерного излучения в режиме отражения отверхней стороны листа.

Таблица 7

Параметрысветорассеяния листьев озимой пшеницы,смородины черной

и крыжовника сразличной полевой устойчивостью кмучнистой росе

Сорта G,% I,усл.ед. 100G/I Полеваяоценка устойчивости к мучнистойросе
Озимая пшеница
BATIS 32,7±0,98 192±9,3 17,3±0,9 Устойчивый
CORTEZ 29,7±0,80 243±11,3 12,4±0,5 Неустойчивый
Смородина черная
ТИТАНИЯ 32,82±0,5 147,2±11,4 23,7±1,3 Высокая
ЗЕЛЕНАЯДЫМКА 25,76±0,4 147,6±6,9 18,8±0,6 Средняя
ПАМЯТЬ МИЧУРИНА 24,2±0,6 150,6±8,8 16,1±0,8 Низкая
Крыжовник
Казачок 34,17±0,9 103,7±18,3 32,95±2,2 Устойчивый
Юбиляр 32,57±0,9 174,8±15,4 18,6±1,6 Неустойчивый

Установлено, чтоингибирующее действие экстремальныхтемператур проявляется в уменьшениипоказателей комбинированного сигналасветорассеяния, а также в гашении мерцанияспеклов. Лазерный метод позволяетпроводить экспресс-диагностикучувствительности растительных организмовк тепловой (или холодовой) нагрузке ивыявлять температуры и длительность ихэкспозиций, приводящие к необратимымповреждениям структуры и функций тканей.

Определениеустойчивости фотосинтезирующих тканейк фотоингибированию и фотодеструкции похарактеристическим параметрамкомбинированного сигналасветорассеяния было проведено приследующих модификациях устойчивостирастений к избыточному свету: генетическаяспецифичность (светолюбивые итенеустойчивые виды), световые условияформирования ФСА листа (100 % и 25 %освещенность относительно экологическойнормы) и ингибирование фотосистемы-2температурой +55оС. Между вариантами опыта полученыдостоверные различия оценок по такимпоказателям, как Kf иТсп, которые хорошо согласуются современем начала выцветания хлорофиллаТфд. (табл. 8).

Таблица 8

Показателиустойчивости к фотоповреждению

Объект Kf,от.ед. t(пр t=30с) Tcп,с Тфд, с
Папоротник (тенелюбивый вид) 0,67±0,09 -0,18±0,04 75±12,5 155±22,8
Актинидия (тенеустойчивый вид) 0,45±0,07 -0,15±0,02 56±8,2 190±30,0
Груша(светолюбивых вид) 0,87±0,04 -0,34±0,06 480±37,5 610±26,5
Береза(светоустойчивый вид) 0,86±0,04 -0,48±0,03 620±29,0 2100±75,4
Смородина черная, световые листья 0,80±0,04 -0,22±0,02 280±18,4 630±19,3
Смородина черная, теневые листья 0,55±0,06 -0,17±0,03 190±22,3 440±24,6
Смородина, ингибирование ФС-2 0,31±0,09 -0,016±0,008 23±6,4 52±16,4

Разработаннеразрушающий оптический метод оперативной, сравнительнойоценки чистой продуктивностифотосинтеза (ЧПФ) растений иизменчивости этого показателя подвлиянием климатических и агротехническихусловий выращивания, поражениявредителями и болезнями. Метод базируетсяна величине расчетного показателяфункционального состояния (ПФС) листьев, которыйопределяется как отношение коэффициентафотоконверсии к коэффициенту пропусканиялиста: ПФС=Kf1/Kпр.Экспериментально доказано, чтокоэффициент корреляции ЧПФ и ПФС не менее 0,89 и чтопоказатель ПФС может быть использован дляоптимизации типа формировки кустовсмородины черной (табл. 9).

Таблица 9

Сравнительная оценкасортов и типов формировок смородины

Название сорта Тип формировки ЧПФ,г/м2сутки Kf1,отн. ед. Kпр, % ПФС100
Маленькийпринц куст 7,29±0,12 0,367±0,020 3,14±0,60 6,66±0,85
шпалера 8,89±0,19 0,439±0,026 2,79±0,46 9,58±0,98
Тамерлан куст 9,79±0,08 0,336±0,030 3,41±0,55 6,42±1,01
шпалера 10,51±0,13 0,493±0,023 3,37±0,60 9,59±0,77
Титания куст 10,60±0,25 0,495±0,022 3,39±0,43 11,16±0,80
шпалера 14,88±0,49 0,612±0,030 2,47±0,38 17,56±1,71

Параметры, описывающиемерцание спеклов, наиболее чувствительны прианализе метаболической активности тканей,не содержащих хлорофилл (корни, семена,луковицы и лепестки цветов, некоторые видыплодов и овощей, непигментированныеучастки тканей пестролистных видоврастений) при их высыхании или последействия критических температур (каквысоких так и низких). Например, по меревысушивания цветка орхидеи, исчезаютвысокочастотные флуктуации интенсивностиспеклов и появляется низкочастотный тренд(рис. 24), что приводит к более чем 2-хкратному снижению коэффициента вариации.

 Рис. 24. Типичные графикиизменения -34  Рис. 24. Типичные графикиизменения интенсивности -35
Рис. 24. Типичные графикиизменения интенсивности спеклов улепестка орхидеи. А - на 1 день срезки цветка(Кvar = 12,6 ± 1,8). Б - на 8 день после срезки(Кvar = 5,3 ± 2,2).

Оценена такжевозможность использования разработанныхметодов и оборудования для исследованияфункционального состояния растений иливодорослей invitro. В связи с необходимостьюпроведения дистанционных измерений черезстекло или пластик и невозможностью точнойфиксации объектов в наибольшей степениподходят критерии, основанные накинетических параметрах изменениякомбинированного сигнала или егофлуоресцентной составляющей. Например, спомощью разработанных методовзарегистрировано достоверное изменениефункционального состояния суспензиихлореллы при снижении рН средыкультивирования под действием аноднойфракции электролиза минерализованногопитательного раствора. Действиеингибитора модифицировало характерфотоконверсии флуоресцентнойкомпоненты комбинированного сигналасветорассеяния (рис. 25), которое не зависитот концентрации клеток.

 Рис. 25.Изменение -36 Рис. 25.Изменение флуоресцентнойкомпонентыкомбинированного сигнала светорассеяния суспензии хлореллы при разных значениях рН.Значения рН на графике сверху вниз: 6,39 (контроль); 2,56;2,31; 2,21; 2,16; 2,13.

Седьмая глава посвящена практическойреализации разработанных методов итехнических средств. На основаниитеоретических расчетов и данныхэкспериментальной оптимизации,подготовлено техническое задание насоздание оборудования комплекснойдиагностики структурно-функциональногосостояния растительных организмов.Принцип конструирования был основан наиспользовании единого оптического тракта«открытого» типа, позволяющейосуществлять количественную оценкувсех обоснованных амплитудно-фазовыхпоказателей светорассеяния растительнойткани и использованиимногофункционального программногообеспечения, реализующего различныеалгоритмы съема и обработки данных. Этопозволяет проводить модификацию и наладкуприборов под конкретные задачи, а такжеосуществлять ремонт и замену узлов.Базовые элементы конструкции включают всебя: оптический узел со встроеннымполупроводниковым лазером,поляризационным интерферометром иэлементами регулировки диаметра иплоскости поляризации пучка; узел питанияи управления током накачки излучателя;узел фотоприемника с интерфейсом связи скомпьютером; узел дистанционногоуправления процессом измерений; узелуправления циклической засветкой;универсальную компьютерную программусбора и обработки данных.

Разработана иизготовлена экспериментальная серияприборов оптической диагностики растенийи плодов полевого и исследовательскогоназначения, в том числе встраиваемые встандартные микроскопы (табл. 10, рис. 26).

Таблица 10

Лазерные приборыкомплексной диагностики растений и плодов

Параметры Модель прибора
LPT-2К(2С) LPT-3КС LPT-4КМ-Ст LPT-5КС
Условияприменения лабораторные и полевые лабораторные и полевые встраиваемые в микроскоп лабораторные и полевые
Режимизмерений пропускание пропускание и отражение
пропускание
пропускание и отражение
Измеряемыепоказатели I;Kf ; t I;Kf ; t; Rc; Кvar(спеклов) G; I; G/I; Kf ; t G; I;G/I; Kf1; t; Rc; Кvar(спеклов)
Размеробъекта, мм, >10 >5 >1 >5
Толщинаобъекта, мм <5 неограничена <5 неограничена
Типпитания. Потребляемая мощность, Вт, неболее по шинеUSB 0,35 по шинеUSB 0,40 по шинеUSB 0,40 по шинеUSB 0,50
Сменныемодули нет есть нет есть
Размерыприбора, мм 4246138 5868120 150250400 7494155
Рабочаятемпература, ° С -5…+50 +5…+40 +15…+30 +5…+40
Вес (без ПК),г 180 450 240 540
Системные требования ккомпьютеру Частота процессора 1 ГГц, 512 МБ ОЗУ,50 МБ свободного места на диске, USB 2.0, WindowsXP\Vista\7
LPT-2К(2С) LPT-4КМ-Ст LPT-5КС
LPT-3К LPT-3КС LPT-3С

Рис. 26.Приборы многопараметрическойдиагностики растений и плодов

Приборы позволяютработать с листьями, различными плодами,побегами, растениями в культуре in vitro без нарушения ихцелостности и стерильности. Расчетнаяинтенсивность отказа оборудованиясоставляет менее 1,5·10-4(1/ч), что обеспечиваетдостаточную вероятность надежной работыприборов в течение 5 летнего срокаэксплуатации. Среднегодовой экономическийэффект внедрения одного приборасоставляет не менее 160 тыс. руб. Срококупаемости только за счет сокращенияэксплуатационных затрат - 1 год.

Результатыисследований используются в научной иучебно-образовательной работе ГНУВНИИГиСПР им. И.В.Мичурина,ГНУ ВНИИС им. И.В.Мичурина (г. Мичуринск), ГНУ ВСТИСП (г. Москва),ГНУ ВНИИЦиСК (г. Сочи), вИнститутесадоводства и овощеводства Рейнскогоуниверситета (г. Бонн, Германия), ФГБОУВПО «Пермская сельскохозяйственная академияимени  академика Д.Н. Прянишникова», РУП «Институтплодоводства Республики Беларусь», ФГБОУ ВПО «МичуринскийПедагогический институт» и ФГБОУ ВПО «Мичуринскийгосударственный аграрныйуниверситет». Приборы иметоды прошли испытания их практическогоприменения в хозяйствах Тамбовской,Белгородской области и Татарстана. Результаты исследованийиспользуются при подготовке научныхкадров; применяются в экологическомпрактикуме учащихся средних школ;оказались востребованы при выполнениигосударственного контракта №ГК7039 «Разработкаметодологии недеструктивного мониторингаи контроля физиологического состоянияплодов с целью создания инновационных иэкологических подходов к максимизациисроков хранения и сохранения качествабиологической продукции» ФГБОУ ВПО МичГАУ;перспективны для оценкифункционального состояния и оптимизацииагротехнологических приемов выращиваниярастенийяблони, смородины, земляники, лимона, чая,цветочных культур, хлореллы, растенийin vitо идр. Отдельные технические решения иметодики используются при разработке иэксплуатации оптико-электронного оборудованияв ЗАО НИЦ «САМТЭС» и ООО «ЭЛМАС»(г. Москва).Результаты исследований и документация переданы дляосвоения мелкосерийного производстваприборов серии LPT в ООО «НТОП «Сатурн-1» и ООО«Современные системы управления» (г. Москва).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1.По результатам анализанаучной и патентной литературы, а такжесобственных исследований разработанаконцепция неразрушающеймногопараметрической диагностикирастений и плодов, основанная наколичественной оценкеструктурно-функционального состояниярастительных организмов поамплитудно-фазовым параметрамсветорассеяния когерентного оптическогоизлучения и динамики ихсветоиндуцированного изменения.

2.Теоретически и экспериментально обоснованспособ количественнойоценки структурныхперестроек растительных тканей по степенипространственной когерентности и радиусукорреляции рассеянного лазерного пучка. Набазе физико-математической моделистационарного случайного фазового экранаопределены необходимые условия наблюденияинтерференционной и спекл-картин в режимепропусканияи отражения когерентного излучения отлистьев и в режимеотражения от целых плодов. Разработана методика калибровкивидеосигнала цифровых 8-ми битовых видеокамер,позволяющая увеличить линейность идинамический диапазон внутрикадровой оцифровки итем самым снизить ошибку при оценкеконтраста интерференционной картины приразличных уровнях входного сигнала. Прирасчете контраста интерференционныхполос эффективная фильтрациявысокочастотного шума осуществляется методом«скользящего среднего» с шириной окна от0,03 до 0,12 от периода интерференционной картины.

3. Показано, что при оптическихизмерениях живых фотосинтезирующихорганизмов на длинах волн, соответствующихмаксимальному поглощению хлорофилла,рассеянное излучение представляет собойкомбинированный сигнал, состоящий из двухкомпонент: люминесцентного и рэлеевского,имеющих соизмеримые интенсивности исущественно разную статистическуюупорядоченность. Установлено, чтозависимость интенсивностикомбинированного сигнала от длительностизасветки представляет собой многофазнуюкривую, отражающую процессы медленнойиндукции флуоресценции (МИФХ) ифотодеструкции хлорофилла (ФДХ). Выявлены основные закономерности светоиндуцированного изменениякомбинированного сигнала и егокомпонент от спектрального состава, плотностимощности зондирующего излучения, продолжительностивоздействияи функциональнойактивности фотосинтезирующегоаппарата. Для комплексной экспресс-диагностики хлорофиллсодержащих тканей поих фотосинтетической активности иустойчивости к фотоокислению обоснованоиспользование кинетикифотоконверсии комбинированногосигнала светорассеяния в течение 15…60секунд непрерывной засветкимонохроматическим излучением красной илисиней областей спектра.

4. Предложен способколичественной недеструктивной оценкиметаболической активности растительныхклеток и субклеточных структур повариабельности амплитудно-фазовых параметроврассеянного лазерного пучка. Определеныоптимальные условия измерений в пределахдетерминированной интерференционнойкартины, задаваемой поляризационныминтерферометром и алгоритмы обработкисигнала, обеспечивающие режимэкспресс-диагностики, для чего достаточноосуществить несколько десятковотсчетов интенсивности спекл-картины втечение 3-8 секунд с зоной интегрирования 1,5…2среднего диаметра спеклов внутриинтерференционного максимума. Обоснованколичественный критерий метаболическойактивности растительных тканей покоэффициенту вариацииинтенсивности мерцания спеклов.

5. Теоретически и экспериментально обоснованы параметрыоптико-электронногооборудования комплексной диагностикирастений и плодов: длина волнызондирующего излучения – 450…470 нм и 630…660 нм, ширинаспектра   2,0 нм, нижний порог выходноймощности излучателя 0,5 мВт,верхний –30 мВт;угловой размер лазерного пучка от 0,02 до 0,06радиан; разность хода поляризационного интерферометра 50…85мкм, угол рассогласования междуанализатором и поляризатором – менее ± 5о; фотоэлектронный преобразователь– матричный,со спектральной чувствительностью, присущей кремниевымдатчикам; рабочее полематрицыдолжно вмещать от 1,5 до 2,5 периодовинтерференционной картины; оптимальная плотностьмощности для оценки фотосинтетическойактивности в синей области спектра 800 Вт/м2; в красной областиспектра: 600 Вт/м2 – для оценки фотосинтетической активности иметаболической подвижности и3000 Вт/м2– для оценкиустойчивости к фотодеструкции. Прирасчете динамических параметровкомбинированного сигнала светорассеянияследует использовать степеннуюаппроксимация вида Y = At; дляэкспресс-оценки восстановленияфотосинтетического аппарата послефотоингибирования – циклическую засветку одной и тойже точки листа красным светом с плотностьюмощности 800 Вт/м2 по схеме: 15 секундзасветки первого измерения, 30...60 секунд темноваяпауза и 15 секунд засветкивторого измерения.

6. Теоретически иэкспериментально обоснованы следующиебазовые количественные показателиструктурно-функционального состояниярастительной ткани, рассчитанные порезультатам измерения амплитудно-фазовыхпараметров светорассеяния и динамикифотоконверсии:

G, % – степеньпространственнойкогерентности светорассеяния. Определяется поконтрасту полос детерминированнойинтерференционной картиныполяризационного интерферометра. Типоваявеличина степени когерентностиотраженного от растительныхорганизмов лазерногопучка лежит в диапазоне от 4% до 60 % с нормой в области от 30 % до 60 %для здоровых листьев и плодовбольшинства исследованных видовсельскохозяйственных растений. Величина Gзависит от числа, размеров ипространственного распределения фазовыхнеоднородностей (зернакрахмала, межклеточные стенки, воздушныемежклеточные и внутриклеточные полости), а также долилюминесцентного компонента вкомбинированном сигнале. Данный показатель наиболеечувствителен к микроструктурным перестройкам,вызванных вирусной и грибной инфекцией,механическими повреждениями ткани и ихзаживлением, процессами созревания плодов, роста,старения растений и т.п. Существуетсортовая и видовая специфика величины Gсветорассеяния листьев и плодов.

I, усл. ед. – средняяинтенсивность светорассеяния.Определяется как усредненнаяинтенсивность всей интерференционнойкартины в первые секунды засветки. Этотпоказатель коррелирует соптической плотностью исследуемогорастительного объекта, уфотосинтезирующих органов – с концентрациейфотосинтезирующих пигментов. При егоиспользовании для оценки абсолютногосодержания хлорофиллов или другихпигментовнеобходима калибровка приборапод конкретный вид растительногоорганизма; для относительных оценок–достаточно фиксации определенного режимаработы.

Kf,отн. ед. –коэффициент фотоконверсиикомбинированного сигнала светорассеяния. Определяетсякак относительная амплитуда изменениясредней интенсивности светорассеяния втечение определённого времени засветки.При зондирующем излучении синей областиспектра (450 нм…470 нм) - идентичен удельной фотосинтетическойактивности фотосинтезирующего аппарата,рассчитываемой по кривой медленнойиндукциифлуоресценции хлорофилла. Призондирующем излучении красной областиспектра (630 нм…660 нм) – коррелирует как сактивностью фотосинтеза, так и устойчивостью кфотодеструкции. Для ряда плодовых иягодных культур определены диапазоны величинпоказателя, определяющиеуровень функциональной активности фотосинтезирующего аппарата прииспользовании излучения синей (красной)области спектра соответственно:высокая– более0,65 отн. ед.(0,48 отн. ед.);средняя – 0,4…0,65 отн. ед.(0,25…0,48 отн. ед.); низкая – менее 0,4отн. ед. (0,25отн. ед.).

t, усл. ед. – динамический показатель илискорость фотоконверсии комбинированного сигналасветорассеяния. Определяется какпоказатель степенной функции Y = I·t кривой, описывающейсветоиндуцированное изменение среднейинтенсивности светорассеяния в течениеопределённого времени засветки. Призондирующем излучении синей области спектра(450 нм…470 нм)идентичен скорости тушения флуоресценции,рассчитываемой по кривой медленнойиндукции флуоресценции хлорофилла. Призондирующем излучении красной областиспектра (630 нм…660 нм) – коррелирует каксо скоростью тушения флуоресценции, так и сдинамикой фотодеструкции хлорофилла. Отражаетадаптивные возможности хлоропластов кизменению световых условий. В значительнойстепени зависит от редокс-потенциала, устойчивостихлорофилл-белкового комплекса и компетентностиантиоксидантных механизмов. Реагирует насамые ранние отклонения в работефотосинтетического аппарата и имеетсущественно большую чувствительность,чем Kf..Для большинства фотосинтезирующих растительныхорганизмов с высокой активностьюфотосинтезирующего аппарата величинаt, лежит в диапазонеот минус 0,8 до минус 2,4усл. ед.Смена знака показателя на положительныйсвидетельствует о необратимыхфотоокислительных процессах. Оба показателя: Kf и t  –перспективны для оценки функциональногосостоянияфотосинтезирующих органов растений подвлиянием климатических факторов, средствзащиты растений, микро и макроэлементногопитания, токсичных веществ, ультрафиолетовогоизлучения и т.п.

Кvar(Is), %.–коэффициент вариации интенсивностиспеклов. Вычисляется при статистическойобработке временного ряда данныхрегистрации интенсивности определенной зонынедетерминированной спекл-картинывнутри максимума детерминированнойинтерференционной картины. Связан стакими показателямиметаболической активности, как движение цитоплазмы,транспортные процессы, раскрытие-закрытиеустьиц и т.п.Предназначен для количественной оценкифункционального состояния нефотосинтезирующих тканейи органов (корни, одревесневшие побеги,семена, луковицы цветов и т.п.), в то же времяможет использоваться и для анализафотосинтезирующих растительных тканей, нос учетом влияния индукциифлуоресценции. Наибольшая чувствительность откликапоказателя зарегистрирована при высыхании растительной ткани,повреждении низкими или высокимитемпературами.

7.Экспериментальными испытаниямиустановлена высокая эффективность использованияметодов и приборов комплексной лазернойдиагностики для решения широкого кругаисследовательских и прикладных задач:оценка устойчивости к различнымнеблагоприятным факторам (дефицит питания,хлороз, избыточная освещенность, высокиеи низкие температуры, вирусная инфекция,грибные болезни, окислительный стресс,токсичные вещества); определениеэффективности средств защиты растений;оптимизация микро- и макроэлементного питания;контроль качества и зрелости плодов; оценкагенетической специфичности и связанных сней хозяйственно-ценных признаков;исследования процессов развития, старенияи регенерации растительных тканей. Порезультатам исследований разработаныновые методы и средстваструктурно-функциональной диагностикирастительных организмов, которые посравнению с известным оптическимоборудованием аналогичного класса(хлорофилл-флуорометры, портативныеспектрометры, системы технического зрения)позволяют получить дополнительнуюинформацию о структурных перестройках иметаболической активности клеток,увеличить чувствительность измерений идостоверность различий на ранних стадияхразвития патологии, дают возможность работать сразличными органами и тканями растений, втом числе и не содержащих фотосинтезирующиепигменты. При этом все измеренияпроходят в рамках единой оптической схемы,за один измерительный цикл в режиме реальноговремени.

8. Разработаны и внедрены внаучно-исследовательские институты,учебно-образовательные организации,агропромышленные и научно-техническиепредприятияметоды и компьютеризированныеоптико-электронные приборы комплекснойдиагностикирастительных организмов, данырекомендации производству. Дляосвоения мелкосерийного производства подготовлено несколько моделей прибора,предназначенных для учебно-демонстрационныхцелей, работы в полевых условиях, вхранилищах и лабораторно-исследовательскогоназначения, в том числе встраиваемые воптический тракт микроскопов.Технико-экономическими расчетами показанывысокая надежность и эффективностьиспользования нового оборудования, срококупаемости котороготолько за счет сокращенияэксплуатационных затрат не превышаетодногогода.

Основное содержаниедиссертации изложено в следующихпубликациях

  1. 1. Будаговская,О.Н. Оптическаядефектоскопия плодов. – Тамбов:Пролетарский светоч, 2009. – 277 с.
  2. 2. Будаговская,О.Н. Лазерная диагностикарастений / О.Н. Будаговская, А.В. Будаговский,И.А.Будаговский – Мичуринск: Издательский Дом«Мичуринск», 2010. – 60 с.
  3. 3.Будаговский, А.В. Лазерная техника итехнологии в растениеводстве.Научно-информационное издание / А.В.Будаговский, О.Н.Будаговская. – Тамбов, 2011. – 38 с.
  4. В изданиях,предусмотренных перечнем ВАК
  5. 4.Патент РФ № 2016671 МКИ5 В07С5/342. Способ определениякачества плодов и устройство для егоосуществления / БудаговскаяО.Н., Будаговский А.В. – Заявка № 490704313 от31.01.91. - Зарег. в Госреестре изобретений РФ30.07.94 - 7 с.
  6. 5.Патент РФ № 2113707 МКИ5 G01N21/27, В07 5/342. Прибордля измерения механический повреждений на плодах /Будаговская О.Н., Гончаров С.А, Горшенин В.И., ЛаршинЮ.П. - Заявка № 97102921/13 от 25.02.97.- Опубл. 20.06.98,Бюл. № 17.
  7. 6. Патент РФ№ 2222177 МПК7А01G 1/00, A 01H 1/04. Способ оценки скороспелостирастений фейхоа /БудаговскаяО.Н., Будаговский А.В., ОгиенкоН.Г. - Заявка № 2001129543/12 от 01.11.2000. - Опубл. 27.01.2004, Бюл. № 3.
  8. 7. Патент РФ №2225691 МПК7А01G1/00, A01H1/04. Способ диагностики потребностирастений в микроэлементном питании /Будаговская О.Н., Будаговский А.В., Притула З.В.,Белоус О.Г., Абильфазова Ю.С. – Заявка № 2002108804/12от 05.04.2002. - Опубл. 20.03.2004, Бюл.№ 8.
  9. 8. Патент РФ № 2342825 МПК7 А01G 7/00. Неразрушающий способ функциональнойдиагностики растений /Будаговский А.В., Будаговская О.Н.,Будаговский И.А. – Заявка № 2007104756/12от 07.02.2007. - Опубл. 10.01.2009,Бюл. № 1.

9. Патент РФ № 2352104 МПК7 А01G7/00. Способ оценкифотосинтетической активности растительныхорганизмов /Будаговская О.Н., Будаговский А.В., Будаговский И.А. - Заявка№ 2007121425/12 от 07.06.2007. - Опубл.20.04.2009, Бюл. № 11.

  1. 10. Патент РФ № 2360402МПК7 А01G7/00.Способ оценки реакции растений натоксические вещества / Будаговский А.В., Будаговская О.Н.,Соловых Н.В., ШорниковД.Г. – Заявка № 2007139421/12от 23.10.2007. - Опубл. 10.07.2009,Бюл. № 19.
  2. 11. Патент РФ № 2364077Оптический способ оценкиустойчивости растений к фотоингибированию ифотодеструкции / БудаговскаяО.Н., Будаговский А.В.,БудаговскийИ.А. - Заявка № 2007135704/12 от26.09.2007. - Опубл. 20.08.2009,Бюл. № 23.
  3. 12. Патент РФ № 2384045МПК7 А01G7/00.Способ оценки реакции растений яблони налатентную вирусную инфекцию / Будаговская О.Н.,Семина Н.П., Гончаров С.А. - Заявка № 2008115264/12от 17 апреля 2008 г. – Опубл. 20.03.2010. Бюл.8.

13. Патент РФ №2448454 Оптический способоценки чистой продуктивности фотосинтеза листьевсмородины черной /Будаговская О.Н. ,Будаговский А.В., ЖидехинаТ.В. , Родюкова О.С. . - Заявка № 20100126711 от 29.06.2010. – Опубл.10.01.2012.– Бюл. № 1.

14. Патент РФ № 2453106 Неразрушающийоптический способ оценки зрелости плодов/Будаговская О.Н., Будаговский А.В., Ильинский А.С., идр. - Заявка № 2010129128/12 (041328).– Зарегистрир.13.07.2010 –Опубл. 20.06.2012. – Бюл. № 17.

  1. 15. Будаговская,О.Н. Использование фазовыххарактеристик света для оценкикачественного состояния покровных тканейплодов / О.Н. Будаговская //Достижения наукии техники АПК. – 1994. - № 3. - С.40-41.
  2. 16.Бородин, И.Ф. Лазернаядиагностика состояния поверхностиплодоовощной продукции / И.Ф. Бородин, О.Н. Будаговская//Доклады РАСХН. – 1995. - № 2. - С. 44-47.
  3. 17. Будаговская,О.Н. Анализ качестваповерхности плодов методами фазовойоптики / О.Н.Будаговская // Техника всельском хозяйстве. – 1997. - №2. - С. 12-16.
  4. 18. Будаговская, О.Н.Неразрушающий методструктурно-функциональной диагностики растительных тканей /О.Н.Будаговская //Достижениянауки и техники АПК. - 2000, № 7. - С. 8-9.
  5. 19.Будаговская, О.Н. Лазернаядиагностика вирусных заболеваний яблони /О.Н. Будаговская, Н.П. Семина //Плодоводство и ягодоводство России:сборник научных трудов /ГНУ ВСТИСП. – М., 2004. - Т. XI. - С.354-360.
  6. 20. Будаговская,О.Н. Устройство синхронноговвода видео- и внешнего аналоговогосигнала в э.в.м. / О.Н. Будаговская,И.А. Будаговский // Приборы и техникаэксперимента. – 2004. - № 5. - С. 69-71.
  7. 21. Будаговская,О.Н. Лазерная диагностикарастений / О.Н. Будаговская // Механизация иэлектрификация сельскохозяйственногопроизводства. – 2004. - № 9. - С. 24-26.
  8. 22.Будаговская, О.Н.Автоматизированная система контроляструктурных перестроек растительныхтканей / О.Н. Будаговская., А.В.Будаговский,И.А.Будаговский // Приборы и техникаэксперимента. – 2007. - №1. –С.161-162.
  9. 23. Будаговский, А.В.Оценка действия экстремальных температурметодом лазерного анализа микроструктурырастительных тканей /А.В. Будаговский,О.Н. Будаговская, Ф. Ленц //Вестник РАСХН. - 2008. - №1– C. 69-72
  10. 24. Бородин, И.Ф.Применение эффекта фотоиндуцированнойизменчивости оптических свойствхлорофиллсодержащих тканей длядиагностики функционального состояниярастений / И.Ф. Бородин, А.В. Будаговский,О.Н. Будаговская, И.А. Будаговский, Ю.А. Судник //Доклады РАСХН. – 2008. - № 5. – С. 62-65.
  11. 25. Будаговский, А.В.Новый подход к проблеме функциональнойдиагностики растений /А.В. Будаговский,О.Н. Будаговская, Ф. Ленц //Аграрная наука. – 2009. - № 9. - С. 19-21.
  12. 26. Соловых, Н.В. Биотехнологические ибиофизические методы оценкисолеустойчивости земляники /Н.В. Соловых,А.В. Будаговский, О.Н. Будаговская //Вестник РАСХН. – 2009. - № 1. – С. 53-55.
  13. 27.Будаговская, О.Н.Оптико-электронный прибор дляколичественной оценки микроструктурырастительной ткани / О.Н. Будаговская.,А.В. Будаговский // Вестник МичГАУ. –Мичуринск-наукоград, 2009. - № 1. – С. 82-85.
  14. 28.Будаговская, О.Н. Лазернаядиагностика латентной вирусной инфекциияблони / О.Н.Будаговская., Н.П. Семина //Аграрная наука.- 2010. – № 10. –С. 23-24.
  15. 29.Будаговская, О.Н.Исследование процесса искусственнойускоренной фотодеструкциифотосинтезирующего аппарата растений / О.Н.Будаговская, И.Ф. Бородин // Доклады РАСХН.– 2011. - № 1.– С. 20-24.
  16. 30.Будаговская, О.Н. Портативный лазерный прибор дляоценки устойчивости растений кфотоингибированию и фотодеструкции/О.Н. Будаговская, А.В. Будаговский,И.А. Будаговский, С.А. Гончаров // Приборы итехника эксперимента. – 2011. – № 1. – С. 163-164.
  17. 31.Будаговская, О.Н. Новые оптические методы и приборыколичественной оценки адаптивногопотенциала садовых растений /О.Н. Будаговская//Плодоводство и ягодоводство России: сб.науч. тр. /ГНУ ВСТИСП. – М., 2011. – Том 27, Часть 1.–С. 74-79.
  18. 32. Будаговский, А.В.Экспресс-диагностика действия токсичныхсоединений на фотосинтетическуюактивность садовых культур/А.В. Будаговский, Н.В. Соловых, О.Н. Будаговская,Ф. Ленц, Д.М. Шорников, М.Ю. Пимкин,М.Л. Дубровский // Плодоводство иягодоводство России: сб. науч. тр. ВСТИСП– М., 2011.– Том 27, Часть1. –С. 80-87.
  19. 33.Будаговская, О.Н. Оптические методы диагностикизрелости и качества плодоовощнойпродукции /О.Н. Будаговская // ВестникМичГАУ. - Мичуринск-наукоград, 2011. – Ч. 2, Т. 2. – С. 84-93.
  20. 34.Будаговская, О.Н. Новыйподход в решении проблемы недеструктивнойоценки твердости плодов /О.Н. Будаговская, А.В. Будаговский,И.А. Будаговский, С.А. Гончаров А.С. Ильинский, Р.Д. Исаев,А.В. Кружков, Д.Г. Шоринков//Вестник МичГАУ. - Мичуринск-наукоград, 2011.– Часть 2, Том2. – С. 62-66.
  21. 35. Матушкина, О.В.Проблема витрификации побегов примикроразмножении плодовых растений /О.В. Матушкина, И.Н. Пронина, О.Н. Будаговская //Аграрная наука. - 2011. - № 7.– С. 23-25.
  22. 36.Будаговская, О.Н. Неразрушающая диагностикафункционального состояния плодов впослеуборочный период/О.Н. Будаговская, А.В. Будаговский,И.А. Будаговский //Плодоводство и ягодоводство России: сб.науч. тр. /ГНУ ВСТИСП. - Москва, 2012. – Т.33. – С.43-52.

37. Жидехина, Т.В. Оптический методсравнительной оценки чистойпродуктивности фотосинтеза листьев усмородины/ Т.В. Жидехина, О.Н. Будаговская //Плодоводство и ягодоводство России: сб.науч. тр. /ГНУ ВСТИСП. - М., 2012. – Т. 33. – С. 161-168.

38.Будаговский, А.В. Влияние концентрациикислорода на состояние фотосинтезирующегоаппарата яблок в период хранения/ А.В. Будаговский, О.Н. Будаговская,И.А. Будаговский, А.С. Ильинский, С.Б. Карпов,В.Ю. Пугачев // Вестник МичГау –Мичуринск-наукоград, 2012. - № 1. – Ч. 1. – С. 193-197.

39. Будаговский, А.В. Реакциярастительных организмов на лазерноеоблучение различного спектрального состава/А.В. Будаговский, Н.В.Соловых, О.Н. Будаговская,И.А. Будаговский, A. Michenko, M. Hermander // Доклады РАСХН. – 2012. - № 5. – С. 21-24.

Публикации вмеждународных изданиях:

  1. 40. Budagovskii, A. Low-intensity laser radiation is means for qualityretention and assessment of agricultural produce / A. Budagovskii, O. Budagovskaja, G. Gudi, A. Ilinski//Agri-food quality –95. Interdisciplinary opportunities and objectives for the year 2000 andbeyond: Internаtional conference abstracts. - Norwich, UK, 1995. – Р. 245.
  2. 41. Budagovski, A. Application ofCoherent Laser Radiation for Detection of Plant Surface State and its Genotipe/ A. Boudagovski, O. Boudagovskaja, A. Ilinski, N. Savelev // Abstractbook of 12th InternationalCongress on Photobiology. Vienna, September 1-6, 1996. - Vienna, Austria, 1996.- P.250.
  3. 42. Boudagovskaja, О. Fruit andvegetables quality detection method based on the model of scattering ofcoherent radiation in biological tissues / О. Boudagovskaja, A. Boudagovski,A. Ilinski //Food quality modeling. - Leuven, Belgium, 1997. - P.33.

43. Boudagovskaja, O. Structure-functional relations of biological systems can berevealed by statistics of scattered coherent radiation / O. Boudagovskaja,A. Boudagovsky // Non-equilibrium and coherent systems in biology, biophysicsand biotechnology: Abstractbook of 2nd International Alexander Gurwitsch Conference. Moscow, September6-10. 1999. - Moscow, 1999. - P. 6.

  1. 44. Budagovsky, A.V. Application oflaser irradiation for the estimation of functional state and the resistance tobiotic and abiotic stresses in horticultural plants / A.V. Budagovsky,O.N. Budagovskaya, S.A.Goncharov, Yu.G. Belyachenko, F. Lenz, B. Oertel // Eucarpia Fruit Breeding SectionNewsletter, 2001. - № 5. – С.31-32.
  2. 45. Budagovsky, A. Analysis of the Functional State of CultivatedPlants by means of Interference of Scattered Light and Chlorophyll Fluorescence /A. Budagovsky, O. Budagovskaya, F. Lenz, A. Keutgen, K. Alkayed //Journal of AppliedBotany. - 2002, V. 76. - Р. 115 - 120.
  3. 46. Budagovsky, A. Biological structure as a converter of coherentradiation / A. Budagovsky, O. Budagovskaya, I. Budagovsky//Biophotonics and Coherent Systems in Biology: Proceedings of the 3th GurwischConference. – N.Y.:Springer, 2006. –Р. 47-64.
  4. 47. Budagovskay, O.N. LaserDiagnostics Top Fruit Plants /O.N. Budagovskay, A.V. Budagovsky //Mezinarodni Konference o perspektivach pestovani ovocnych Druhu v Evrope:International Conference in European Fruit Growing: Proceedings. – Lednice/ Czech Republic October18-20.2006. - Lednice, 2006. – P.280.
  5. 48. Budagovsky, A.V. The effect ofphotoinduced changes in plant tissues optic properties / A.V. Budagovsky,O. N.Budagovskaya,I.A. Budagovsky// International conference on laser application in lifesciences: LALS 2007. –11-14 June 2007. – Moscow, 2007. – P. 30, Tul 02P2.
  6. 49. Michenko, A. Lazer diagnostics offruits in storage / A. Michenko, M. Hermander, O.N.Budagovskaya // Computing science and automaticcontrol: 9th International conference, Mexico, September 26-28, 2012.– IEEE catalog number:CFP12827-CDR. –P. 198 - 200.

50. Michenko, A. Non destructive assessment of the maturity offruits / A. Michenko, O.N. Budagovskaya // Articilo aceptado por referero XIII congreso nacional deingenieria electromecanica y de sistemas (XIII CNIES). – Mexico, 2012. – P.1-3.



 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.