用于確定植物營養(yǎng)狀態(tài)的方法和裝置的制造方法
【專利說明】用于確定植物營養(yǎng)狀態(tài)的方法和裝置
[0001] 本發(fā)明在一個方面中涉及一種確定植物營養(yǎng)狀態(tài)的方法。根據另一個方面，本發(fā) 明涉及一種用于確定植物營養(yǎng)狀態(tài)的儀器。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 光合作用是對于植物的功能至關重要的一個生理過程。因此，一個植物的光合作 用性能的測量是用于確定該植物的生理狀態(tài)的一個寶貴的信息來源。光合作用將吸收的光 能轉化成可被植物使用的化學能，并且通過復雜的過程進行，葉綠素在其中發(fā)揮著重要作 用。雖然被植物吸收的大部分光能進入光合作用，但是一些光能經歷非光化學猝滅(大部分 通過熱耗散)或通過葉綠素重新發(fā)射為熒光。由于光合作用、非光化學淬滅和葉綠素熒光這 三種機制是通過相同的能量源供應的，所以這些過程中的一個的性能由于生物或非生物因 素造成的變化將通過其他過程中的至少一個的變化反映出來。然而，測量這些過程的完全 能量平衡在實踐上是不可能的。盡管如此，熒光信號含有大量信息。然而，破解這個信息并 且從熒光研究得到關于植物生理狀態(tài)的信息是一項非常具有挑戰(zhàn)性的任務，相對于特定參 數(諸如一種特定營養(yǎng)素或營養(yǎng)素組的缺乏)的影響而言該信息是特異性的。
[0004] 光合作用過程受特定的動力學支配，其反映在葉綠素a熒光的時間依賴性上。在用 光化性光激發(fā)之后，葉綠素a熒光在數毫秒至最高約一秒鐘的時標上從背景熒光強度F〇增 加最多至最大熒光強度?"，并且隨后在數分鐘的時標上下降。這種現象被稱為熒光誘導，并 且對于最初已進行暗適應以便允許光合作用性能的最大可能增加的葉片可最清楚地觀察 到此現象。熒光誘導曲線的上升部分展現出一系列平臺，通常由字母0-J-I-P表示，并且可 因此稱為0JIP-上升。由于在葉綠素a熒光瞬變與光合作用過程之間的聯系，分析這些瞬變， 尤其是0JIP-上升，可用于提供給定植物的總體性能的基準測試。然而，分離具體參數對于 一個給定植物的熒光誘導瞬變的特定影響并且得到有關該植物的狀態(tài)的任何特定信息(例 如，相對于一種特定營養(yǎng)素而言)通常是非常困難的。例外的是，已證明可以將最大強度與 最小強度之間的差(F v)與最大強度(Fm)的比率與錳的營養(yǎng)狀態(tài)直接聯系起來-因為錳在光 合作用中發(fā)揮著非常直接的作用（赫斯特德（Husted)等人，植物生理學（Plant Physiology)，2009,825-833頁）。其他方法提出了對光合作用過程中涉及的物理機制的詳 細的理論分析，以便從熒光誘導瞬變的分析中獲取有關植物總體健康的信息（斯蒂爾貝特 (Stirbet)等人，光化學和光生物學雜志B輯：生物學（Journal of Photochemistry and Photobiology B:Bi〇l〇gy)，2011，第236-257頁）。雖然在旨在理解光合作用過程的細節(jié)的 科學研究中是合理的，但是此類物理模型至今尚不可用于在目標為確定植物的營養(yǎng)素特異 性營養(yǎng)狀態(tài)的儀器中實現。除了上述關于錳的方法之外，可用方法通常不適于在田地中至 少在一定程度上區(qū)分不同營養(yǎng)素對植物早期發(fā)育的影響，并且現場給出結果。此類信息將 是合乎需要的，例如，用于促進施肥的微觀管理以改善農作物同時避免過量使用。如果在早 期可獲得，那么此類信息將允許在造成永久性的作物損害之前進行糾正措施。
[0005] 因此，需要一種確定相對于一種或多種營養(yǎng)素而言一個植物的營養(yǎng)狀態(tài)的方法， 該方法解決或克服了至少一些上述挑戰(zhàn)。該方法應至少在一定程度上能夠在不同營養(yǎng)素的 影響之間做出區(qū)分。優(yōu)選地，該方法應適于在適于田地使用的一種移動測量儀器中實現。
[0006] 發(fā)明概述
[0007] 本發(fā)明的第一方面涉及一種確定相對于一種或多種營養(yǎng)素而言一個植物的營養(yǎng) 狀態(tài)的方法，該方法包括以下步驟：
[0008] -使用一個熒光計裝置記錄該植物的一個組織樣品的一個熒光誘導信號的一個時 間序列以獲得信號數據，其中該時間序列至少包括在該熒光誘導信號的上升部分0JIP內的 信號數據，并且
[0009] -由應用到該信號數據的一個經驗模型確定該營養(yǎng)狀態(tài)，其中該經驗模型是基于 預先記錄的參考數據并且將參考營養(yǎng)狀態(tài)與該熒光誘導信號的時間依賴性進展中的形狀 相關特征相關聯。
[0010] 在本申請的上下文中，術語"營養(yǎng)素"是指被認為對于植物完成全生命周期所必需 的化學元素。因此術語"營養(yǎng)素"包括以下元素:氧(〇)、氫(H)、碳(C)、氮(N)、磷(P)、鉀(K)、 鈣（Ca)、硫（S)、鎂(Mg)、硼（B)、氯（C1)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鋅（Zn)、銅（Cu)、鉬(Mo)以及鎳 (Ni)〇
[0011] 當一個植物含有足量的這些營養(yǎng)素以便正常工作時，相對于一種或多種營養(yǎng)素而 言的該植物的該營養(yǎng)狀態(tài)可被描述為健康的。如果該植物僅含有不足量的一種或多種營養(yǎng) 素，那么營養(yǎng)素的缺乏影響該植物的健康，并且該營養(yǎng)狀態(tài)被描述為缺乏的。根據本發(fā)明的 方法通過記錄熒光瞬變并且將熒光瞬變曲線形狀的變化與植物營養(yǎng)素濃度的變化相關聯 來監(jiān)測光合作用過程的運行。因此，該方法檢測營養(yǎng)素濃度的"生物活性"部分，該部分是對 植物的功能(在這種情況下是光合作用)具有影響的部分。當生物活性濃度不足以使處于任 何給定年齡的一個植物正常工作時，該植物是缺乏營養(yǎng)素的。這樣，此方法能夠檢測相對于 一種或多種營養(yǎng)素而言的缺乏營養(yǎng)狀態(tài)。
[0012] 可使用一種連續(xù)激發(fā)熒光計，諸如商業(yè)上可得自漢莎科學儀器公司（Hansatech Instruments)的"Handy PEA" ；或提供時間分辨熒光誘導曲線的任何熒光誘導測量裝置獲 得時間分辨熒光誘導數據，其中時間分辨熒光誘導曲線的時間分辨率足以分辨熒光誘導瞬 變上升部分中的0-J-I-P特征的形狀。在這樣一種儀器中，通過光化性光照射一個組織樣 品，諸如葉片，光化性光激活該組織樣品的光系統II并使其飽和。然后通過一個檢測器收集 產生的熒光，該檢測器能夠測量由該組織樣品發(fā)射的作為時間函數的熒光強度。在該 "Handy PEA"儀器中，通過在約650nm波長和3000微摩爾光子/(m2*s)強度下具有光譜最大 值的一個LED源提供光化性光，并且使用濾光器阻擋該LED源，使用一個PIN光電二極管作為 檢測器在650nm以上的波長下收集葉綠素a熒光。檢測的光譜范圍應包括葉綠素a熒光發(fā)射 的光譜范圍的很大一部分以便提供誘導動力學的可靠表不。葉綠素a焚光在約680nm的波長 下具有一個明顯的最大值，因此檢測的一個典型范圍應包括這個最大值，諸如最高700nm， 或甚至最高800nm〇
[0013] 光化性光的開啟限定時間軸的原點，并且來自組織樣品的熒光響應被記錄為關于 這個原點的時間函數。典型地，以隨著時間增加的間隔記錄熒光，以將表現出快速上升和緩 慢下降的熒光瞬變曲線的對數性質考慮在內。在隨后的熒光測量之間的典型時間間隔是在 從開始時的l〇ys(微秒)至在瞬變最大值處的約10ms(毫秒)范圍內，并且可隨著瞬變的緩慢 下降以對數方式進一步增加。
[0014] 該方法依賴于預先記錄的參考數據。參考數據是從被制備具有相對于一種或多種 營養(yǎng)素而言的多種參考營養(yǎng)狀態(tài)的植物獲得的一組熒光瞬變。參考狀態(tài)應反映有待測試的 營養(yǎng)狀態(tài)的范圍。通過設計，參考數據因此含有關于植物的不同營養(yǎng)狀態(tài)如何影響熒光誘 導信號的信息。如上所述，葉綠素a熒光可同時受到許多生物和非生物因素的影響并且熒光 信號所包含的大量信息傾向于隱藏關于一種特定營養(yǎng)素的影響的任何特定信息。本發(fā)明通 過以下方式解決這個問題:鑒定出信號數據的時間依賴性進展中的形狀相關特征的差異與 不同營養(yǎng)狀態(tài)相關聯，并且利用一個經驗模型來解釋這些差異。術語"形狀相關"是指時間 依賴性熒光誘導信號的進展中的結構；"形狀相關特征"是這樣的結構:攜帶相關信息-在此 處于熒光誘導瞬變的形狀變化的形式，其作為不同營養(yǎng)狀態(tài)的函數出現。經驗模型是基于 針對各種參考營養(yǎng)狀態(tài)獲得的預先記錄的參考數據，并且使用例如多變量分析技術由參考 數據構建。基于這種經驗模型，可以由信號數據預測相對于營養(yǎng)素而言植物的營養(yǎng)狀態(tài)。
[0015] 本發(fā)明的重要優(yōu)點之一是，可分析熒光誘導瞬變的形狀相關特征(尤其是在快速 0JIP-上升過程中），以產生有關相對于一種特定營養(yǎng)素或營養(yǎng)素組而言植物的營養(yǎng)狀態(tài)的 信息。本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，通過分析熒光誘導瞬變的形狀，有關植物營養(yǎng)狀態(tài)的這類信 息甚至可以是與基因型和植物物種無關的。因此，來自一種基因型或物種的參考數據可被 驗證為另一種不同的基因型或物種的植物的信號數據的參考。本發(fā)明的仍然另一個優(yōu)點 是，熒光誘導瞬變中的形狀相關特征的分析產生關于植物在非常早期的潛在營養(yǎng)脅迫的營 養(yǎng)素特異性信息，從而允許植物的營養(yǎng)素特異性治療。與其他方法相比，進行營養(yǎng)素缺乏的 早期檢測，之后進行適當的特定治療使得能夠在作物損害以及因此產率損失最小的情況下 進行糾正。本發(fā)明的仍然另一個優(yōu)點是，可實現生物活性水平的營養(yǎng)素特異性定量分析。
[0016] 對于一些營養(yǎng)素，經驗模型可允許以高度可靠性直接和唯一鑒定相對于一種特定 營養(yǎng)素而言的營養(yǎng)狀態(tài)。此類營養(yǎng)素的例子是磷(P)、銅(Cu)、錳(Μη)、以及硫(S)。對于其他 營養(yǎng)素，該經驗模型可至少提供一個植物缺乏一種營養(yǎng)素的一個預測，其中該營養(yǎng)素可以 是一組營養(yǎng)素中的一種。此類營養(yǎng)素的例子是氮(Ν)、鉀(Κ)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、以及鐵(Fe)。 盡管如此，對于這些其他營養(yǎng)素，該預測提供有關植物營養(yǎng)狀態(tài)的信息，并且減少鑒定相關 營養(yǎng)素的不明確性。可通過提供另外的信息來解除剩余的不明確性。此類另外的信息可事 先獲得，并且允許消除該組中的一些其他營養(yǎng)素?？商娲?，可在補充性分析中尋找此類另 外的信息。
[0017]該方法允許由一種可在植物上直接進行的非破壞性/非侵入性光學測量來提供一 個快速、可靠且準確的測試結果。優(yōu)選地，經驗模