Forskare har utvecklat ett nytt bildsystem som är utformat för att övervaka hälsan hos grödor på fältet eller i växthuset. Den nya tekniken kan en dag spara bönder betydande pengar och tid genom att möjliggöra intelligent jordbruksutrustning som automatiskt ger växter vatten eller näringsämnen vid de första tecknen på nöd. Med vidare utveckling, systemet har potential att användas ombord på obemannade flygbilar för att fjärrövervaka grödor.

Bildsystemet detekterar fluorescens från klorofyll, ett pigment som ger växterna sin gröna färg och är avgörande för att absorbera solljuset som växter använder för att skapa energi genom fotosyntes. Övervakning av klorofyll och hur fotosyntes utförs i en växt ger inblick i växternas hälsa och tillväxt.

I tidskriften The Optical Society Tillämpad optik , forskare under ledning av Xu Liu från Zhejiang -universitetet i Kina beskriver deras nya växtbildsystem. Den kan avbilda ett område som mäter 45 x 34 centimeter, ungefär fyra gånger större än kommersiellt tillgängliga klorofyllbildare.

"De flesta instrument som används för klorofyllfluorescensavbildning är endast lämpliga för laboratoriebruk, men vi vill utveckla ett system som kan övervaka grödors hälsa på ett åker eller växthus, "sa Haifeng Li, medlem i forskargruppen. "Det stora detekteringsområdet för vår växtbildare för oss närmare det målet."

Förutom att hjälpa bönderna att kontrollera grödans hälsa, det nya systemet kommer att vara till hjälp för att studera hur växter reagerar på förändringar i växtförhållanden och för fenotypning med hög genomströmning, en automatiserad metod som används inom växtforskning och -utveckling för att analysera hur genetiska modifieringar påverkar växtegenskaper som bladstorlek eller torkresistens i ett stort antal växter. Tekniken kan också modifieras för mikroskopi, möjliggör avbildning av fotosyntes inuti växtcellerna.

"Klorofyllfluorescensavbildning har använts i stor utsträckning inom akademisk forskning, " sa Li. "Vårt system kommer att tillåta den här tekniken att gå bortom labbet, där den kan användas för att utveckla och studera grödor med högre skörd, till exempel."

Mer data ger en bättre bild

Det begränsade avbildningsområdet för kommersiellt tillgängliga klorofyllfluorescensbilder begränsar dessa instrument till avbildning, som mest, en eller två plantor åt gången. Faktiskt, vissa bildare fångar bara fluorescens från några blad åt gången. Eftersom fotosyntesen kan variera från växt till växt och till och med från blad till blad, många bilder måste införskaffas för att få en bild av den totala grödans tillväxt.

På en bild, den nya växtbildaren kan fånga fluorescens från sju eller åtta plantor, beroende på deras storlek. Dessa ytterligare växter ger tillräckligt med data för att få en riktig bild av grödors hälsa från bara en bild. Forskarna införlivade också en skanningsmekanism som ökar avbildningsområdet till 2 meter brett.

"Genom att skaffa en stor mängd data, vårt system kan avsevärt minska felet vid analys av en grödors fysiologiska status och övervakningseffektiviteten av växtodlingsförhållanden, utan att kräva upprepade provtagningar, "sa Li.

Stor belysning

Att upptäcka fluorescens från klorofyll kräver att pigmentet belyses med ljus som exciterar molekyler i klorofyllet, får dem att avge ljus. Forskarna använde 16 belysningsmoduler som var och en hade en kraftfull LED för att skapa detta exciteringsljus.

För varje belysningsmodul, forskarna utformade en serie linser och optiska komponenter som skapade ett rektangulärt belysningsområde genom en process som kallas punktformning. Ljus från varje modul fokuserades på mitten av bildområdet och överlagrades för att skapa stark och jämn belysning.

"Bildområdet 45 x 34 centimeter är det största tillgängliga för denna typ av bildsystem, "sa Li." Vårt instrument använder unikt LED -belysning för omformning för att åstadkomma jämn belysning över hela bildområdet och för att säkerställa att det mesta av ljusenergin används för belysning och inte slösas bort. "

Forskarna testade den nya enheten genom att använda den för att bilda gurka plantor odlade under stressiga förhållanden som antingen innebar vatten- eller kvävebrist. I båda fallen visade instrumentet förändringar i klorofyllfluorescens som motsvarade sjunkande växtskydd över tiden.

Forskarna arbetar nu med att öka systemets ljusenergianvändning genom att förbättra tillverkningsteknikerna, såsom införlivande av linsbeläggningar, används för att göra de optiska komponenterna. De vill också minska bildens vikt och volym för att göra den mer mobil och mer praktisk för användning i fält och växthus.