استفاده از روش‌های تصویربرداری فروسرخ حرارتی و طیف‌سنجی مرئی-‌فروسرخ نزدیک جهت تشخیص تنش‌های شوری و خشکی در دو ژنوتیپ از گیاه کنجد

STUDENT

DEGREE

YEAR

There have been studies on the effect of water and salinity stresses on leaf stomatal conductance (g s ) and relative water content (RWC); however, the scientific reports on using non-contact techniques such as thermography and spectroscopy for sesame ( Sesamum indicum L. ) are rare. In this study, the possibility of using indices extracted from canopy thermal images and leaf reflectance spectrum in Vis/NIR region, for high throughput phenotyping of two susceptible and resistant sesame genotypes to water/salinity stress, respectively “Naz-Takshakhe” and “Yekta”, were instigated. In this regards, a study was conducted in two phases: (1) water stress experiment and (2) salinity stress experiment. In each experiment, one hundred and fifty pots from each genotype were randomly assigned to three equal groups. In water stress experiment, pots were irrigated at soil water potential of?0.1 MPa (well-watered, WW), ?1.0 MPa (moderate-water stressed, MWS), and ?1.5 MPa (severe-water stressed, SWS). In salinity stress experiment, the pots were exposed to three levels of salinity: 0 (well-watered; WSS), 60 (moderate-salt stressed; MSS) and 90 (severe-salt stressed; ) millimolar solution of NaCl. Then, thermal images and Vis/NIR spectrum were obtains respectively from canopy and leaves of each pot. The RWC and g s were measured on each pot, as well. The water stress experiment’s results showed that “Naz-Takshakhe” decreased its g s , 30% more than “Yekta” and retained its RWC 10% more than it. This study validates the effectiveness of developed thermal imaging system, using CWSI/Ig for non-destructive detection of water stress in both genotypes of sesame. The results also confirmed that Vis/NIR spectroscopy is a rapid, accurate, and non-destructive phenotyping method for detecting water status in sesame, as well as estimating RWC in both “Naz-Takshakhe” and “Yekta” genotypes. The salinity stress experiment showed that “Naz-Takshakhe” decreased its g s , 8% more than “Yekta” and retained its RWC 6% more than “Yekta”. The results also showed that CWSI/Ig were able to predict RWC and g s in plant under salinity stress in both genotypes; but in salt stressed plants, due to their slight temperature changes in sesame canopy, the strength of these indices is not as strong as physiological methods to detect salinity stress in them. This study showed that Vis/NIR spectroscopy is a rapid, accurate and non-destructive method for detecting salinity stress in sesame. In general, more severe temperature changes in “Naz-Takshakh” than “Yekta”, under both salinity and water stresses, yielded to CWSI/Ig indices extracted from thermal images, have stronger relationships with g s in this genotype. On the other hand, stronger changes in RWC in “Yekta” than “Naz-Takshakhe” under both salinity and water stresses, resulted in better performance of reflectance spectrum in detecting water and salinity stresses in this genotype. Comparison of two approaches of applying canopy thermal features and leaf reflectance spectra, to Keywords : stomatal conductance (g s ), relative water content (RWC), crop water stress index (CWSI), stomatal conductance index (Ig), water stress, salinity stress, Vis/NIR spectroscopy, thermal imaging.

تاکنون مطالعات زیادی در زمینه تأثیر تنش های آبی و شوری بر ویژگی‌های فیزیولوژیک گیاهان زراعی از جمله هدایت روزنه‌ای (g s ) و محتوای آب نسبی (RWC) برگ انجام گرفته است؛ با این وجود، گزارش‌های علمی در زمینه استفاده از روش‌های غیرتماسی مانند تصویربرداری فروسرخ حرارتی و طیف سنجی مرئی/فروسرخ نزدیک در تشخیص این تنش‌ها در گیاه کنجد ( Sesamum indicum L.) بسیار نادر هستند. در این پژوهش، امکان استفاده از شاخص‌های استخراج شده از تصاویر فروسرخ حرارتی کانوپی گیاه کنجد و طیف بازتابشی برگ آن در محدوده امواج مرئی/فروسرخ نزدیک، بمنظور غربالگری سریع دو ژنوتیپ حساس و مقاوم به تنش آبی/شوری گیاه کنجد به‌ترتیب با نام‌های ناز- تک‌شاخه و یکتا، مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور، مطالعه‌ای در دو بخش شامل: (1) آزمایش‌ تنش آبی و (2) آزمایش تنش شوری انجام گرفت. در هر آزمایش، صد و پنجاه گلدان از هر یک از دو ژنوتیپ بطور تصادفی به سه گروه مساوی تقسیم شدند. در آزمایش تنش آبی، گلدان‌ها تحت سه رژیم آبیاری شامل: آبیاری در پتانسیل مکشی خاک 1/0- (خوب آبیاری شده، WW)، 1- (تنش آبی متوسط، MWS) و 5/1- مگاپاسکال (تنش آبی شدید، SWS) قرار گرفتند. در آزمایش تنش شوری، گلدان‌ها تحت سه سطح شوری شامل: سطح 0 (بدون تنش؛ WSS)، 60 (تنش متوسط؛ MSS) و 90 (تنش شدید؛ ) میلی مولار نمک طعام خالص (NaCl) قرار گرفتند. سپس از برگ، طیف مرئی/فروسرخ نزدیک و از کانوپی گیا هان، تصاویر فروسرخ حرارتی تهیه شد. RWC و g s برگ‌های هر گلدان نیز اندازه‌گیری شدند. نتایج آزمایش‌های تنش آبی نشان داد که ژنوتیپ ناز-تک‌شاخه، تحت تنش آبی شدید، میزان هدایت روزنه‌ای برگ‌ها را نسبت به ژنوتیپ یکتا به میزان 30% بیشتر کاهش داد و باعث حفظ رطوبت برگ به میزان 10% بیشتر از ژنوتیپ یکتا شد. تشخیص تنش آبی با استفاده از شاخص تنش آبی گیاه (CWSI) یا شاخص هدایت روزنه‌ای (I g ) استخراج شده از تصاویر حرارتی، در هر دو ژنوتیپ، تایید کننده کارآمدی سیستم تصویربرداری حرارتی توسعه یافته می‌باشد. این مطالعه همچنین نشان داد طیف‌سنجی مرئی/فروسرخ نزدیک یک روش غربالگری سریع، دقیق و غیر مخرب برای تشخیص شرایط آبی گیاه کنجد و همچنین تخمین محتوای رطوبت نسبی (RWC) برگ برای هر دو ژنوتیپ یکتا و ناز-تک‌شاخه است. نتایج آزمایش‌های تنش شوری نیز نشان داد که ژنوتیپ ناز-تک‌شاخه، تحت تنش شدید شوری، میزان هدایت روزنه‌ای برگ‌ها را نسبت به ژنوتیپ یکتا به میزان 8% بیشتر کاهش داد و باعث حفظ رطوبت برگ به میزان 6% بیشتر از ژنوتیپ یکتا، شد. نتایج همچنین نشان داد که شاخص‌های دمایی CWSI/I g توانایی پیش‌بینی RWC و g s در گیاهان تحت تنش شوری را در هر دو ژنوتیپ ناز-تک‌شاخه و یکتا، دارا می باشند؛ ولی در گیاهان تحت تنش شوری، به دلیل تغییرات دمایی اندک در کانوپی گیاه کنجد، قدرت این شاخص‌ها به اندازه روش‌های فیزیولوژیک برای تشخیص تنش شوری در این گیاه نمی‌باشد. این مطالعه نشان داد طیف‌سنجی مرئی-فروسرخ نزدیک یک روش سریع، دقیق و غیر مخرب برای تشخیص تنش شوری در گیاه کنجد است. در کل، تغییرات حرارتی شدیدتر در ژنوتیپ ناز-تک‌شاخه نسبت به ژنوتیپ یکتا تحت هر دو تنش آبی و شوری باعث شد که شاخص‌های CWSI/I g استخراج شده از تصاویر فروسرخ حرارتی، روابط قویتری با g s برگ در این ژنوتیپ داشته باشند. از طرف دیگر، تغییرات شدیدترRWC برگ در ژنوتیپ یکتا نسبت به ناز-تک‌شاخه تحت هر دو تنش آبی و شوری منجر به عملکرد بهتر طیف بازتابشی در تشخیص شرایط آبی در این ژنوتیپ، توسط همه شاخص‌ها و نسبت های استخراج شده از طیف شد. مقایسه دو رویکرد استفاده از ویژگی های استخراج شده از تصاویر حرارتی و طیف بازتابشی گرفته شده از برگ جهت دسته‌بندی نمونه‌ها به دو گروه ژنوتیپ ناز-تک‌شاخه و یکتا نشان داد که طیف بازتابشی مرئی فروسرخ نزدیک، توانایی بیشتر جهت تشخیص و دسته‌بندی دو ژنوتیپ به دو کلاس یکتا و ناز تک‌شاخه دارد. این پژوهش همچنین نشان داد که استفاده از طیف بازتابشی مرئی-فروسرخ نزدیک با قدرت بالاتری قادر به تفکیک سطوح تنش آبی/شوری در هردو ژنوتیپ یکتا و ناز-تک‌شاخه، نسبت به ویژگی‌های استخراج شده از تصاویر حرارتی می‌باشد. کلمات کلیدی : هدایت روزنه‌ای (g s )، محتوای آب نسبی (RWC)، شاخص تنش آبی (CWSI)، شاخص هدایت روزنه‌ای (I g )، تنش آبی، تنش شوری، طیف‌سنجی مرئی-فروسرخ نزدیک، تصویربرداری حرارتی.