Détection précoce du risque de réduction du rendement du soja : la technologie SIF soutient une gestion stable du rendement

Dans des articles précédents, nous avons présenté les principes de base de la fluorescence de la chlorophylle induite par la lumière du jour (SIF) et son utilisation généralisée dans les écosystèmes tels que les forêts, les zones humides, etc.

Dans ce numéro, nous nous concentrerons sur le soja, une culture importante, et nous examinerons comment la technologie SIF peut être un outil clé pour garantir une gestion stable des rendements en surveillant rapidement les stress environnementaux (par exemple, la chaleur, la sécheresse, etc.) afin d'avertir les risques de réduction éventuelle des rendements.

Dans des articles précédents, nous avons présenté les principes de base de la fluorescence de chlorophylle induite par le soleil (SIF) et ses applications étendues dans les écosystèmes tels que les forêts et les zones humides.

Ce numéro porte sur l'importante culture de soja, en explorant comment la technologie SIF peut servir d'outil clé pour assurer une gestion stable du rendement en surveillant rapidement les contraintes environnementales (par exemple, les températures élevées, la sécheresse) pour avertir des pertes potentielles de rendement.

Relation entre le SIF et la photosynthèse du soja

Le SIF est une petite fraction de l'énergie lumineuse réémise par les molécules de chlorophylle après que les plantes absorbent la lumière du soleil. Il est étroitement lié à la productivité primaire de la photosynthèse (GPP) et est considéré comme un indicateur alternatif efficace pour évaluer la GPP.

La génération du signal SIF résulte de la réaction photochimique du système photosynthétique II (PSII), dont l'intensité est régulée dynamiquement par l'intensité lumineuse, la teneur en chlorophylle et les voies de distribution de l'énergie lumineuse. Des études ont montré une relation linéaire ou non linéaire significative entre le SIF et le GPP, ce qui fait du SIF un moyen important de surveiller la photosynthèse de la végétation.

Étant donné que le SIF est directement lié au processus de photosynthèse, lorsque le soja subit un stress environnemental, son mécanisme de photosynthèse est affecté, ce qui entraîne des changements dans le signal du SIF, ce qui fournit une base théorique pour l'utilisation du SIF pour surveiller le stress environnemental du soja.

SIF est une petite partie de l'énergie lumineuse réémise par les molécules de chlorophylle après que les plantes absorbent la lumière solaire. Il est étroitement lié à la production primaire brute (PPB) et est considéré comme un moyen efficace d'évaluer la PPB.

La génération de signaux SIF provient des réactions photochimiques du Photosystème II (PSII). Leur intensité est régulée dynamiquement par l'intensité lumineuse, la teneur en chlorophylle et les voies d'allocation de l'énergie lumineuse (photochimie, éteinte non photochimique et fluorescence). La recherche montre des relations linéaires ou non linéaires significatives entre le SIF et le GPP, ce qui fait du SIF un moyen important de surveiller la photosynthèse de la végétation.

Puisque le SIF est directement lié au processus de photosynthèse, lorsque les haricots de soja rencontrent un stress environnemental, leur appareil photosynthétique est affecté, ce qui entraîne des changements dans les signaux du SIF. Cela fournit une base théorique pour l'utilisation du SIF pour surveiller le stress environnemental dans le soja.

Figure: système de surveillance de la fluorescence de la chlorophylle induite par la lumière du jour embarqué par drone d'aboenergie, ABN-SIF-UAV。 En détectant la fluorescence de la chlorophylle induite par la lumière du jour (SIF), le système permet une surveillance non destructive de vastes étendues de terres agricoles, une évaluation précise du potentiel de croissance des cultures et fournit des données clés pour l'alerte précoce des parasites, des maladies et du stress hydrique.

ABN-SIF-UAV Système de surveillance de la fluorescence de chlorophylle induite par le soleil par Exponentsci. Ce système détecte la fluorescence de chlorophylle induite par le soleil (SIF), ce qui permet une surveillance non destructrice des terres agricoles à grande échelle, une évaluation précise de l'état de croissance des cultures et la fourniture de données critiques pour l'alerte précoce des parasites, des maladies et des stress sur l'eau / les engrais.

Application du SIF à la détection du stress environnemental dans le Soybeans

Stress à haute température:Les températures élevées et les fortes différences de pression de l'eau qui les accompagnent affectent généralement les plantes, mais ne provoquent pas de changements structurels significatifs dans la canopée ou de modifications des caractéristiques spectrales. Le SIF, en raison de son lien avec la photosynthèse, détecte mieux ce stress. Par exemple, il y a eu des études qui ont quantifié l'effet des températures élevées sur la photosynthèse de la canopée de soja à l'aide du SIF grâce à l'expérience t - face (Temperature Free air Control Enhancement). Le soja affecte le poids spécifique des feuilles, la densité STOMATIQUE, la photosynthèse et les paramètres de fluorescence de la chlorophylle dans des conditions de chaleur élevée.

Tension à haute température:La température élevée et le déficit de haute pression de vapeur qui s'accompagne affectent souvent les plantes sans provoquer de changements évidents dans la structure du couvert ou les caractéristiques spectrales. Grâce à son lien avec la photosynthèse, le SIF peut mieux détecter ce type de stress. Par exemple, une étude a utilisé l'expérience Temperature Free-Air Controlled Enhancement (T-FACE) pour quantifier l'impact de la haute température sur la photosynthèse du couvert de soja en utilisant le SIF. Dans des conditions de température élevée, les haricots de soja subissent des changements dans le poids spécifique des feuilles, la densité stomatale, la photosynthèse et les paramètres de fluorescence de la chlorophylle.

Fluorescence de la chlorophylle induite par la lumière du jour (SIF), production de SIF, rayonnement efficace photosynthétique absorbant (APAR), proportion d'absorption apar totale (fapar) et coefficient de corrélation (R) entre le rayonnement efficace photosynthétique (par) et la température de la canopée.

Coefficients de corrélation (r) entre la fluorescence de chlorophylle induite par le soleil (SIF), le rendement de SIF, le rayonnement photosynthétiquement actif absorbé (APAR), la fraction de la couverture entière (fAPAR) et la PAR par rapport à la température de la couverture.

Stress à l'ozone:Des concentrations élevées d'ozone ont entraîné des baisses significatives du sif760 dans la canopée du soja, en particulier plus importantes (36%) en fin de croissance, ce qui suggère que le SIF est capable de capter efficacement les effets de l'ozone sur la structure de la canopée du soja et sur l'accélération du vieillissement. Le stress lié à l'ozone a également un effet synergique avec la réduction du rayonnement, affectant les propriétés de fluorescence de la chlorophylle et le rendement du soja.

Tension à l'ozone:Les concentrations élevées d'ozone provoquent une diminution significative de la couverture de soja SIF760, en particulier lors des étapes ultérieures de croissance (réduction pouvant aller jusqu'à 36%). Cela indique que le SIF peut capturer efficacement l'impact de l'ozone sur la structure du couvert et la sénescence accélérée du soja. Le stress sur l'ozone interagit également avec la réduction des rayonnements, affectant les caractéristiques de fluorescence de la chlorophylle de soja et le rendement.

Les mesures du sif760 (A), du rayonnement photosynthétique effectif par (b), de la proportion de rayonnement photosynthétique effectif absorbée fpargreen (c) dans la végétation verte et du rendement apparent en Sif (d) observées tout au long de la saison de croissance du soja correspondent à des fèves cultivées dans des conditions de concentration ambiante d'ozone (barres blanches) par rapport à des concentrations élevées d'ozone (barres grises), respectivement. * représente une différence significative (p < 0,05).

Mesure du rendement SIF760 (A), PAR (B), FPARvert (C) et SIF apparent (D) tout au long de la saison de croissance dans les haricots de soja cultivés sous O ambiant ₃ (barres blanches) et O élevé ₃ (barres grises). * indique des différences significatives entre les traitements à chaque date de mesure (P < 0,05).

Autres contraintes:

Le manque d'eau peut forcer les stomates à se fermer, inhibant ainsi la photosynthèse et la transpiration. Ce processus provoque une extinction non photochimique et des changements dans le transfert d'électrons photosynthétiques, et les signaux SIF sont très sensibles à ces changements mineurs.

Le bisphénol A (Bpa), en tant que perturbateur endocrinien de l'environnement, a un effet significatif sur la croissance, la photosynthèse et les paramètres de fluorescence de la chlorophylle (tels que la fluorescence initiale, l'efficacité photochimique maximale, le rendement quantique effectif PSII et le taux de transfert d'électrons photosynthétiques) chez les plants de soja, et la technologie SIF peut détecter ces changements.

Déficit d'eau: La pénurie d'eau force la fermeture stomatale, inhibant ainsi la photosynthèse et la transpiration. Ce processus induit des changements dans l'éteinte non photochimique et le transport d'électrons photosynthétiques, auxquels les signaux SIF sont très sensibles.

Bisphénol A (BPA): En tant que perturbateur endocrinien environnemental, le BPA affecte de manière significative les paramètres de croissance, de photosynthèse et de fluorescence de chlorophylle (tels que la fluorescence initiale, l'efficacité photochimique maximale, le rendement quantique effectif de PSII et le taux de transport d'électrons photosynthétiques) des semis de soja. La technologie SIF peut détecter ces changements.

La technologie de fluorescence de la chlorophylle induite par la lumière du jour (SIF) offre une approche directe et non invasive pour la surveillance du stress environnemental chez le soja en capturant des signaux lumineux directement liés au mécanisme de photosynthèse. Grâce à cette technologie, nous sommes en mesure de maîtriser la santé de nos cultures plus rapidement, en fournissant un support technique essentiel pour la gestion de l'agriculture de précision et la garantie d'un rendement stable des cultures.

La technologie de fluorescence de chlorophylle induite par le soleil (SIF) fournit une méthode directe et non invasive pour surveiller le stress environnemental dans le soja en capturant des signaux lumineux directement liés au mécanisme de photosynthèse. L'utilisation de cette technologie permet une évaluation plus rapide de la santé des cultures, offrant un soutien technique important pour la gestion de l'agriculture de précision et assurant des rendements stables des cultures.

Source du cas / sources:

1. KQuantifier le stress à haute température sur la photosynthèse de la couverture de soja: le rôle unique de la fluorescence de chlorophylle induite par le soleil. (2021)

2. Quantification du stress à haute température sur la photosynthèse de la couverture lors de l'expérience d'amélioration contrôlée de la température à l'air libre (T-FACE): le rôle unique de la fluorescence de chlorophylle induite par le soleil dans la capture du stress physiologique des plantes. (2020)

3. La fluorescence de chlorophylle induite par le soleil capture les effets de l &apos; élévation de l &apos; ozone sur la structure du couvert et l &apos; accélération de la sénescence du soja. (2023)

4. Effets du bisphénol A sur la croissance, la photosynthèse et la fluorescence de la chlorophylle dans les organes au-dessus du sol des semis de soja. (2013)