Wavelength Response, Classification and Environmental Stress Effects in Plants as Studied by Laser-Induced Fluorescence Techniques

Abstract

In this study, laser induced fluorescence (LIF) technique was used to study the

different emitted chlorophyll spectra excited by different exciting wavelengths, to

choose a suitable exciting source for plant classification, and to choose a suitable

exciting source for monitoring the growth of different plants. To measure the

fluorescence spectra of different plants and try to make classifications according to

their genetic variability and physiological status. Monitor the growth of plants under

the stress of radiation, and develop a method for radiation contamination detection.

Monitor the growth of some cash crops. The analysis of the fluorescence spectra was

performed using peak intensity ratio (P.I.R.) and area ratio (A.R.) of Photosystem II

(PSII) and Photosystem I (PSI) from the Gaussian curves fitting.

In this study, laser induced fluorescence (LIF) technique was used to study the

different emitted chlorophyll spectra excited by different exciting wavelengths, to

choose a suitable exciting source for plant classification, and to choose a suitable

exciting source for monitoring the growth of different plants. To measure the

fluorescence spectra of different plants and try to make classifications according to

their genetic variability and physiological status. Monitor the growth of plants under

the stress of radiation, and develop a method for radiation contamination detection.

Monitor the growth of some cash crops. The analysis of the fluorescence spectra was

performed using peak intensity ratio (P.I.R.) and area ratio (A.R.) of Photosystem II

(PSII) and Photosystem I (PSI) from the Gaussian curves fitting.

The response of the

in vivo

chlorophyll fluorescence spectrum from the leaf of

Azadarichta indica

to different laser excitation wavelength ranging from 337.1 nm to

665 nm was studied. The chlorophyll fluorescence spectrum was seen to vary in shape

by changing the excitation wavelength. The different absorbing pigments as well as

the reabsorption process are responsible for these differences. The ratio of PSII/PSI

was decreased as we go from the less penetrating exciting source 337.1 nm to the

more penetrating exciting source 665 nm. The suitable exciting source for the plant

classification is the one which is able to excite simultaneously the Q bands and the

Soret bands. This property provide the chance of studying the different pigments

fluorescence as well as comparing between different spectral shapes. The suitable

source for the plants monitoring, is the monochromatic blue light 450 nm which is

emitted from the light emitting diode (LED), because it excites a very nice two

photosystems bands which are not affected by the spectrum of the exciting

wavelength. In addition, the LED is soft compared to lasers sources because it is only

monochromatic but not coherent and its power (60μW) is so small in comparison to

other usable sources, so it has no any damage effect on the plant tissue of the leaf.

The induced fluorescence technique using He-Ne (632.8 nm) as well as the

monochromatic blue light from light emitting diode (450 nm) was successfully used

to detect fluorescence spectra of different plants type. Although the usable sources i.e.

He-Ne and LED, are absorbed by different pigments, they excite the same two band

peaks, which are PSII and PSI, only the Q bands of the chlorophyll. The peak

positions differ slightly from one plant to another and this was observed also within

the same family.

The classification of the plants according to variability status was studied by the

laser-induced fluorescence technique excited by a pulsed N

2

laser emitting at 337.1

nm. The results of six different groups (hardwood dicots, herbaceous dicots,

hardwood monocots, herbaceous monocots, gymnosperms, and algae), were

presented. These groups were identified on the basis of their different fluorescence

spectral shapes emitted from both the Q bands and the Soret bands.

Monitoring the growth of the (

Arachis hypogea

L.) in a radioactively contaminated

environment was reported. Fluorescence emission was induced by monochromatic

light of 450 nm wavelength, from a light emitting diode (LED). Results revealed that

the group of radiation-free environment followed a linear relation between the peak

intensity ratio (P.I.R.) or the area ratio (A.R.) against time of growth, other groups

violated linearity to saturation after a period of approximately two weeks from the

emergence of the first foliage leaves.

Also

monitoring the growth of some cash crops in different environments, using

light induced fluorescence was studied, using monochromatic blue light of 450 nm.

The plants grown at normal conditions followed a linear function, while that grown at

abnormal conditions followed a binomial function.

Results obtained in this work, are compared with published ones

فى هذه الطروحة استخدمت تقنية التفلور بالحث الليزرى لدراسة اطياف الكلوروفيل المنبعثة باستخدام ليزريات

ذات اطوال موجية مختلفة و ذلك لختيار مصييدر اللييبزر المناسييب فييي دراسيية تصيينيف النبييات و كييذلك اختيييار

المصدر المناسب في دراسة نمو النباتات المختلفة.

و قد تم تصنيف النباتات بالعتماد على الختلفات الجينية او الوراثية للعينييات و كييذلك علييى الحاليية الوظيفييية

لها. اما متابعة نمو النباتات فقد تمت فى ظروف بيئية غير طبيعية بالنسبة للنباتات مثييل دراسيية نمييو النباتييات فييي

بيئة ملوثة بالشععاع ودراسة اثر ذلك على النمو. كذلك دراسة نمو النباتات في الظل او نموها في موسييم زراعييى

مختلف و مقارنة هذه الدراسة مع دراسة في ظروف طبيعية مثلى للنباتات

م تحليل النتائج المتحصل عليها في هييذه الطروحيية بدراسيية الختلف النسييبى فييي شعييدة التفلييور و كييذلك فييي

مساحة المنحنيات بين مراكز التمثيل الضوئى ) مركز التمثيل الضوئى

ΙΙ

/ مركز التمثيل الضوئى

Ι

( و ذلك بعييد

معالجتها بمنحنيات قاوس.

درست استجابة اطياف الكلوروفيل المنبعثة من نبات النيم عند اثارته بليزريات ذات اطوال موجية مختلفة فييي

المدى من

337.1

نانومتر الى

665

نانومتر و قد ليوحظ ان اشعيكال الطيياف المنبعثية يختليف بياختلف الطيول

الموجى المستخدم و اعزى هذا الختلف لختلف الصبغات التى يتييم فيهييا امتصيياص الضييوء اليييزرى وكييذلك

لظاهرة اعادة المتصاص في الكلوروفيل. وايضأ لوحظ ان النسبة بين مركزى التمثيل الضوئى)

ΙΙ / Ι

( تناسبت

تناسبا عكسيأ مع مدى مقدرة الليزر على اختراق العينة.

و قد وجد ان الليزر المناسب للستخدام في تصنيف النباتييات المختلفيية هييو ذلييك الييذى يسييتطيع اثييارة اطييياف

موجية متعددة للكلوروفيل في المدى اللونى الحمر و كذلك في المدى اللونى الزرق لتوسيع نطاق المقارنيية بييين

هذه الطياف المختلفة ودراسة تاثير الصبغات المختلفة في النبات. كما وجد ان المصييدر المناسييب لمتابعيية نمييو

النباتات هو الضوء الزرق لن الطياف المنبعثة من مراكز التمثيل الضوئى عند اثارتها بهييذا المصييدر ل تتيياثر

بالطيف المنبعث من المصدر نفسييه. اضييافة الييى ذلييك فييان قييدرة هييذا المصييدر صييغيرة جييدأ بالمقارنيية مييع بقييية

الليزريات المستخدمة و هذا يحمى النبات من التعرض للتلف.

ايضأ استخدمت تقنية التفلور بواسطة ليزر الهليييوم- نيييون و كييذلك باسييتخدام الضييوء الزرق المنبعييث ميين

الوصلت الثنائية فيي تصينيف النباتيات. و بيالرغم مين ان هيذه المصيادر تمتيص بواسيطة صيبغات مختلفية فيي

النباتات ال انها استطاعت اثارة اطياف موجية في المدى اللونى الحمر فقط وهى المراكز المسييئولة ميين التمثيييل

الضوئى. و قد لوحظ ان هذه الطياف المنبعثة تختلف اختلفأ طفيفأ في مواضع انبعاثها وذلك يساعد في تصيينيف

العائلت المختلفة للنباتات.

ايضأ تمت دراسة تصيينيف النباتييات بتقنييية التفلييور باسييتخدام ليييزر النيييتروجين و تييم التميييز بييين نتائييج سييتة

مجموعات مختلفة تحتوى على )اشعجار ذات الفلقتين, اعشاب ذات الفلقييتين, اشعييجار ذات الفلقيية الواحييدة, اعشيياب

ذات الفلقة الواحدة, صنوبريات و طحالب( و قد تم التميز بناءأ على المقارنة بين الطياف الموجية المنبعثة نتيجيية

لثارة الكلوروفيل في المدى اللونى الحمر مع الطياف الموجييية المنبعثيية نتيجيية لثييارة الكلوروفبييل فييي المييدى

اللونى الزرق.

ايضأ توبع نمو نبات الفول السودانى تحت تاثير التلوث الشععاعى لكل من اشععة

α

و

β

و

γ

باسييتخدام الضييوء

الزرق المنبعث من الوصلت الثنائية و قورنت هذه الدراسة مع نمو نبييات الفييول السييودانى فييي بيئيية خالييية ميين

الشععاع و مطابقة لظروف النمو المثلى ووجد ان النسبة في شعدة التفلور و مساحة المنحنيات بييين)مركييز التمثيييل

الضوئى

ΙΙ

/ مركز التمثيل الضوئى

Ι

( تتبع دالة خطية مع مرور الزمن في حالة البيئة الخالية ميين الشعييعاع بينمييا

تحيد عن الخطية في حالة البيئات الملوثة بالشععاع.

كما توبع نمو بعض المحاصيل النقدية في بيئات زراعية مثلى مع نميو هيذه المحاصييل فيي بيئيات غيير مثليى

)تحت تاثير الظل او نمو النباتات في غير موسمها( ووجد ان النباتات التى تنمو فييي ظييروف طبيعييية مثلييى تتبييع

دالة خطية في حين ان التى تنمو في ظروف طبيعية مغايرة تحيد عن هذه الدالة الخطية

للتاكد من النتائج المتحصل عليها في هذه الطروحة تمت مقارنتها مع نتائج سابقة تم نشرها