Koherenční zrnitost pomáhá sledovat stres rostlin

Laboratoř koherenční zrnitosti ve Společné laboratoři optiky UP a FZÚ AV ČR vyvinula neinvazivní metodu pro sledování reakcí rostlin na vyvolaný stres. Koherenční zrnitost je jev, při kterém se matný (opticky drsný) povrch předmětu nasvítí koherentním laserovým svazkem a odražené světelné pole vykazuje typickou zrnitou strukturu způsobenou interferencí světla odraženého od různých míst předmětu. Struktura odraženého světelného pole je citlivá na pohyby a deformace předmětu a umožňuje tak precizně sledovat změny, kterými povrch předmětu prochází. Koherenční zrnitost rovněž vzniká při průchodu laserového svazku průsvitným předmětem.

V případě experimentu nedávno realizovaného ve spolupráci několika olomouckých pracovišť byly objektem lístky rajčete po jejich oddělení od mateřské rostliny. Pole koherenční zrnitosti, respektive jeho rovinný řez známý jako struktura koherenční zrnitosti, bylo po průchodu laserového svazku lístkem zaznamenáváno CMOS kamerou po dobu téměř dvou dnů. Pro popis dynamických změn probíhajících uvnitř testovaného lístku bylo využito metod matematické statistiky, což umožnilo analyzovat časový průběh dynamické odezvy jak v celé vybrané oblasti lístku, tak v různých bodech této oblasti.

Zkoumají se dynamické procesy odrážející stresové reakce procházející cévním svazkem a mezofylovými buňkami lístku. Ačkoli procesy v cévním svazku postupně ustávají, procesy v mezofylových buňkách vykazují opačnou reakci na stres způsobený oddělením lístku. V rámci jediného lístku je tak zjištěna značná heterogenita dynamické odezvy, což tuto unikátní optickou metodu předurčuje k otevření nové cesty pro neinvazivní sledování biologických vzorků.

Experimenty probíhaly několik let, a to ve spolupráci Společné laboratoře optiky (P. Horváth, P. Šmíd) s katedrou biofyziky (J. Pechník) a katedrou chemické biologie (V. Nožková). Katedra biofyziky poskytovala pro experimenty vzorky rostlin vypěstované ve speciální fytokomoře a katedra chemické biologie zajišťovala odborné konzultace ohledně chování rostlin vystavených stresu. Výsledky experimentů byly zveřejněny v prestižním časopise Optics and Lasers in Engineering [Horváth2024] a také představeny na mezinárodní konferenci ODAM 2023 v Olomouci [Šmíd 2023a, Šmíd 2023b].

[Horváth2024] Horváth, P., Šmíd, P., Nožková, V., Pechník, J. Non-invasive optical technique based on speckle phenomenon for application in plant stress physiology. Optics and Lasers in Engineering 172, 107870, 2024.DOI: 10.1016/j.optlaseng.2023.107870.

[Šmíd2023a] Šmíd, P., Horváth P., Nožková V., Pechník J.: Statistical Characteristics in Study of Structural Changes During Desiccation Stress of Plant Leaf by Speckle Effect. In: Fišerová, E.; Hron, K.; Machalová, (eds.) Book of abstracts Olomoucian Days of Applied Mathematics 2023 (ODAM), 12-14. 6. 2023, Olomouc, p. 71, 2023.

[Šmíd2023b] Šmíd, P., Horváth P., Nožková V., Pechník J.: Statistical Characteristics in Study of Structural Changes During Desiccation Stress of Plant Leaf by Speckle Effect, Olomoucian Days of Applied Mathematics 2023 (ODAM), 12-14. 6. 2023, Olomouc. Poster.