Портативный оптический сканер выявляет скрытые повреждения озоном в листьях растений

Загрязнение воздуха, воды и почвы становится серьёзной угрозой для роста и здоровья растений. При длительном воздействии загрязнителей у растений меняются цвет, текстура и внутренняя структура.

Особенно высокие концентрации озона наблюдаются в городских и промышленных регионах. Озон подавляет рост растений и снижает урожайность. Традиционные методы оценки (визуальный осмотр, микроскопия, дистанционное зондирование) часто требуют инвазивного анализа и не всегда дают точные количественные измерения для долгосрочного мониторинга внутренних изменений.

Разработка нового OCT-сканера

Международная группа исследователей разработала портативное устройство на основе оптической когерентной томографии (OCT). Оно позволяет проводить неинвазивную, бесконтактную и количественную оценку внутренних структур растений.

Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.

Работу провели доцент Тацуо Шиина и доктор Хаяте Гото из Высшей школы науки и инженерии Университета Тиба (Япония); доцент Джумар Кадондон из Университета Филиппин Висайяс (Филиппины); профессор Мария Сесилия Гальвес и профессор Эдгар Валлар из Университета Де Ла Саль (Манила, Филиппины).

Доктор Шиина заявляет: «Используя OCT, можно послойно и неразрушающе количественно оценить внутреннюю структуру, чтобы определить области, затронутые внешней средой. Поскольку стрессовые реакции у растений сначала проявляются внутри, OCT может помочь выявить экологические стрессы, вызывающие внутренние изменения».

Тестирование устройства на растениях-индикаторах

Исследователи провели OCT-измерения на листьях белого клевера (Trifolium repens) — растения-индикатора, высокочувствительного к загрязнителям. При высоких концентрациях озон проникает в листья через устьица и разрушает палисадную ткань (внутренний клеточный слой), изменяя её оптические свойства.

Для количественной оценки этих изменений растения в горшках сначала подвергали воздействию высоких концентраций озона и в течение 14 дней наблюдали за одними и теми же листьями. Также измеряли потерю воды при транспирации у листьев со срезанными стеблями, чтобы отделить изменения, вызванные водным стрессом, от стресса, вызванного озоном.

Эксперименты показали, что воздействие озона ослабляет рассеяние света внутри палисадного слоя, что указывает на структурные нарушения и повреждение клеточных стенок и межклеточных границ. Также отмечено постепенное увеличение толщины палисадной ткани, что согласуется с наблюдаемым снижением интенсивности сигнала OCT и структурными повреждениями от озона.

Полевые исследования и перспективы

Установив базовые параметры воздействия озона, исследователи отобрали растения-индикаторы из четырёх регионов префектуры Тиба (Япония) с разной концентрацией озона (от 0.04 до 0.16 ppm). В параметрах OCT отобранных листьев наблюдалась аналогичная тенденция, что говорит о том, что внутренние структурные характеристики листьев отражают уровень воздействия озона. Проведение измерений OCT непосредственно на месте позволяет исключить стресс от срезания стебля и транспортировки, обеспечивая более точную оценку воздействия озона.

Результаты демонстрируют применимость OCT для оценки экологического стресса у растений, особенно на клеточном уровне до появления видимых симптомов. OCT-сканирование — это неинвазивная, быстрая и простая альтернатива традиционным методам, требующим химической фиксации и окрашивания, что позволяет оценивать одни и те же живые листья в течение длительного времени.

Своевременная оценка с помощью портативного OCT-сканера может улучшить мониторинг заболеваний и способствовать раннему выявлению дефицитов или стрессовых изменений, позволяя рано вмешаться для минимизации потерь. Дополнительные исследования помогут подтвердить эффективность метода в различных условиях (влажность, температура, интенсивность света).

Доктор Шиина заключает: «Продолжение исследований в этом направлении может расширить область применения OCT для оптимизации условий выращивания сельскохозяйственных культур и повышения продуктивности. Возможность оценивать атмосферные и почвенные условия на месте с помощью одного OCT-измерения — многообещающий подход для совершенствования управления сельским хозяйством и мониторинга окружающей среды».