DD300049A7

DD300049A7 - Verfahren zur erfassung und auswertung von lichtinduzierten veraenderungen der chlorophyllfloureszenz

Info

Publication number: DD300049A7
Application number: DD31610488A
Authority: DD
Inventors: Mathias Senoner; Bernhard Hoier; Uwe Thierbach
Original assignee: Humboldt-Universitaet Zu Berlin Sektion Physik,De
Priority date: 1988-05-26
Filing date: 1988-05-26
Publication date: 1992-05-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung und Auswertung von lichtinduzierten Veraenderungen der Chlorophyllfluoreszenz. Die Erfindung bezweckt hierzu die Bereitstellung eines wirtschaftlichen und objektiven Verfahrens, welches unter Feldbedingungen ohne die Zerstoerung des zu untersuchenden pflanzlichen Materials eine reproduzierbare Bewertung des physiologischen Zustandes einer Pflanze mittels eines einzigen Geraetes innerhalb einer kurzen Zeit gestattet. Als Loesung ist nunmehr vorgesehen, dasz durch eine elektronische Steuerung ein Zyklus mit definierter Vorbelichtung und definierter Dunkelpause mit sich anschlieszender Erfassung und Verarbeitung zweier Kennwerte der ermittelten Induktionskurve durchgefuehrt wird und der Quotient aus den beiden Kennwerten die Aussage ueber den physiologischen Zustand der untersuchten Pflanze liefert. Fig. 1{Chlorophyllfluoreszenz; Induktionskurvenmessung; photosynthetische Aktivitaet}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung und Auswertung von lichtinduzierten Veränderungen der Chlorophyllfluoreszenz lebender Pflanzen, welches sowohl im Rahmen wissenschaftlicher Untersuchungen als auch im Bereich der Land- und Forstwirtschaft zur Charakterisierung des physiologischen Zustandes von Pflanzen genutzt werden kann.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Der physiologische Zustand von Pflanzen wird bestimmt durch ihren Entwicklungsstand, Krankheiten, natürlichen (Hitze, Trockenheit) und anthropogenen (Luftschadstoffe) Stress sowie andere Faktoren. Die Untersuchung des Einflusses dieser Faktorun und der Nachweis von Pflanzenschädigungen wird zur Zeit in erster Linie mit biochemischen Methoden durchgeführt. Diese Methoden erfordern eine chemische Aufarbeitung und damit Zerstörung des pflanzlichen Materials. Dies ist mit dem Verlust wertvollen Pflanzenmaterials verbunden (z. B. bei der Züchtung neuer Sorten) und erlaubt es nicht, den zeitlichen Verlauf des physiologischen Zustandes an einer Pflanze zu verfolgen. Aus diesem Grunde besitzen zerstörungsfreie Meßmethoden, dies sind neben Messungen des <~ aswechsels vor allem optische Methoden, eine zunehmende Bedeutung für die Untertuchung von Pflanzen. Dies gilt im besonderen für die Messung der Chlorophyllfluoreszenz, da sie hervorragend geeignet ist, Schädigungen des Photosyntheseapparates nachzuweisen. Die Messung von lichtinduzierten Veränderungen der Chlorophyllfluoreszenz (Induktionskurve) ist heute eine weit verbreitete Methode in pflanzenphysiologischen Laboro. Dabei wird die Induktionskurve aufgezeichnet und anschließend ausgewertet. Um diese Methode auch unter Feldbedingungen einzusetzen, wurde ein tragbares Fluorometer (US-PS 4084905) entwickelt. Beim Einsatz dieses Gerätes muß neben dem eigentlichen Fluorometer noch ein weiteres Gerät zur Speicherung der Induktionskurve (Speicheroszilloskop oder x-t-Schreiber) eingesetzt werden. Dies ist ein wesentlicher Nachteil, da beide Geräte nicht von einer Person getragen werden können. Darüber hinaus muß nach der eigentlichen Messung noch eine Auswertung oder zumindest Bewertung der Induktionskurve vorgenommen werden. Dar zeitliche Aufwand für eine Messung wird neben der eigentlichen Messung vor allem durch die zwischen dem Ejnspannen des Blattes und dem Beginn der Messung gelegenen Zeit für die Dunkeladaptation des Blattes (5 bis 10 Minuten) bestimmt. Daher sind mit diesem Gerät maximal 10 Messungen pro Stunde durchführbar.

Eine andere Methode zur Untersuchung des physiologischen Zustandes von Pflanzen basiert auf der Messung von blitzlampenangeregten Impulsen der Chlorophyllfluoreszenz vor und nach einer Vergiftung der Pflanze mit dem Herbizid DCMU (DE-PS 2938056). Dieses Meßverfahren weist mehrere Nachteile auf. Grundsätzlich kann nicht an ganzen höheren Pflanzen gemessen werden, sondern es muß an abgetrennten Blättern oder Stanzscheiben aus Blättern gemessen werden. Somit wird bei jeder Messung Pflanzenmaterial vernichtet und es ist nicht möglich den zeitlichen Verlauf einer Schädigung an ein und dem selben Blatt zu verfolgen. Darüber hinaus ist dieses Meßverfahren relativ zeitaufwendig, da vor der ersten Messung eine Dunkelzeit (laut Gerriiebeschreibung 10 min) und vor der zweiten Messung eine Zeit für das Eindringen des Herbizids einzuhalten ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines wirtschaftlichen und objektiven Verfahrens zur Erfassung und Auswertung von lichtinduzierten Veränderungen der Chlorophyllfluoreszenz.

-2- 300 049 Darlegung dee Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde oin Verfahren zur Erfassung und Auswar ung von lichtinduzierten Veränderungen der Chlorophyllfluoreszenz zu schaffen, welches unter Feldbedingungen ohne die Zerstörung des zu untersuchenden pflanzlichen Materials eine reproduzierbare Bewertung des physiologischen Zustandes einer Pflanze mittels eines einzigen Gerätes innerhalb

eines kurzen Zyklus gestattet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß durch eine elektronische Steuerung ein Zyklus mit definierter Vorbelichtung und definierter Dunkelpause mit sich anschließender Erfassung und Verarbeitung zweier Kennwerte der

liiduktionskurve durchgeführt wird. Hierdurch wird erstmals als Ausgangspunkt für die Messung einer Induktionskurve nicht derdunkeladaptierte Zustand der Pflanze sondern ein durch Vorbelichtung und kurze Dunkelpause definierter Zwischenzustandgenutzt.

Vorteilhafterweise besteht die elektronische Erfassung und Verarbeitung dt, Kennwerte darin, daß diese gespeichert werden,

der Quotient dieser Werte berechnet und digital ausgegeben wird. Dies gestattet eine signifikante Information über die Form der

Induktionskurve mittels einer einzigen Zahl auszugeben. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden als elektronisch gespeicherte Kennwerte Maximum und Minimum der Induktionskurve genutzt. In diesem Zusammenhang ist es aber auch möglich, daß als elektronisch gespeicherte Kennwerte Werte der Induktionskurve zu

bestimmten festen Zeiten nach Beginn der Belichtung genutzt werden.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend in einem Ausführungsboispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: eine Darstellung einer typischen Induktionskurve der Chlorophyllfluoreszenz Fig. 2: ein Blockschaltbild der elektronischen Steuerung.

Um definierte Auspangsbodingungen für die Messung der Induktionskurve zu schaffen wird das zu untersuchende pflanzliche Objekt zunächst einer kurzen Vorbalichtung von beispielsweise 10 Sekunden und einer anschließenden Dunkelpause von beispielsweise 60 Sekunden unterzogen. Die dann gemessene Induktionskurve unterscheidet sich etwas von der üblicherweise nach 5 bis 10min Dunkolpajse gemessenen Induktionskurve. Da aber der Form der Induktionskurve ohnehin keine absolute Bedeutung zukommt, sondern die Informationen über das untersuchte Objekt durch Vergleich von Induktionskurven gewonnen werden, spielt der oben genannte Unterschied keine Rolle. Durch die Einführung von Vorbelichtung und kurzer Dunktlpause wird die Zeit vcr dor eigentlichen Messung gegenüber der bisher üblichen Methode mindestens um den Faktor 5 verkürzt. ,Mach Vorbalichtung und Dunkelpause erfolgt während einer zweiten Belichtung die Messung der Induktionskurve. Dabei wird mit einem photoelektrischen Empfänger die Chlorophyllfluoreszenz in eine dieser Größe proportionale elektrische Spannung verwandelt. Aus dem zeitlichen Verlauf dieser Spannung werden dann zwei Kennwerte gespeichert. Diese Kennwerte sind entweder das Maximum und das Minimum der Spannung oder zwei andere, zu bestimmten festen Zeiten nach dem Beginn der zweiten Belichtung gemessene, Spannungswerte (Fig. 1). Aus den beiden gespeicherten Kennwerten wird elektronisch der Quotient berechnet und digital ausgegeben. Damit wird aus der Gesamtmenge der Informationen, die in der Induktionskurve enthalten sind, nur ein charakteristischer Wert ausgewählt und angezeigt. Der Sinn der Quotientenbildung besteht darin, daß dadurch nur die Form der Induktionskurve und nicht deren absolute Größe erfaßt wird, denn die Form der Induktionskurve wird durch den physiologischen Zustand der Pflanze bestimmt, wohingegen die absolute Größe der Chlorophyllfluoreszenz durch die in diesem Zusammenhang nicht interessierenden Parameter Blattdicke und Chlorophyllkonzentration wesentlich beeinflußt wird.

Das beschriebene Verfahren kann mit Hilfe der folgenden konkreten Realisierung durchgeführt worden. Ausgehend von der manuellen Betätigung eines Bedienolementes 1 steuert ein Einchipmikrorechner 2 nach der Vorschrift des im · Mikrorechnerspeicher 3 enthaltenen Programmes das Verfahren (Fig. 2). Dabei werden folgende Verfahrensschritte programmiert abgearbeitet:

Mittels einer Lichtquelle 4 wird das zu untersuchende Objekt 5 einer kurzen Vorbelichtung von beispielsweise 10s unterzogen. Nach einer Dunkelpause von beispielsweise 60s, nach der definierte Ausgangsbedingungen für die Messung der Induktionskurve vorliegen, wird während einer weiteren Belichtung des Objektes 5 die Chlorophyllfluoreszenz angeregt, von einem Lichtempfänger 6 registriert und mit Hilfe eines Vorverstärkers 7 in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal umgeformt. Der Einchipmikrorechner 2 mißt mittels einer Abtast-Halte-Schaltung 8 und eines Analog-Digital-Umsetzers 9 die notwendigen Kennwerte, berechnet das Endergebnis und stellt es auf einer Digitalanzeige 10 dar. Die gesamte Einrichtung wird aus einer Stromversorgung 11 mit elektrischer Energie versorgt.

Zusammenfassend zeigt sich, daß durch Datenreduktion und automatische Meßwertverarbeitung die Verwendung eines Aufzsichnungsgerätes und eine der Messung folgende Auswertung überflüssig wird. Diese Vereinfachung und die durch die Anwendung einer Vorbelichtung wesentlich verkürzte Dunkelpause füliren dazu, daß beim Einsatz des oben beschriebenen Verfahrens der gesamte Meßvorgang einschließlich Auswertung in weniger als zwei Minuten von einer Arbeitskraft durchgeführt werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Erfassung und Auswertung von lichtinduzierten Veränderungen der Chiorophyllfiuoreszenz auf der Grundlage elektronischer Erfassung einer Induktionskurve der Chlorophyllfluoreszenz, gekennzeichnet dadurch, daß durch eine elektronische Steuerung ein Zyklus mit definierter Vorbelichtung und definierter Dunkelpause mit sich anschließender Erfassung und Verarbeitung zweier Kennwerte der Induktionskurve durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die elektronische Erfassung und Verarbeitung der Kennwerte darin besteht, daß diese gespeichert werden, der Quotient dieser Werte berechnet und digital ausgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als elektronisch gespeicherte Kennwerte Maximum und Minimum der Induktionskurve genutzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als elektronisch gespeicherte Kennwerte Werte der Induktionskurve zu bestimmten festen Zeiten ruich Beginn der Belichtung genutzt werden.