پژوهشگران روشی تازه برای پیشبینی نحوه پراکندگی نور توسط برگهای محصولات کشاورزی توسعه دادهاند که در آزمایشهای انجامشده در چین، به دقتی تا 0.99 دست یافته است.
یک تیم علوم زراعی در چین با استفاده از این چارچوب توانست مدلهای سهبعدی تاج گیاهان را بهبود دهد. این پیشرفت به اصلاحگران گیاهی کمک میکند ویژگیهایی را هدف بگیرند که در مزارع متراکم، فتوسنتز را افزایش میدهد.
این پژوهش به سرپرستی پروفسور شین-گوانگ ژو از آکادمی علوم چین (CAS) انجام شده و نشان میدهد که اپتیک برگها میتواند بهعنوان یک مسیر تازه برای افزایش عملکرد محصولات در نظر گرفته شود.
اندازهگیری نور بازتابشده از برگها
تیم پژوهشی با طراحی ابزاری به نام Directional Spectrum Detection Instrument (DSDI) که نور بازتابشده را از زوایای مختلف ثبت میکند، توانست سرعت اندازهگیریها را بهطور چشمگیری افزایش دهد.
این دستگاه هم نمونه برگ هم آشکارساز را میچرخاند و همزمان با تغییر زاویه دید و زاویه تابش، طیف نور را ثبت میکند.
دادههای زاویهبهزاویه بهدستآمده، جایگزین اسکنهای کند کره انتگرالی شدند. این روشهای قدیمی معمولاً دامنه مطالعات نوری را به مجموعههای داده کوچک محدود میکردند.
راستیآزمایی دقت ابزار
پیش از اعتماد به دادههای برگ، پژوهشگران دستگاه DSDI را با یک صفحه سفید کالیبره کردند که رفتاری لامبرتین دارد و نور را بهطور یکنواخت در همه جهات بازتاب میدهد.
تطابق الگوی مورد انتظار در زوایای مختلف نشان داد که DSDI به هیچ جهت خاصی تمایل ندارد.
این بررسی اهمیت زیادی دارد. زیرا حتی یک سوگیری مکانیکی کوچک میتواند هنگام مقایسه صدها اندازهگیری، بهاشتباه بهعنوان تفاوت زیستی تفسیر شود.
چرا نور در تاج گیاه یکنواخت نیست
شدت نور خورشید از بالای پوشش گیاهی بهسرعت کاهش مییابد و شکافهای نوری شدیدی ایجاد میکند که بخشی از انرژی را هدر میدهد.
برگهای پایینی با کمبود نور مواجه میشوند. در نتیجه کارایی مصرف نور که نشان میدهد گیاه چه مقدار زیستتوده از نور جذبشده تولید میکند، کاهش مییابد.
اصلاح نژاد برای توزیع بهتر نور به ورودیهای نوری نیز نیاز دارد. زیرا تنها با هندسه نمیتوان پیشبینی کرد نور پراکنده در نهایت به کجا میرسد.
چه عواملی بازتاب نور برگ را کنترل میکنند
تابع توزیع بازتاب دوطرفه یا BRDF فرمولی است که بازتاب نور را به زاویه تابش و زاویه دید مرتبط میکند.
در مدل Cook-Torrance، بازتاب براق آینهمانند از پراکندگی پخششده جدا میشود و پارامترهایی مانند زبری سطح، میزان پخش و شکست نور در نظر گرفته میشود.
پس از برازش این پارامترها، شبیهسازیهای پرتومحور تاج گیاه میتوانند بدون نیاز به اندازهگیری جدید، ویژگیهای نوری برگها را بین لایهها جابهجا کنند.
ویژگیهای برگ مؤثر بر بازتاب نور
پیشبینی ویژگیهای نوری از صفاتی آغاز میشود که اندازهگیری آنها ساده است. مانند ضخامت برگ یا سطح رنگدانهها.
- ضخامت برگ
- وزن مخصوص برگ
- جرم خشک در واحد سطح برگ
- میزان رنگدانهها
- ریززبری سطح از تصاویر مقطعی
بازتاب در ناحیه مرئی تابع رنگدانههاست. اما بازتاب در مادونقرمز نزدیک بیشتر به ساختار برگ وابسته است. بنابراین مجموعه صفات باید هر دو جنبه را پوشش دهد.
دو نوع بازتاب نور از سطح برگ
اندازهگیریهای جهتدار نشان میدهد که هنگام خروج نور از سطح برگ، یک قله باریک در کنار یک پسزمینه گسترده دیده میشود.
قله باریک ناشی از بازتاب براق است. بازتابی آینهمانند از بخشهای صافتر سطح. در حالیکه پراکندگی پخششده، نور را در جهات مختلف پخش میکند.
با تغییر زبری سطح، پهنای این قله تغییر میکند. بنابراین دو برگ با رنگدانههای مشابه میتوانند بخشهای متفاوتی از تاج گیاه را روشن کنند.
امضای نوری متفاوت گونهها
ذرت، برنج، صنوبر و پنبه پس از اندازهگیری از هر دو سطح برگ و از لایههای بالایی و پایینی تاج، الگوهای بازتابی متمایزی نشان دادند.
تفاوت در زبری سطح کمک کرد توضیح داده شود چرا برخی گونهها براقتر به نظر میرسند. بافت میکروسکوپی سطح، نور بازتابی را در جهات مختلف پخش میکند.
از آنجا که محصولات در شرایط نوری متغیر رشد میکنند، این تفاوتهای ذاتی نوری میتواند تعیین کند کدام برگها نور قابل استفاده دریافت میکنند.
شبیهسازی مسیر حرکت نور در تاج گیاه
تیم پژوهشی از ردیابی پرتو استفاده کرد. روشی شبیهسازی که مسیر تعداد زیادی پرتو نور را در یک صحنه دنبال میکند. این شبیهسازی درون یک تاج سهبعدی برنج انجام شد.
با تغییر زبری یا میزان پراکندگی پخششده، مدل توزیع نور پراکنده را بین لایههای تاج تغییر داد و سطح نور محلی دگرگون شد.
از آنجا که فتوسنتز به جهشهای نوری سریع واکنش نشان میدهد، این تغییرات میتواند حتی با ثابت ماندن نور بالای تاج، تولید روزانه قند را تغییر دهد.
از صفات برگ تا پارامترهای نوری
«در این مطالعه، راهبردی برای برآورد ویژگیهای نوری برگ بر اساس ویژگیهای آناتومیکی برگ توسعه دادیم.» — دکتر ژو
نمونههای آموزشی، دادههای نوری اندازهگیریشده را با صفات برگ جفت کردند. به این ترتیب، با یادگیری پیوندهای پایدار میان برگهای متعدد، دقت پیشبینی افزایش یافت.
پس از جمعآوری دادههای صفات، این چارچوب میتواند بدون اسکن زاویهای تکراری در هر آزمایش جدید، ویژگیهای نوری را تخمین بزند.
الگوهای نوری پیچیده و نقش یادگیری ماشین
مرحله پیشبینی بر یادگیری ماشین تکیه داشت. نرمافزاری که بهجای یک معادله ثابت، الگوهای ارتباطی میان ورودیها و خروجیها را مییابد.
ترکیب چند مدل پیشبینی بهصورت پشتهای انجام شد. یک مدل اثرات غیرخطی را ثبت میکرد و مدلی دیگر روابط نرمتر میان صفات را مدیریت میکرد.
این ترکیب اهمیت دارد. زیرا اپتیک برگ به بافت سطح و شیمی درونی وابسته است. این عوامل بهندرت مستقل از هم تغییر میکنند.
محدودیتهای پیشبینی ویژگیهای نوری
یکی از مؤلفههای BRDF یعنی ضریب شکست که نشان میدهد نور تا چه حد در بافت گیاه کند میشود، پیشبینیپذیری کمتری داشت.
محتوای آب و فضاهای هوایی داخلی هر دو بر شکست و پراکندگی نور اثر میگذارند. با این حال این صفات همیشه اندازهگیری نمیشوند.
برای اصلاحگران، این موضوع به معنای آن است که در شرایط خشکی یا گرما، پیشبینیهای نوری ممکن است به دادههای تکمیلی درباره آب برگ نیاز داشته باشد.
نور بهعنوان یک صفت قابل اصلاح
پیوند دادن اپتیک با صفات برگ، فنوتیپبرداری پربازده را عملی میکند. یعنی اندازهگیری سریع تعداد زیادی گیاه با حسگرها در برنامههای اصلاح نژاد.
بهجای اندازهگیری زاویهها برای هر برگ، اصلاحگران میتوانند صفات رایج برگ را ثبت کنند و سپس اپتیک تاج گیاه را محاسبه کنند.
ادغام این برآوردهای نوری در مدلهای زراعی میتواند ارقامی را برجسته کند که نور را عمیقتر در تاج پخش میکنند، بدون آنکه فتوسنتز برگهای بالایی کاهش یابد.
در مجموع، این چارچوب ساختار برگ، رنگدانهها و زوایای بازتاب اندازهگیریشده را به شبیهسازیهای تاج گیاه پیوند میدهد و برگها را بهعنوان واحدهای مستقل در نظر میگیرد.
آزمایشهای گستردهتر در مزارع واقعی و روی گونههای بیشتر نشان خواهد داد که این پیشبینیها در برابر باد، گردوغبار و تنشهای محیطی تا چه حد پایدار هستند.
این مطالعه در نشریه علمی Plant Phenomics منتشر شده است.
جمعبندی نهایی
پیشبینی دقیق پراکندگی نور توسط برگها میتواند ابزار تازهای در اصلاح نژاد گیاهان باشد و راه را برای افزایش پایدار عملکرد محصولات در مزارع متراکم هموار کند.
اگر به فناوریهای نوین کشاورزی علاقهمند هستید، این مقاله را با دیگران به اشتراک بگذارید یا دیدگاه خود را در بخش نظرات با ما مطرح کنید.
