Early detection and discrimination of biotic and abiotic stresses in <em>Triticum aestivum </em>and<em> Malus domestica</em> by means of chlorophyll fluorescence

Abstract

The key objective of this work was to assess the potential of selected chlorophyll fluorescence techniques for detection of temporal and spatial changes in leaf and plant response to economically important stress factors as a basis for implementing these techniques in ‘Precision Farming’. <br /> PAM fluorescence imaging enabled pre-symptomal pathogen detection and visualisation of spatial differences during proceeding Blumeria graminis and Puccinia triticina infections at the individual wheat leaf level. The initial infection of both fungi caused an increase in ground fluorescence (Fo) and a decrease in photochemical efficiency (Fv/Fo, Fv/Fm). Among the evaluated fluorescence parameters, Fv/Fo displayed the most pronounced response to both kinds of infection. However, the detection of pathogen infection appeared less effective if fluorescence images were taken on leaves without previous dark adaptation. <br /> The approach of ‘multipoint’ scanning Laser-Induced Fluorescence (LIF) was applied for detection and discrimination of biotic (leaf rust and powdery mildew) and abiotic (Nitrogen deficiency) stress factors in the light at wheat leaf and canopy level. The results of cross-validation analysis indicated that using this technique, samples with pathogen infections may be miss-recognised as N-deficiency and vice versa. However, considering heterogeneity of fluorescence signals in addition to their mean values significantly improved the identification accuracy of N-deficiency and leaf rust infection at both leaf and canopy level. <br /> In order to avoid misinterpretation of fluorescence signals in ‘Precision Farming’, the effect of enhanced UV-B radiation on LIF and PAM parameters was studied on apple (Malus domestica Borkh.) leaves. Short-term UV-B stress affected neither chlorophyll content nor reflection characteristics of apple leaves, but could be well detected by both fluorescence techniques. Significantly reduced fluorescence intensities and F686/F740 values as well as a high spatial heterogeneity of photosynthetic performance after UV-B stress have to be taken into account for applying these techniques under field conditions. However, the disturbance in photosynthetic functionality was followed by a continuous recovery process as indicated by restoring fluorescence parameters. The rate of recovery was dependent on UV-B dose.<br /> An additional objective of this thesis was to investigate the capability of LIF and light-remission techniques for detecting senescence-induced heterogeneities in apple (cvs ‘Jonagold’ and ‘Golden Delicious’) peel chlorophyll content and internal fruit quality characteristics under shelf life conditions. Changes in ground colour of apple fruit could be successfully monitored by LIF and light-remission techniques, whereas NDVI and fluorescence emission at 730 nm showed the strongest correlation with peel chlorophyll content. The ‘multipoint’ fluorescence scanning mode of LIF technique provided also detailed information on fruit colour heterogeneities. The correlation degree between remission and fluorescence parameters with internal fruit parameters and maturity could be significantly improved by taking into respect differences in pigment content and flesh characteristics on the sunlit and shaded apple sides.

<p><strong>Früherkennung und Unterscheidung biotischen und abiotischen Stresses bei Triticum aestivum and Malus domestica mittels Chlorophyllfluoreszenz-basierender Verfahren</strong><br /> Zielsetzung dieser Arbeit war es, das Potenzial ausgewählter Chlorophyllfluoreszenz-basierender Verfahren zur Erkennung der zeitlichen und räumlichen Dynamik von Blatt- und Pflanzenreaktionen auf ökonomisch relevante Stressfaktoren zu ermitteln und somit eine Grundlage für den Einsatz dieser Techniken im Präzisionspflanzenbau zu schaffen. <br /> Die bildgebende PAM Fluoreszenz ermöglichte eine prä-symptomale Pathogenerkennung und Visualisierung räumlicher Unterschiede während des Infektionsverlaufes von Blumeria graminis und Puccinia triticina auf Ebene einzelner Weizenblätter. Beide Pilze verursachten zu Beginn der Infektion einen Anstieg der Grundfluoreszenz (Fo) und eine Verringerung der photochemischen Effizienz (Fv/Fo, Fv/Fm). Unter den erhobenen Parametern zeigte Fv/Fo die stärkste Reaktion auf vorgenannte pilzliche Erreger. Fluoreszenzaufnahmen ohne Vorverdunklung erschwerten eine gesicherte Erkennung des Pathogenbefalls. <br /> Der Ansatz der ‘multipoint’ scannenden Laser-Induzierten Fluoreszenz (LIF) wurde unter Lichtbedingungen zur Erkennung und Unterscheidung biotischer (Braunrost und Echter Mehltau) und abiotischer (Stickstoffmangel) Stressfaktoren auf Blatt- und Bestandesebene an Weizen getestet. Die Kreuzvalidierung der Messwerte ergab, dass anhand dieses Verfahrens eine eindeutige Unterscheidung zwischen Pathogeninfektionen und N-Mangel nicht gewährleistet werden kann. Allerdings führte die Berücksichtigung der Heterogenität der Fluoreszenzsignale zusätzlich zu den Mittelwerten sowohl auf Blatt- als auch auf Bestandesebene zu einer signifikanten Verbesserung der Identifikationsgenauigkeit von N-Mangel und Braunrost. <br /> Zur Vermeidung von Fehlinterpretationen von Fluoreszenzsignalen im Präzisionspflanzen-bau wurde der Einfluss erhöhter UV-B Strahlung auf LIF- und PAM-Parameter an Apfelsämlingen (Malus domestica Borkh.) untersucht. Kurzzeitiger UV-B Stress beeinflusste weder den Chlorophyllgehalt noch die Reflexionseigenschaften der Blätter, konnte jedoch mit beiden Fluoreszenztechniken erfasst werden. Signifikant reduzierte Fluoreszenzintensitäten und F686/F740-Werte sowie eine hohe räumliche Heterogenität der photosynthetischen Effizienz nach einem UV-B Stress sind bei einem Einsatz dieser Techniken im Freiland zu berücksichtigen. Auf die Störung in der photosynthetischen Funktionalität folgte, in Abhängigkeit von der UV-B Dosis, ein kontinuierlicher Regenerationsprozess.<br /> Eine weitere Fragestellung dieser Arbeit war es, das Potenzial von LIF- und Remissions-Techniken zur Erkennung Seneszenz-induzierter Heterogenitäten im Chlorophyllgehalt der Apfelschale (cvs ‘Jonagold’ und ‘Golden Delicious’) und innerer Fruchtqualitätsmerkmale unter ‘shelf life’ Bedingungen zu bestimmen. Veränderungen in der Grundfarbe von Äpfeln waren erfolgreich mittels LIF- und Remissionstechniken zu ermitteln, wobei der NDVI und die Fluoreszenzemission bei 730 nm die stärkste Korrelation mit dem Chlorophyllgehalt in der Apfelschale lieferten. Der scannende ‘multipoint’ Fluoreszenzmodus der LIF Technik ermöglichte zugleich eine detaillierte Erfassung von Heterogenitäten in der Fruchtfarbe. Die Korrelation von Remissions- und Fluoreszenzparametern mit inneren Frucht- und Reife-merkmalen konnte unter Berücksichtigung von Unterschieden im Pigmentgehalt und der Fruchtfleischeigenschaften von Sonnen- und Schattenseiten signifikant verbessert werden.</p>