Innovative systembilleder fotosyntese til at give et billede af plantesundhed

Forskere har udviklet et nyt billeddannelsessystem, der er designet til at overvåge sundhed for afgrøder i marken eller drivhuset. Den nye teknologi kan en dag spare landmænd betydelige penge og tid ved at muliggøre intelligent landbrugsudstyr, der automatisk forsyner planter med vand eller næringsstoffer ved de første tegn på nød. Med videre udvikling, systemet har potentiale til at blive brugt ombord på ubemandede luftfartøjer til fjernovervågning af afgrøder.

Billeddannelsessystemet registrerer fluorescens fra klorofyl, et pigment, der giver planter deres grønne farve og er afgørende for at absorbere sollyset planter bruger til at skabe energi gennem fotosyntese. Overvågning af klorofyl og hvordan fotosyntese udføres i en plante giver indsigt i planternes sundhed og vækst.

I tidsskriftet The Optical Society Anvendt optik , forskere ledet af Xu Liu fra Zhejiang University i Kina beskriver deres nye afgrøde -billeddannelsessystem. Det kan forestille sig et område, der måler 45 x 34 centimeter, cirka fire gange større end kommercielt tilgængelige klorofylbilleder.

"De fleste instrumenter, der bruges til klorofylfluorescensbilleddannelse, er kun egnede til laboratoriebrug, men vi ønsker at udvikle et system, der kan overvåge afgrødes sundhed i en mark eller drivhus, "sagde Haifeng Li, medlem af forskningsgruppen. "Det store detekteringsområde for vores afgrødeimager bringer os tættere på det mål."

Ud over at hjælpe landmændene med at kontrollere afgrødernes sundhed, det nye system vil være nyttigt til at studere, hvordan planter reagerer på ændringer i vækstbetingelser og til fænotyping med høj kapacitet, en automatiseret metode, der bruges til forskning og udvikling af afgrøder til at analysere, hvordan genetiske modifikationer påvirker plantekarakteristika såsom bladstørrelse eller tørkebestandighed i et stort antal planter. Teknikken kan også ændres til mikroskopi, muliggør billeddannelse af fotosyntese inde i plantecellerne.

"Klorofylfluorescensbilleddannelse har været meget udbredt i akademisk forskning, "sagde Li." Vores system vil tillade, at denne teknik bevæger sig ud over laboratoriet, hvor den kan bruges til at udvikle og studere afgrøder med højere udbytte, for eksempel."

Flere data giver et bedre billede

Det begrænsede billeddannelsesområde for kommercielt tilgængelige klorofylfluorescensbilleder begrænser disse instrumenter til billeddannelse, højst, en eller to frøplanter ad gangen. Faktisk, nogle billedere fanger kun fluorescens fra et par blade ad gangen. Fordi fotosyntese kan variere fra plante til plante og endda fra blad til blad, mange billeder skulle erhverves for at få et billede af den samlede afgrødevækst.

På et billede, den nye afgrødeimager kan fange fluorescens fra syv eller otte frøplanter, afhængig af deres størrelse. Disse ekstra planter giver nok data til at få et retvisende billede af afgrødesundhed fra kun ét billede. Forskerne indarbejdede også en scanningsmekanisme, der øger billeddannelsesområdet til 2 meter bredt.

"Ved at erhverve en stor mængde data, vores system kan reducere den fejl, der er forbundet med at analysere en afgrødes fysiologiske status og overvågningseffektiviteten af ​​dyrkningsbetingelser betydeligt, uden at kræve gentagen prøveudtagning "sagde Li.

Belysning i stort område

Detektering af fluorescens fra klorofyl kræver, at pigmentet belyses med lys, der ophidser molekyler i klorofyl, får dem til at udsende lys. Forskerne brugte 16 belysningsmoduler, der hver havde en LED med høj effekt til at skabe dette excitationslys.

For hvert belysningsmodul, forskerne designede en række linser og optiske komponenter, der skabte et rektangulært belysningsområde gennem en proces kaldet spot reshaping. Lys fra hvert modul blev fokuseret på midten af ​​billedområdet og overlejret for at skabe stærk og jævn belysning.

"Det 45 x 34 centimeter billeddannelsesområde er det største tilgængelige for denne type billeddannelsessystem, "sagde Li." Vores instrument anvender entydigt LED -belysning til spotformning for at opnå jævn belysning i hele billedområdet og for at sikre, at det meste af lysenergien bruges til belysning og ikke spildes. "

Forskerne testede den nye enhed ved at bruge den til at se agurkekimplanter dyrket under stressende forhold, der involverede enten vand- eller nitrogenmangel. I begge tilfælde viste instrumentet ændringer i klorofylfluorescens, der svarede til faldende plantesundhed over tid.

Forskerne arbejder nu på at øge systemets lysudnyttelse ved at foretage forbedringer af fremstillingsteknikkerne, såsom inkorporering af linsebelægninger, bruges til at fremstille de optiske komponenter. De vil også reducere billedkameraets vægt og volumen for at gøre den mere mobil og mere praktisk til brug i marken og drivhuse.