Pathogen infection in plants induces complex responses ranging from gene expression to metabolic processes in infected plants. In spite of many studies on biotic stress-related changes in host plants, little is known about the metabolic and phenotypic responses of the host plants to Pseudomonas cichorii infection based on image-based analysis. To investigate alterations in tomato plants according to disease severity, we inoculated plants with different cell densities of P. cichorii using dipping and syringe infiltration methods. High-dose inocula (${\geq}10^6cfu/ml$) induced evident necrotic lesions within one day that corresponded to bacterial growth in the infected tissues. Among the chlorophyll fluorescence parameters analyzed, changes in quantum yield of PSII (${\Phi}PSII$) and non-photochemical quenching (NPQ) preceded the appearance of visible symptoms, but maximum quantum efficiency of PSII ($F_v/F_m$) was altered well after symptom development. Visible/near infrared and chlorophyll fluorescence hyperspectral images detected changes before symptom appearance at low-density inoculation. The results of this study indicate that the P. cichorii infection severity can be detected by chlorophyll fluorescence assay and hyperspectral images prior to the onset of visible symptoms, indicating the feasibility of early detection of diseases. However, to detect disease development by hyperspectral imaging, more detailed protocols and analyses are necessary. Taken together, change in chlorophyll fluorescence is a good parameter for early detection of P. cichorii infection in tomato plants. In addition, image-based visualization of infection severity before visual damage appearance will contribute to effective management of plant diseases.
The response of the freshwater microalga Chlorella vulgaris to mercuric ion ($Hg^{2+}$) stress was examined using chlorophyll a fluorescence image analysis and O-J-I-P analysis as a way to monitor the toxic effects of mercury on water ecosystems. The levels of photosynthetic pigments, such as chlorophyll a and b and carotenoids, decreased with increasing $Hg^{2+}$ concentration. The maximum photochemical efficiency of photosystem II(Fv/Fm) changed remarkably with increasing $Hg^{2+}$ concentration and treatment time. In particular, above $200{\mu}M\;Hg^{2+}$, considerable mercury toxicity was seen within 2 h. The chlorophyll a fluorescence transient O-J-I-P was also remarkably affected by $Hg^{2+}$; the fluorescence emission decreased considerably in steps J, I, and P with an increase in $Hg^{2+}$ concentration when treated for 4 h. Subsequently, the JIP-test parameters (Fm, Fv/Fo, RC/CS, TRo/CS, ETo/CS, ${\Phi}_{PO}$, ${\Psi}_O$ and ${\Phi}_{EO}$) decreased with increasing $Hg^{2+}$ concentration, while N, Sm, ABS/RC, DIo/RC and DIo/CS increased. Therefore, a useful biomarker for investigating mercury stress in water ecosystems, and the parameters Fm, ${\Phi}_{PO}$, ${\Psi}_O$, and RC/CS can be used to monitor the environmental stress in water ecosystems quantitatively.
The response of the freshwater microalga, Chlorella vulgaris, to heavy metal stress was examined based on chlorophyll fluorescence analysis to assess the toxic effects of heavy metals in freshwater ecosystems. When toxic effects were analyzed using regular chlorophyll fluorescence analysis, photosystem II activity($F_v/F_m$) decreased significantly when exposed to $Cu^{2+}$ and $Hg^{2+}$ for 12 h, and decreased in the order of $Hg^{2+}>Cu^{2+}>Cd^{2+}>Ni^{2+}$ when exposed for 24h. The effective photochemical quantum yield(${\phi}{\prime}_{PSII}$), chlorophyll fluorescence decrease ratio($R_{Fd}$), minimal fluorescence yield($F_o$), and non-photochemical quenching(NPQ), but not photochemical quenching(qP), responded sensitively to $Hg^{2+}$, $Cu^{2+}$, and $Cd^{2+}$. These results suggest that $F_v/F_m$, as well as ${\phi}{\prime}_{PSII}$, $R_{Fd}$, $F_o$, and NPQ could be used to assess the effects of heavy metal ions in freshwater ecosystems. However, because many types of heavy metal ions and toxic compounds co-occur under natural conditions, it is difficult to assess heavy metal toxicity in freshwater ecosystems. When Chlorella was exposed to heavy metal ions for 12 or 24h, $F_v/F_m$ and maximal fluorescence yield($F_m$) changed in response to $Hg^{2+}$ and $Cu^{2+}$ based on image analysis. However, assessing quantitatively the toxic effects of several heavy metal ions is challenging.
Lee, Mi Kyung;Yoo, Sung Yung;Kim, Tae Wan;Ku, Hyun-Hwoi
Korean Journal of Environmental Agriculture
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v.39
no.2
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pp.138-141
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2020
BACKGROUND: Fresh weight is one of the major quality measurement factors in determining the quality of fresh fruits. A practical method has been developed for rapid and non-destructive measurement using the Chlorophyll Fluorescence Image (CFI) technique to estimate changes in fresh weight of post-harvest products. METHODS AND RESULTS: Kiwifruit (Actinidia deliciosa) was used and measured for the fresh weight and CFI under different temperature conditions at 0, 10, and 20℃, from 0 to 21 days after storage (DAS). We observed the fresh weight of kiwifruit and measured the surface image for determining Fv/Fm value in terms of maximum quantum yield on each day. To estimate freshness of kiwifruit we applied linear regression between the measured fruit weights and Fv/Fm values. Results showed that fruit weights were reduced by 4% at 0℃, 6% at 10℃, and 14% at 20℃ for 21 days, respectively. And also, the value of Fv/Fm was shown as decreasing trend at all temperature conditions, especially at 20 ℃. Fv/Fm values showed highly significant correlation (R2>0.9) with fresh weight of kiwifruit at all different storage temperatures. CONCLUSION: Thus, CFI technique can be useful to estimate the fresh weight of kiwifruit.
Choi, Su Min;Shin, Hyeon Cheol;Kim, Inhea;Huh, Keun Young;Kim, Daeil
Horticultural Science & Technology
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v.31
no.5
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pp.617-625
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2013
Stauntonia hexaphylla and Raphiolepis indica, cold-tolerant broadleaved evergreens ranging through the southern region of South Korea, were assessed on salt tolerance with NaCl treatment using visual damage, chlorophyll florescence image, and malondialdehyde (MDA) analysis. As NaCl concentrations increased, the soil pH decreased and EC increased, and the soil of S. hexaphylla was affected more strongly by the treatment than that of R. indica. In visual damage, S. hexaphylla withered above 200 mM NaCl at 20 days after the treatment. All individuals of R. indica survived during the experiment though the leaves of R. indica showed visual damages up to 400 mM NaCl. The color changes in chlorophyll fluorescence showed a strong correlation with the degree of visual damage. As NaCl increased, the red color of the leaves of S. hexaphylla was distinctly changed to blue and chlorophyll fluorescence decreased starting from the margin to the middle of a leaf. R. indica showed subtle color changes and remained in red color during the experiment. At five days after the NaCl treatment, the MDA of S. hexaphylla was above $4.56nmol{\cdot}g^{-1}$ when plants showed the highest visual damage and EC. The MDA of R. indica in all treatments showed below $1.5nmol{\cdot}g^{-1}$ except 400 mM NaCl treatment during the experiment.
There is a little information on the effect of calcium cloride ($CaCl_2$) which is used as deicing salt in Korea on the physiological responses of the street trees. Prunus sargentii is one of the most widespread tree species of street vegetation in Korea. In this study, the effect of $CaCl_2$ on photosynthetic apparatus such as chlorophyll fluorescence image and light response curve of P. sargentii in relation to their leaf and root collar growth responses were investigated. To study the effect of $CaCl_2$ treatment in the early spring, we irrigated twice in rhizosphere of P. sargentii (3-year-old) planted plastic pots with solution of 0.5%, 1.0%, 3.0% $CaCl_2$ concentration before leaf expansion. Results after treatments, total chlorophyll contents and the chlorophyll a/b, photosynthetic rate, quantum yield, dark respiration decreased with increasing $CaCl_2$ concentration. On the contrary, light compensation point increased with increasing $CaCl_2$ concentration. Through the linear regressions of correlation of photosynthetic rate with photosynthetic parameters (quantum yield, dark respiration and light compensation point), we found a significant relationship (p<0.05) between photosynthetic rate and quantum yield and light compensation point except dark respiration. Calcium cloride ($CaCl_2$) induced inhibition of photochemical efficiency ($F_v/F_M$) and non-photochemical quenching (NPQ) were found in treatments of $CaCl_2$, and these reduction rates between control and CaCl2 treatments were drastically showed at 80 days. We suggest that physiological activities are limited from treatment of $CaCl_2$. These reductions of photosynthetic apparatus ability caused eventually the reduction of leaf and diameter at root collar growth.
Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology
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v.11
no.4
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pp.143-150
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2009
Deicing salt is used to melt snow and ice on the road for traffic safety during the winter season, which accumulates in the roadside vegetation and induces visible injuries. The damage may accelerate particularly when it coincides with early spring leaf out. In order to better understand the response mechanisms, C. kousa (3-year-old) was irrigated twice prior to leaf bud in a rhizosphere with solutions of 0.5, 1.0, and 3.0% calcium chloride ($CaCl_2$) concentration, that were made by using an industrial $CaCl_2$ reagent practical deicing material in Seoul. Physiological traits of the mature leaves were progressively reduced by $CaCl_2$ treatment, resulting in reductions of total chlorophyll contents, chlorophyll a:b, photosynthetic rate, quantum yield, stomatal conductance, $F_V/F_M$, and NPQ. On the contrary, light compensation point and dark respiration were increased at high $CaCl_2$ concentration. A decrease in intercellular $CO_2$ concentration by stomatal closure first resulted in a reduced photosynthetic rate and then was accompanied by low substance metabolic rates and photochemical damage. Based on the reduction of physiological activities at all treatments ($CaCl_2$ 0.5%, 1.0%, and 3.0%), C. kousa was determined as one of the sensitive species to $CaCl_2$.
This study was carried out to quantify the drought stress in grafted watermelon seedlings non-destructively by using chlorophyll fluorescence (CF) imaging technique rather than the visual judgment. Six-day old watermelon seedlings were grown under uniform irrigation for 3 days, and then given drought stress. Afterward, the sensor for the measurement of water content in plug tray cell unit was used to classify the drought-stress level into nine groups from D1 (53.0%, sufficient moisture state) to D9 (15.7%, extremely dry stress), and the 16 CF parameters were measured. In addition, re-irrigation was performed on the drought stressed seedlings(D5 - D9) to determine the growth and photosynthesis recovery level, which was not confirmed by visual judgment. The kinetic curve patterns of CF in three different drought stressed seedling groups were found to be different for the early detection of drought stress. All the 16 CF parameters decreased continuously with exposure to drought stress and drastically decreased from D5 (32.1%) where the visual judgment was possible. The fluorescence decline ratio (Rfd_Lss) started to decrease from the initial drought stress level (D5 - D6), and the Maximum PSII quantum yield (Fv/Fm) was significantly decreased in the later extreme drought stress range (D7 - D9) by re-irrigation recovery test. Thus, Rfd_Lss and Fv/Fm parameters were finally selected as potent indicators of growth and photosynthesis recovery in the initial and later stages of drought stress. Also, to the differences in the numerical values of the individual chlorophyll fluorescence parameters, the drought stress level was intuitively confirmed through the image. These results indicate that Rfd and Fv/Fm can be considered as potential CF parameters for the detection of low and extremely high drought stress, respectively. Furthermore, Fv/Fm can be considered as the best CF parameters for recovery at re-irrigation.
The first Geostationary Ocean Color Imager (GOCI) onboard its Communication Ocean and Meteorological Satellite (COMS) is scheduled for launch in 2008. GOCI includes the eight visible-to-near-infrared (NIR) bands, 0.5km pixel resolution, and a coverage region of 2500 ${\times}$ 2500km centered at 36N and 130E. GOCI has had the scope of its objectives broadened to understand the role of the oceans and ocean productivity in the climate system, biogeochemical variables, geological and biological response to physical dynamics and to detect and monitor toxic algal blooms of notable extension through observations of ocean color. The special feature with GOCI is that like MODIS, MERIS and GLI, it will include the band triplets 660-680-745 for the measurements of sun-induced chlorophyll-a fluorescence signal from the ocean. The GOCI will provide SeaWiFS quality observations with frequencies of image acquisition 8 times during daytime and 2 times during nighttime. With all the above features, GOCI is considered to be a remote sensing tool with great potential to contribute to better understanding of coastal oceanic ecosystem dynamics and processes by addressing environmental features in a multidisciplinary way. To achieve the objectives of the GOCI mission, we develop the GOCI Data Processing System (GDPS) which integrates all necessary basic and advanced techniques to process the GOCI data and deliver the desired biological and geophysical products to its user community. Several useful ocean parameters estimated by in-water and other optical algorithms included in the GDPS will be used for monitoring the ocean environment of Korea and neighbouring countries and input into the models for climate change prediction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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