Казахский экономический университет им. Т. Рыскулова
Растения как индикаторы состояния окружающей среды
В работе приведены результаты исследования механизма адаптации растений к недостатку элементов питания путем изучения их влияния на рост, газообмен и изображения листьев растения. Низкий уровень управления в обществе приводит к негативному воздействию на окружающую среду (это касается биоразнообразия, загрязнения водных ресурсов, изменения климата и т. п.), что в свою очередь, оборачивается значительным экономическим и экологическим ущербом для общества. Существующие системы оценки воздействия на окружающую среду широко не используются, успехи в области контроля содержания питательных веществ в почвах наблюдаются на уровне пилотных проектов, они не интегрированы в широкие программы национального уровня. Одной из причин этого является слабая изученность механизма адаптации растения как целостной системы к недостатку элементов питания, взаимосвязи параметров, характеризующих рост, газообмен и состав биомассы растения.
Поэтому одной из важных задач исследования растений, как подсистемы контроля окружающей среды, является анализ состояния растения и нахождение причин, вызвавших отклонение в их развитии. Получение оценки состояния растения дает возможность корректировать технологию, устранять негативное влияние некоторых факторов и создавать условия для нормального развития растения. Из физиологии растений известно, что недостаток или избыток того или иного элемента в питании растения (азота, калия, фосфора, бора, кальция, железа) отражается на механизме адаптации растений к недостатку или избытку и отражается на внешнем виде, форме и окраске растения. Это дало основание проводить косвенную оценку состояния растения на основе анализа его внешнего вида, основанную на методах обработки изображений.
Целью предлагаемой работы является исследование механизма адаптации растений к недостатку азота путем изучения его влияния на рост, газообмен азота и характеристики изображений листьев растения.
Проблема азотного питания привлекает внимание физиологов растений и практиков земледелия. Поиски оптимального обеспечения растений азотом основываются на механизме регуляции азотом роста и других функций растения. Одним из путей решения задачи оптимального обеспечения растений азотом является изучение реакции растений на предоставление им определенного количества азота.
Исследование дефицита элементов питания имеет практическое значение, так как в условиях нехватки, истощения почв позволяет предвидеть последствия недостаточного или избыточного снабжения культур, способствовать эффективной защите источников питьевого водоснабжения.
К настоящему времени достаточно много работ посвящено проблемам выявления симптомов недостатка элементов питания растений. К ним можно отнести снижение скорости накопления биомассы, относительное усиление роста корней, сильное сокращение роста листовой поверхности, снижение скорости фотосинтеза и дыхания, уменьшение содержания азота в биомассе. Выявлены также некоторые закономерности развития симптомов голодания: большая чувствительность роста по сравнению с фотосинтезом к недостатку азота (Нечипорович), корреляция между фотосинтезом и содержанием белка в листьях (Андреева и др.), взаимосвязь азотного и углеродного питания растений (Чернавская, Нечипорович). Установлены экспериментальные зависимости скорости фотосинтеза (Evans, Май), скорости дыхания (Хитрово, Куперман) и скорости нетто-ассимиляции (Hirose) от содержания азота в листьях. В то же время механизм адаптации растения как целостной системы к недостатку азота не выяснен полностью. Не установлена последовательность событий, происходящих в растении при азотном стрессе, взаимосвязь параметров, характеризующих рост, газообмен и состав биомассы растения. Неясно, насколько специфичны наблюдаемые изменения внутри и вне растения, какова иерархия функций при адаптации растений к дефициту азота.
Существенным свойством растений является их способность адекватно реагировать на изменение условий внешней среды. Стратегия адаптации растений при неблагоприятных условиях направлена на выживание вида, в том числе через обеспечение нормального функционирования и репродукции особи.
Проводимая работа была направлена на выяснение последовательности процессов приспособления растений к недостатку азота, и каково взаимоотношение роста, газообмена и азотного баланса растений. В качестве объекта исследования и для получения исходной информации была выбрана горчица сараптская (Brassica juncea L.), выращенная в условиях фитотрона.
Выращивались отдельно стоящие растения и ценотические взаимодействия не учитывались. Азотный дефицит создавали путем помещения корней растений в питательный раствор без азота. Растения находились в вегетативной фазе развития. В течение 5-7 дней после начала воздействия на контрольных и опытных растениях измеряли суточный СО2 - газообмен побегов и корней, ростовые показатели, содержание углеводов и азотных соединений в листьях, стеблях и корнях. После переноса растений на среду без азота скорость роста растений снизилась, а содержание органического азота в биомассе осталось прежним. Это достигалось путем согласования скоростей двух процессов: скорости синтеза биомассы и восстановления эндогенных нитратов. При этом снижение скорости роста органов происходило неодинаково - больше всего снизилась скорость роста листьев, в меньшей степени корней. Рост отдельных частей растений был коррелирован с запасами эндогенных нитратов в этих органах. В результате доля листьев в общей массе растений значительно снизилась. Составляющие суточного газообмена изменялись следующим образом: интенсивность фотосинтеза и скорость нетто-ассимиляции была неизменна, тогда как скорость дыхания снижалась параллельно снижению скорости роста.
По мере нарастания дефицита азота реакция растения изменялась. Дальнейшее снижение скорости роста сопровождалось снижением содержания органического азота в тканях. В этот момент запасы эндогенных нитратов были исчерпаны, и рост происходил за счет перераспределения азота между органами и тканями. Так содержание белкового азота в нижних листьях снижалось сильнее, чем в средних листьях, которые несут основную фотосинтетическую нагрузку. Неравномерность роста органов усиливалась: доля листьев в общей массе продолжала снижаться. Однако, относительные показатели роста и газообмена – скорость нетто-ассимиляции, отношение дыхания к фотосинтезу и отношение дыхания к росту оставались неизменными в течение всего периода эксперимента. Необходимо отметить, что азот дефицитные растения вскоре после окончания эксперимента переходили к цветению. Контрольные растения оставались в вегетативной фазе.
Описанные принципы поведения растений при дефиците азота могут быть учтены при разработке обоснованной системы применения удобрений. Предложенный подход комплексного исследования растений может быть использован для оценки физиологического состояния растений в различных условиях обитания: при разной густоте стояния, при взаимодействии разных видов в ценозах, при интродукции растений, в селекционной практике.
Одной из важных задач мониторинга растений является анализ состояния растения и выяснение внешних признаков отклонения в развитии. Получение оценки состояния растения даст возможность корректировать технологический процесс, устранить негативное влияние того или иного фактора и создать оптимальные условия для развития растения.
Нами была предпринята попытка установить соответствие между состоянием растения и характеристиками изображения его листа. Использован подход изучения цвета изображения, применяемый при решении задач обработки изображений и широко применяемый в различных областях знаний.
Основными параметрами оценки состояния растения являются форма листа и растения в целом, равномерность окраски листа и его цвет.
Недостаток или избыток определенного питательного элемента приводит к нарушению биохимических процессов, происходящих в растении, и соответственно к изменению его внешнего вида (окраски, размера и формы листьев), появлению пятен, опаданию листьев, изменению репродуктивных органов. В некоторых случаях меняется и общий вид растения.
Влияние избыточного поступления питательных элементов в растение выражается в замедлении роста, отмирании тканей, изменении внешнего вида растений и вызывает их гибель.
Характер изменений, возникающих в растениях при недостатке или избытке питания, зависит от различной физиологической способности растений повторно использовать некоторые элементы и от различной подвижности этих элементов внутри растений. Недостаток азота и фосфора, например, проявляется во всех частях растения, но наиболее сильно - в нижних листьях, а недостаток бора, кальция, железа в самых молодых листьях.
При дефиците или избытке элементов нужно учитывать, что изменение внешнего вида растений может быть вызвано и другими причинами.
В основе системы технического зрения по определению состояния растений в зависимости от недостаточного или избыточного количества азота лежит анализ однородности цветовой окраски листа и цветовых отклонений. Поэтому естественным и специфическим вопросом в обработке изображений является способ представления цветовой информации. Это может облегчить решение конкретной задачи обработки цветных изображений, поскольку оценка окраски человеком, восприятие цветовой гаммы у людей индивидуальны.
Предлагаемая система позволяет получать объективные оценки окраски, цвета узора листьев растений, и основана на использовании широко распространенных и доступных компьютерных систем на персональном компьютере.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что существует иерархия процессов в растениях. Наименее значимым для растения является поддержание числа элементов системы (масса органов, площадь листьев), более значимым – внутренняя структура элементов (содержание белка). Внутренняя структура поддерживается за счет мобилизации и перераспределения всех доступных ресурсов, как между отдельными частями растения, так и в пределах отдельных органов.
Наибольшей значимостью для растения обладают параметры обмена вещества и энергии с внешней средой: скорость нетто-ассимиляции, отношение фотосинтеза к дыханию и отношение дыхания к росту на уровне целого растения. Можно предположить, что последовательность адаптационных процессов затрагивает вначале взаимоотношения органов, затем происходит перераспределение процессов внутри каждого органа, дольше всех остаются неизменными параметры обмена веществом и энергией с внешней средой на уровне целого растения.
