Способ мониторинга динамики развития грибной болезни земляники садовой Российский патент 2022 года по МПК A01G7/00 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, может быть использовано для мониторинга и раннего обнаружения грибных болезней садовых культур непосредственно на их плантациях при проведении мероприятий по их защите.

Земляника садовая, в связи с ее бесспорными преимуществами по сравнению с другими ягодными культурами, достаточно широко распространена в мире. Земляника обладает ценными лечебными свойствами и ярким привлекательным видом. Она питательна, имеет обильный биохимический состав и обладает высокими вкусовыми качествами. Однако почки, листья, корни, ягоды земляники повреждают более 20 видов возбудителей болезней и более 10 видов вредителей. Землянику садовую поражают свыше 30 грибных, вирусных и бактериальных болезней. Большинство болезней (около 80%) вызывают грибы [Трейвас Л.Ю., Каштанова О.Ф. Болезни и вредители плодовых растений: Атлас-определитель, изд. 3-е, исп. и доп.: монография. - М.: ООО «Фитон XXI», 2016. - 352 с.].

Диагностика болезней и их возбудителей - важное звено в системе защиты растений. В настоящее время в диагностике используется большое количество спектральных методов и способов с присущими им преимуществами и недостатками.

Визуальная диагностика не теряет своей актуальности, так как часто является предварительной для других диагностических технологий. Основными недостатками визуального способа диагностики можно считать ненадежность, обусловленную совпадением внешних признаков инфекционного поражения растений и физиологических нарушений, вызванных неблагоприятными внешними воздействиями, необходимость высокой квалификации эксперта и поздний факт обнаружения болезни.

Способ диагностики возбудителей болезней с помощью выделения в чистую культуру с последующим микробиологическим исследованием является дешевым, но трудоемким методом, занимает много времени, имеет низкую производительность [Федоренко В.Ф., Мишуров Н.П., Неменущая Л.А. Перспективные технологии диагностики патогенов сельскохозяйственных растений: науч. аналит. обзор. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2018. - 68 с.].

Способы диагностики, основанные на полимеразной цепной реакции (ПЦР), могут выявлять в растительной ткани присутствие ДНК любого организма, даже если выделить его в культуру уже невозможно, отличаются высокой чувствительностью и специфичностью, наличием количественной оценки присутствия объекта. Они подходят для определения любых патогенов даже на этапе довизуального проявления болезни, что перспективно для ранней диагностики.

Но способы, основанные на ПЦР, отличаются высокой стоимостью приборов и реактивов, повышенными требованиями к организации помещений лаборатории и квалификации персонала. Еще одним ограничением является отсутствие тест-систем для многих фитопатогенов. Также ПЦР-диагностика требует значительных временных затрат, связанных с доставкой отобранных образцов в диагностическую лабораторию и накоплением проб для постановки анализа [Федоренко В.Ф., Мишуров Н.П., Неменущая Л.А. Перспективные технологии диагностики патогенов сельскохозяйственных растений: науч. аналит. обзор. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2018. - 68 с.]. Поэтому все вышеперечисленные способы, несмотря на свои явные преимущества, не могут быть использованы в полевых условиях для мониторинга процесса развития грибных болезней.

Способы диагностики на основе иммунохроматографического анализа (ИХА) позволяют проводить анализ непосредственно в поле в течение 10-15 мин без использования специального оборудования. Однако технологии ИХА обладают низкой чувствительностью и специфичностью по отношению к некоторым патогенам и в большинстве случаев доступны только в формате «один тест - один патоген» и не позволяют диагностировать спектр патогенов и их комбинаций [Федоренко В.Ф., Мишуров Н.П., Неменущая Л.А. Перспективные технологии диагностики патогенов сельскохозяйственных растений: науч. аналит. обзор. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2018. - 68 с.].

Применение существующих методов подсчета пикселей изображения в пространстве цветовых каналов красного, зеленого и синего цвета (R,G,B) для диагностики грибных болезней, используемые в мировой практике, на основе которых можно было бы разработать портативные приборы на базе смартфонов, требуют разработки сложной системы распознавания образов, например, с применением искусственных нейронных сетей и длительного их обучения [Алейников А.Ф. Метод неинвазивного определения грибных болезней садовой земляники садовой // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 2018. - Том 48. - №3. - С. 71-83. DOI: 10.26898/0370-8799-2018-3-10]. Кроме того с помощью этих методов компьютерного зрения также нелегко идентифицировать грибную болезнь на ранней стадии ее обнаружения и установить, что это именно грибная болезнь, так как поражение внешними условиями растения в период вегетации (заморозки, солнечные ожоги, ожоги от применения фунгицидов и др.), а также вирусными и микробиологическими болезнями могут формировать идентичные симптомы по цветовой окраске и ее распределению на листовой пластине растения.

Учитывая то, что наиболее ранними ответными реакциями клеток растений на действие возбудителей болезней и продуцируемых ими элиситоров, является повышение в цитозоле содержания ионов кальция и протонов, изменение параметров транспортной системы плазматической мембраны, включающей и деполяризация плазмалеммы и тонопласта, широко применяются методы исследования растений по электрическим свойствам биоткани [Wang Y.Q., Zhao P.F., Fan L.F., Zhou Q., Wang Z.Y. Determination of water content and characteristic analysis in substrate root zone by electrical impedance spectroscopy // Computers and Electronics in Agriculture. 2019. Vol. 156. P. 243-253].

Известен способ определения устойчивости растений к изменению факторов внешней среды по поляризации мембран клеток ткани, которую производят электрическими импульсами постоянной полярности, в промежутках между которыми регистрируют электродвижущую силу (ЭДС) деполяризации и по ней судят об устойчивости растения к внешним стрессам [А.с. СССР №532364, МПК A01G 7/00 Способ определения устойчивости растений к изменению факторов внешней среды / Б.М. Китлаев, В.М. Лудин. - Заявка 1985326/15; заявл. 22.10.1973; опубл. 25.10.1976; Бюл. №39]. Однако импульсная деполяризация в промежуточные паузы не позволяет измерять поляризацию ткани растений в момент ее возникновения. ЭДС деполяризации является нестабильной, затухает в течение времени и на измеряемое значение этой величины накладывается значение биоэлектрического потенциала исследуемого растения.

Известен способ определения устойчивости растения к изменению фактора внешней среды, включающий измерение параметра поляризации в процессе последовательного изменения исследуемого фактора и сравнение с параметром поляризации контрольного растения. При этом в качестве параметра поляризации используют поляризационное сопротивление ткани растения и судят об устойчивости растения к изменению фактора внешней среды, сравнивая значения внешнего фактора для контрольного и исследуемого растений, соответствующие моменту резкого уменьшения поляризационного сопротивления [А.с. СССР 31123586, МПК A01G 7/00 Способ определения устойчивости растения к изменению фактора внешней среды / Ф.Г. Олоер, В.Н. Лысиков. - Заявка №360695/30-15; заявл. 16.06.1983; опубл. 15.11.1984; Бюл. №42].

Реализация способа сложна и не обеспечивает необходимой точности измерения параметров поляризации, так как требует прецизионных схем для проведения последовательной процедуры разделения, демодуляции и автоматического уравновешивания входной цепи измерения. Использование высокочастотного тока через объект исследований требует осуществление мер защиты от электромагнитных помех.

Кроме того с помощью рассматриваемого способа и устройства трудно обеспечить достоверную идентификацию конкретной грибной болезни растения по сортовой принадлежности, из-за отсутствия контроля усилия прижима электродов, зависимости биоимпеданса на высокой частоте от температуры и других факторов внешней среды.

Способ обнаружения грибных болезней земляники, при осуществлении которого измеряют реактивное сопротивление растительной ткани здорового листа Х₀ на фиксированной частоте f₀, расположенной в области α-дисперсии биоимпеданса ткани, при которой поляризационная емкость максимальна для всех сортов земляники, и запоминают это значение сопротивления Х₀, затем повторяют вышеописанную процедуру измерения реактивного сопротивления растительной ткани на диагностируемых листах растений земляники выбранного сорта с предполагаемым поражением грибной болезнью X_i листа на той же частоте f₀ и определяют отношение k_i=X_i/X₀ и если k_i≥1,1 считают, что данное растение подвержено действию биострессора, устраняет недостатки предыдущего способа [Патент РФ 2714324 C1 A01G 7/00 Алейников А.Ф., Минеев В.В. Способ обнаружения грибных болезней земляники садовой. Заяв. 2019120719, 01.07.2019. опубл. 14.02.2020. Бюл. №5].

Этот способ, взятый за прототип, использует низкочастотное воздействие в области α-дисперсии биоимпеданса ткани (0,1-10 кГц), при которой поляризационная емкость максимальна для всех сортов земляники, и измеряют именно реактивное сопротивление ткани.

Однако он сложен для реализации его на практике при мониторинге развития грибных болезней непосредственно на плантации земляники садовой, так как включает следующие приемы:

1) на верхнюю сторону листа растения налагают два смазанных электропроводным гелем биполярных чашечковых электродов диаметром 8 мм на расстояние 4 мм друг от друга с обеспечением постоянного усилия прижима их к поверхности листа (с помощью специальных зажимов);

2) измеряют реактивное сопротивление X_i0 растительной ткани листа между электродами на частоте f₀, которое принимается как контрольное значения для конкретного сорта;

3) запоминают это значение X_i0;

4) повторяют процедуры измерения реактивного сопротивления на диагностируемых растениях земляники данного сорта и запоминают значение исследуемого растения X_ic;

5) определяют отношение k=X_ic/X_i0 и если k≥1,2, считают что данное растение подвержено действию гриба-патогена.

Во-первых, применение электропроводящего геля в полевых условиях не рационально и вносит дополнительные погрешности в процедуру измерения реактивного сопротивления, так как он в течение времени высыхает, меняет свои физические свойства и его проводимость уменьшается.

Во-вторых, так как в способе-прототипе для обнаружения гриба возбудителя используют средство измерения, оно подлежит обязательной периодической поверки. А для этого необходимо, в первую очередь, определиться с эквивалентной схемой модели для биологических тканей земляники садовой (модель Хейдена, модель с постоянным фазовым элемента и др.) и на основании экспериментальных данных уточнить диапазон значений активных (внутриклеточное и внеклеточное сопротивления) и реактивной (емкость клеточной мембраны) составляющих [Alejnikov A.F., Cheshkova A.F., Mineev V.V. Choice of impedance parameter of strawberry tissue for detection of fungal diseases / AGRI-TECH-III - 2020: III International Conference on Agribusiness, Environmental Engineering and Biotechnologies (Krasnoyarsk, June 18-20, 2020) // IOP Conference Serie: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 548: 032005. DOI: 10.1088/1755-1315/548/3/032005]. Далее необходимо разработать поверочную схему и утвердить ее в Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии РФ и ежегодно проводить поверку.

В-третьих, результат измерений, несущий информацию о степени поражения растения грибной болезнью, выдается в дискретном виде путем преобразования аналоговых сигналов в цифровой вид, процедур запоминания, осреднения и деления. Чтобы посмотреть динамику развития болезни в течение времени необходимо из базы данных периодически извлекать данные и строить их непрерывную последовательность. Все это усложняет процесс получения и обработки данных, а также ухудшает наглядность динамических процессов протекания грибной болезни при реализации способа.

Задача предполагаемого изобретения является разработка метода определения электрических свойств растительной ткани, пригодного для мониторинга динамики развития грибной болезни земляники садовой в реальном режиме времени непосредственно на дискретных участках плантации ее выращивания.

Технический результат - снижение трудоемкости реализации и повышение достоверности неинвазивного метода ранней диагностики грибных болезней земляники при мониторинге их обнаружения и развития.

Задача предполагаемого изобретения решается тем, что как и в известном способе - прототипе на объект исследований налагают электроды на внешнюю сторону здоровой части листа и части листа с признаками поражения грибной болезнью одного растения и в зоне расположения этих электродов определяют реактивные сопротивления в диапазоне частот области α-дисперсии биоимпеданса растительной ткани.

Новым в предлагаемом способе является то, что для определения реактивных сопротивлений выбирают одну здоровую листовую пластинку одного тройчатополостного листа растения, на которую перпендикулярно от центральной жилки налагают две идентичные тетраполярные электродные системы с двумя токовыми и двумя измерительными электродами, первую из которых располагают на участке листовой пластинки без признаков поражения, а вторую на части листовой пластинки с наиболее вероятным поражением грибом-патогеном - на фиксированном расстоянии от первой электродной системы, при этом измерительные электроды соединяют встречно, и по разности изменения сигналов с них судят о динамике развития грибной болезнью выбранного участка плантации земляники в течение времени, причем максимальное фиксированное расстояние между электродными системами определяется длиной выбранной пластинки тройчатополостного листа контролируемого растения, при которой габаритные размеры измерительных электродных систем находятся в непосредственном электрическом контакте с биологической тканью пластины.

Действительно, при биполярной методике накладывают 2 электрода, каждый из которых одновременно является токовым и измерительным электродами. Они фиксируются на соответствующем участке ткани растений. Для снижения контактного сопротивления между электродом и поверхностью листовой пластины используют различные пасты, гели и другие вещества. При использовании тетраполярной методики участок исследования ограничивают парой измерительных электродов, а возникшее в них напряжение снимают с помощью другой пары электродов, расположенных снаружи по отношению к первой (токовые). Тетраполярная методика более точна, ибо до минимума снижается влияние контактного сопротивления (нет необходимости накладывать прокладки, смоченные растворами солей или щелочей, а также пользоваться электродной пастой иди гелями) и электродную поляризацию [Meiqing L., Jinyang L., Hanping M., Yanyou W. Diagnosis and detection of phosphorus nutrition level for Solanum lycopersicum based on electrical impedance spectroscopy // Biosystems Engineering. 2016. Vol. 143. pp. 108-11]. Это позволяет с высокой степенью точности измерить импеданс глубинных тканей [Кобелев А.В., Щукин С.И., Леонард С. Особенности применения тетраполярных электродных систем в электроимпедансных измерениях // Медицинская техника. 2018. №6. С. 14-16].

В данном случае используются две системы тетраполярных электродов. Одна система тетрополярных электродов фиксируется на здоровой части пластины, другая - на части пластины с признаками незначительного поражения грибной болезнью или на контролируемом и выбранном (пользователем) участке пластины, на котором, по его мнению, существует вероятность возникновения грибной болезни. Электродные системы включаются встречно. Поэтому выходной сигнал напряжения в идеальном случае, если фазы совпадают, будет подобен встречному включению двух источников постоянного тока [Основы электротехники и электроники: учебник для высшего профессионального образования / В.Т. Еременко, А.А. Рабочий, А.П. Фисун и др.; под общ. ред. В.Т. Еременко. - Орел: ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», 2012 - 529 с.]. То есть для источников постоянного тока при встречном включении одноименные полюса двух источников соединяются между собой, а нагрузка включается между двумя другими одноименными полюсами. При этом э.д.с. обоих источников действуют навстречу одна другой и ток течет в ту сторону, в которую направлена большая э.д.с. Общая э.д.с. равна разности электродвижущих сил источников. Если два источника, включенные встречно, имеют одинаковые э.д.с, то действия этих э.д.с. компенсируются, общая э.д.с. равна нулю и ток в цепи отсутствует.

Конечно ситуация, когда выходной сигнал при встречном включении двух источников переменного тока был равен нулю, практически не произойдет, даже если тетраполярные электродные системы будут установлены на идентичных здоровых участках ткани. Дело в том, что фазовые искажения могут внести связь реактивных элементов электродных систем с реактивными параметрами биоткани в месте установки измерительных электродов, невозможность обеспечения оптимального расчетного расстояния между токовыми и измерительными электродами тетраполярных систем, в силу ограниченных размеров листовых пластин растения и др.

Но и при наличии фазовых искажений выходной сигнал встречно включенных тетраполярных электродных систем, расположенных на здоровой ткани будет на фиксированном уровне и не изменяться в течение определенного времени. При возникновении и развития грибной болезни будет происходить изменения уровня этого сигнала, по которому можно судить о степени поражения болезнью контрольного растения, выбранного индикатором дискретного участка плантации земляники садовой.

Кроме того, в предлагаемом способе не предъявляются жестких требований по обеспечению точности измерения импеданса и дополнительных погрешностей от воздействия влияющих величин (температуре и влажности воздуха, солнечной радиации и т.п.). Для технического средства мониторинга важно обеспечить отсутствие временного дрейфа сигнала, так как электродные системы находятся в одинаковых условиях внешней окружающей среды.

Все эти существенные особенности предлагаемого способа мониторинга грибных болезней позволят упростить реализацию ранней диагностики грибных болезней земляники садовой в полевых условиях.

На фиг. 1 показан фрагмент реализации способа с помощью прецизионного импедансометра, на фиг. 2 - зависимости средних значений реактивного электрического сопротивления X от частоты f для сортов земляники садовой Фестивальная, Танюша и Даренка по степеням поражения бурой пятнистостью, на фиг. 3 - зависимость усредненных значений реактивного сопротивления здоровых и слабопораженных участков листовых пластинок земляники садовой сорта Даренка при низких частотах (Бурая пятнистость, 20.07.2020), на фиг. 4 - Зависимость усредненных значений реактивного сопротивления здоровых и незначительно пораженных участков листовых пластинок земляники садовой сорта Фестивальная при низких частотах (бурая пятнистость. 24.08.2020), на фиг. 5 - зависимость усредненных значений реактивного сопротивления здоровых и незначительно пораженных участков листовых пластинок земляники садовой сорта Танюша при низких частотах (бурая пятнистость, 06.08 2020),

Способ мониторинга развития грибной болезни (бурая пятнистость) реализуется в следующей последовательности.

Плантация земляники садовой разбивают на отдельные участки с контрольными (модельными) растениями. Количество контрольных растений выбирают исходя из нормативных документов [ГОСТ Р 53135-2008 п. 4.1.7 Требования к фитосанитарному состоянию посадочного материала земляники садовой в РФ. - М: Стандартинформ. - 2009] или рекомендаций [Вячеслав Пленкин. Контроль вредителей и болезней при интенсивном выращивании. Программа защиты урожая и выращиваемые сорта земляники. Электронный ресурс. Режим доступа: https://berry-union.ru/images/docums/07.2019/8%20 Straw-berry%20Day%20Presentation%202019.pdf (дата обращения 23.11.2020)].

С целью упрощения оценки листьев контрольного растения для пользователя-производителя земляники садовой ее проводят макроскопическим или иным общепринятым методом, например, визуальным.

На одном из нижних листьев растений визуально выбирают листовую пластину с наиболее вероятным признаком поражения болезнью. На противоположные края этой пластины накладывают две системы тетрополярных микроэлектродов соединенных встречно.

Затем на 2 токовые электрода тетраполярных систем подается частота переменного тока, а с 2 измерительных электродов снимается квазипостоянное напряжение (уровень). По изменению этого уровня судят о возникновении и развитии грибной болезни.

Для подтверждения способа нами проведено в период с 20.07.2020 по 21.08.2020 его практическое опробование на здоровых и пораженных бурой пятнистостью листовых пластинок (гриб-патоген - Marssonina potentillae Desm.) земляники садовой сортов Танюша, Даренка и Фестивальная, выращенных в горшочках на биополиглне СибФТИ СФНЦА РАН расположенном в р.п. Краснообск, Новосибирской области. Географические координаты: широта - 54°55'11" N; долгота - 82°59'27" Е; высота над уровнем моря - 114,0 м. Земельный участок расположен в лесостепи Новосибирского Приобья. Состав почвы с преобладанием выщелочного среднемощного чернозема. Климат - континентальный, умеренно прохладный, умеренно засушливый со среднегодовым количеством осадков 425 мм. Выбор бурой пятнистости обусловлен ее доминированием среди других грибных болезней земляники садовой в данной местности.

Растения с комом почвы вокруг корней помещались в специальную емкость (горшок) объемом не более 3 л. Затем емкость устанавливалась на весы и добавлялась почва до постоянного выбранного контрольного веса.

Растение поливалось и через 5 минут после полива определялась относительная влажность почвы. Влажность почвы у контрольных образцов находилась в пределах 70-80%.

Далее определялась кислотность грунта в образце с помощью рН-метра. Для всех образцов земляники садовой этот показатель находился на уровне 6, что указывает на слабокислую среду, близкую к нейтральной среде.

Перед началом физических измерений проводилась оценка возраста листьев, выбранных для исследований (менее 5 недель, менее 10 недель, более 10 недель) и оценку интенсивности (степени) поражения листовых пластинок, а также непосредственных участков ткани (половинок листовых пластинок), где затем устанавливались контактные измерительные электроды тетраполярных систем.

На горшках с образцами здоровых растений и пораженных бурой пятнистостью устанавливалась этикетка с данными сорта земляники садовой, вида грибной болезни и степени поражения ей земляники садовой.

Измерения активного и реактивного сопротивления биоимпеданса растительных тканей листьев земляники проводились импедансметром 6505 В (Великобритания) в диапазоне частот от 20 Гц до 10 кГц с использованием 2-х тетраполярных электродных систем, одновременно накладываемых на верхнюю сторону здоровой и пораженной (грибом возбудителем) части листовой полупластинки слева и справа от центральной жилки с постоянным усилием прижима, которое обеспечивается с помощью зажимов типа «прищепка» (фиг. 1).

Было проведено 177 измерений на полупластинах земляники садовой сорта Даренка, 124 измерения - сорта Фестивальная и 106 измерений - сорта Танюша.

Данные о значении реактивного сопротивления для различных степеней поражения болезнью были подвергнуты дисперсионному анализу, то есть поиску зависимостей в экспериментальных данных путем исследования значимости различий в средних значениях (фиг. 2.). Результаты дисперсионного анализа этих зависимостей сведены в таблицы 1-2.

Из фиг. 2 видно, что область низких частотах до 700 Гц наиболее информативна и различима для измерения реактивного сопротивления для диагностики бурой пятнистости, так как на частоте в районе 800 Гц возникают резонансные явления, которые объясняются наличием емкостной связи между измерительными электродами тетраполярных систем и эквивалентной емкостью биоткани.

Из табл. 1 видно, что уровень значимости фактора поражения бурой пятнистостью достаточно высок и составляет 0,001. Однако уровень значимости групповых факторов между здоровыми участками пластины и слабо пораженными пластинами (группа 1-0) со степенью поражений не различима для средних значений (см. табл. 2).

Во-первых, это объясняется последствием описанных выше резонансных явлений на частоте 800 Гц. Из-за этого на фиг. 2 наблюдается пересечение кривых здоровых и слабо пораженных (<5%) тканей земляники садовой на частоте в районе 10 кГц. Во-вторых, методика оценки степени поражения грибной болезнью и соответствующие атласы рассчитаны на оценку наличию некротических пятен на всей площади листа земляники. Даже высококвалифицированному эксперту трудно дать оценку площади незначительного поражения листовой пластины исследуемого растения земляники садовой в % отношении. В его оценке заведомо заложена существенная неопределенность.

Однако при наличии резонансных явлений и неопределенностей при визуальной оценки степени поражения болезнью земляники садовой в выявленной информативной частотной области (20-700 Гц), средние значений здоровой и незначительно пораженной ткани (степень поражения 1-4%), достаточно различимы и стабильны (см. фиг. 3-5).

Из фиг. 3-5 видно, что при использовании предлагаемого способа возможно осуществление ранней диагностики и проведение мониторинга динамики развития грибной болезни земляники садовой. Следует заметить, что разность значений реактивного сопротивления между здоровыми и незначительно пораженными участками, зависит от сорта земляники садовой.

На основании анализа результатов исследования можно утверждать, что заявленный способ прост в реализации и имеет высокую чувствительность к небольшим изменениям степени поражения растения грибом-патогеном и пригоден для мониторинга развития грибной болезни земляники садовой в полевых условиях.

Устройство для осуществления предлагаемого способа может быть реализовано на базе смартфона и гаджета к нему.

Гаджеты могут быть изготовлены методами микроэлектронной техники в виде гибридной интегральной микросхемы - чипа и состоять из расположенных на ситалловой подложке систем тетраполярных микроэлектродов и безкорпусных микросхем AD5933, LM358 и Arduino Android [Zhang D, Jiang J., Chen J. and etc. Smartphone-based portable biosensing system using impedance measurement with printed electrodes for 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) detection // Biosensors and Bioelectronics. 2015. Vol. 70, P. 81-88]. Микросхема AD5933 представляет собой 12-разрядный анализатор и преобразователь импеданса с высоким быстродействием. С генератора анализатора импеданса на лист растения подается возбуждающий гармонический сигнал (LM358), формирующий электрическое поле. Измерительный сигнал в виде электрического напряжения усиливается с помощью операционного усилителя, фильтруется и поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Выходной сигнал с АЦП поступает на вход цифрового преобразователя Фурье, где путем обработки дискретных отсчетов формируются данные об активной и реактивной составляющей импеданса ткани. Цифровые выходные данные с помощью контроллера Arduino Android передается на смартфон (по Wi-Fi), где обрабатываются и регистрируются. Все операции по обработке осуществляются программным путем с помощью специального приложения к смартфону, выполненного, например, на языке программирования для Android, например, Java.

Для реализации способа не обязательно использовать прецизионные средства измерений биоимпеданса и результат определения реактивного сопротивления, по которому судят о развитии болезни, практически не зависит от изменения внешних факторов окружающей среды. Способ достоверен и имеет широкие функциональные возможности.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Трейвас Л.Ю., Каштанова О.Ф. Болезни и вредители плодовых растений: Атлас-определитель, изд. 3-е, исп. и доп.: монография. - М.: ООО «Фитон XXI», 2016. - 352 с.

2. Федоренко В.Ф., Мишуров Н.П., Неменущая Л.А. Перспективные технологии диагностики патогенов сельскохозяйственных растений: науч. аналит. обзор. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2018. - 68 с.

3. Алейников А.Ф. Метод неинвазивного определения грибных болезней земляники садовой // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 2018. - Том 48. - №3. - С. 71-83. DOI: 10.26898/0370-8799-2018-3-10.

4. Wang Y.Q., Zhao P.F., Fan L.F., Zhou Q. Determination of water content and characteristic analysis in substrate root zone by electrical impedance spectroscopy // Computers and Electronics in Agriculture. 2019. Vol. 156. P. 243-253.

5. А.с. СССР №532364, МПК A01G 7/00 Способ определения устойчивости растений к изменению факторов внешней среды / Б.М. Китлаев, В.М. Лудин. - Заявка 1985326/15; заявл. 22.10.1973; опубл. 25.10.1976; Бюл. №39.

6. А.с. СССР 31123586, МПК A01G 7/00 Способ определения устойчивости растения к изменению фактора внешней среды / Ф.Г. Олоер, В.Н. Лысиков. - Заявка №360695/30-15; заявл. 16.06.1983; опубл. 15.11.1984; Бюл. №42.

7. Патент РФ 2714324 C1 А01 G 7/00 Алейников А.Ф., Минеев В.В. Способ обнаружения грибных болезней земляники садовой. Заяв. 2019120719, 01.07.2019. опубл. 14.02.2020. Бюл. №5.

8. Alejnikov A.F., Cheshkova A.F., Mineev V.V. Choice of impedance parameter of strawberry tissue for detection of fungal diseases / AGRITECH-III - 2020: III International Conference on Agribusiness, Environmental Engineering and Biotechnologies (Krasnoyarsk, June 18-20, 2020) // IOP Conference Serie: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 548: 032005. DOI: 10.1088/1755-1315/548/3/032005.

9. Meiqing L., Jinyang L., Hanping M., Yanyou W. Diagnosis and detection of phosphorus nutrition level for Solanum lycopersicum based on electrical impedance spectroscopy // Biosystems Engineering. 2016. Vol. 143. P. 108-118.

10. Кобелев A.B., Щукин С.И., Леонард С. Особенности применения тетраполярных электродных систем в электроимпедансных измерениях // Медицинская техника. - 2018. - №6. - С. 14-16.

11. Основы электротехники и электроники: учебник для высшего профессионального образования / В.Т. Еременко, А.А. Рабочий, А.П. Фисун и др.; под общ. ред. В.Т. Еременко. - Орел: ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», 2012 - 529 с.

12. ГОСТ Р 53135-2008 п. 4.1.7 Требования к фитосанитарному состоянию посадочного материала земляники садовой в РФ. - М: Стандартинформ. - 2009.

13. Вячеслав Пленкин. Контроль вредителей и болезней при интенсивном выращивании. Программа защиты урожая и выращиваемые сорта земляники. Электронный ресурс. Режим доступа: https://berry-union.ru/images/docums/07.2019/8%20Strawberry%20Day%20Presentation%202019.pdf (дата обращения 23.11.2020).

14. Zhang D, Jiang J., Chen J. and etc. Smartphone-based portable biosensing system using impedance measurement with printed electrodes for 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) detection // Biosensors and Bioelectronics. 2015. Vol. 70. P. 81-88.

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано для мониторинга и раннего обнаружения грибных болезней садовых культур непосредственно на их плантациях, при проведении мероприятий по их защите. Согласно заявленному способу на одном растении для определения реактивных сопротивлений выбирают одну здоровую листовую пластинку одного тройчатополостного листа растения, на которую перпендикулярно от центральной жилки налагают две идентичные тетраполярные электродные системы с двумя токовыми и двумя измерительными электродами. Первую электродную систему располагают на участке листовой пластинки без признаков поражения, а вторую - на части листовой пластинки с наиболее вероятным поражением грибом-патогеном, на фиксированном расстоянии от первой электродной системы, при этом измерительные электроды соединяют встречно. По разности изменения сигналов с них судят о динамике поражения грибной болезни выбранного участка плантации земляники в течение времени. Максимальное фиксированное расстояние между электродными системами определяется длиной выбранной пластинки тройчатополостного листа контролируемого растения, при которой габаритные размеры электродных систем находятся в непосредственном электрическом контакте с биологической тканью листовой пластинки. Изобретение позволяет снизить трудоемкость способа, повысить достоверность обнаружения грибной болезни земляники и получить необходимые сведения о течении болезни в реальном времени. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

1. Способ мониторинга динамики развития поражения грибными болезнями земляники садовой путем наложения электродов на внешней стороне здоровой части листа и части листа с признаками поражения грибной болезнью одного растения и определение в зоне расположения этих электродов реактивных сопротивлений в диапазоне области α-дисперсии биоимпеданса растительной ткани, отличающийся тем, что для определения реактивных сопротивлений выбирают одну здоровую листовую пластинку одного тройчатополостного листа растения, на которую перпендикулярно от центральной жилки налагают две идентичные тетраполярные электродные системы с двумя токовыми и двумя измерительными электродами, первую из которых располагают на участке листовой пластинки без признаков поражения, а вторую на части листовой пластинки с наиболее вероятным поражением грибом-патогеном - на фиксированном расстоянии от первой электродной системы, при этом измерительные электроды соединяют встречно и по разности изменения сигналов с них судят о динамике поражения грибной болезни выбранного участка плантации земляники в течение времени, причем максимальное фиксированное расстояние между электродными системами определяется длиной выбранной пластинки тройчатополостного листа контролируемого растения, при которой габаритные размеры электродных систем находятся в непосредственном электрическом контакте с биологической тканью пластины.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фиксированная частота f₀ выбирается в диапазоне от 20 до 700 Гц.