Original title:
Návrh analýzy a metodiky měření pro hodnocení dynamických fyziologických změn rostlin
Translated title:
Design of analysis and measurement methodology for evaluation of dynamic physiological changes in plants
Authors:
Rumlerová, Tereza ; Provazník, Valentine (referee) ; Kolář, Radim (advisor) Document type: Master’s theses
Year:
2024
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Abstract:
[eng][cze]
Tato diplomová práce s názvem „Návrh analýzy a metodiky měření pro hodnocení dynamických fyziologických změn rostlin“ zkoumá vývoj a aplikaci inovativního algoritmu pro frekvenční analýzu oscilačních signálů odpovědi rostlin na dynamicky se měnící světlo s využitím Fourierovy transformace. Algoritmus, speciálně přizpůsobený pro použití v prostředí C# a integrovaný do softwarové sady FluorCam10 od společnosti Photon Systems Instruments (PSI), významně zlepšuje schopnosti zobrazování chlorofylové fluorescence – zásadního ukazatele zdraví rostlin a fotosyntetické efektivity. Výzkum zakládá pevný teoretický základ v fenotypizaci rostlin a zobrazování chlorofylové fluorescence, přezkoumává stávající metodologie a připravuje půdu pro pokročilé prozkoumání dynamiky fotosyntézy. Jádro práce se zabývá technickými detaily aplikace Fourierovy transformace pro dekompozici oscilačních signálů za účelem posouzení fyziologických dopadů environmentálních změn na mechanismy rostlin. To zahrnuje důkladné hodnocení několika knihoven FFT, aby bylo možné identifikovat nejefektivnější a nejpřesnější integraci algoritmu, což zajišťuje optimální výkon při zpracování fyziologických dat rostlin. Praktické aplikace jsou demonstrativně prezentovány integrací algoritmu s softwarem FluorCam10 (FC10), vyvinutým společností PSI. Tato integrace umožňuje detailní analýzu na úrovni pixelů a oblastí zájmu, rozšiřuje funkcionalitu softwaru a umožňuje podrobné zkoumání reakcí rostlin v dynamických environmentálních podmínkách. Kromě toho rozšiřuje funkčnost softwaru FC10 o spolupráci s nástrojem PlantScreen SW, který podporuje vysoce výkonná měření a řízení složitých, víceprotokolových experimentů v plně automatizovaném rámci. Práce rovněž popisuje komplexní metodiku pro standardizaci experimentálních nastavení pro studium odpovědí rostlin na dynamicky se měnící světlo, detailně rozpracovává vývoj protokolů měření a akvizice za účelem zajištění robustního sběru dat, která přesně odrážejí fyziologické změny způsobené definovanými environmentálními proměnnými. Experimentální validace je poskytována prostřednictvím studií na rostlinách Arabidopsis thaliana a rajčat, které demonstrují účinnost algoritmu při detekci významných fyziologických odpovědí na různé frekvence světelné oscilace a přispívají k poznatkům o genetické variabilitě v podmínkách environmentálního stresu. Tato práce posouvá obor dynamických fyziologických studií rostlin integrací akademického výzkumu s praktickými průmyslovými aplikacemi. Klade základ pro budoucí výzkumné spolupráce zaměřené na další prozkoumání a zpřesnění našeho porozumění dynamickým odpovědím rostlin. Tato úsilí mají potenciál významně zvýšit přesnost a použitelnost měření fotosyntézy v reálných podmínkách. Práce zdůrazňuje vznikající obor dynamické fenotypizace s výkonným měřením jako slibnou oblast studia s významnými důsledky jak pro akademický výzkum, tak pro praktické zemědělské aplikace.
This master's thesis, entitled "Design of Analysis and Measurement Methodology for Evaluation of Dynamic Physiological Changes in Plants," investigates the development and application of an innovative algorithm for the frequency analysis of oscillatory signals in plant responses, utilizing Fourier transformation. The algorithm, specifically tailored for use within the C# environment and integrated into the FluorCam10 software toolbox by Photon Systems Instruments (PSI), significantly enhances chlorophyll fluorescence imaging capabilities—an essential measure of plant health and photosynthetic efficiency. The research establishes a solid theoretical foundation in plant phenotyping and chlorophyll fluorescence imaging, reviewing existing methodologies and setting the stage for advanced exploration of photosynthetic dynamics. The core of the thesis delves into the technical intricacies of Fourier Transform applications in decomposing oscillatory signals to assess the physiological impacts of environmental changes on plant mechanisms. This involves a thorough evaluation of multiple FFT libraries to identify the most efficient and accurate integration for the algorithm, ensuring optimal performance in processing plant physiological data. Practical applications are demonstrated through the integration of the algorithm with the FluorCam10 software, developed by PSI. This integration facilitates detailed pixel-wise and ROI-wise analysis, enhancing the software’s functionality and allowing for a granular examination of plant responses under dynamic environmental conditions. Furthermore, the incorporation of the FC10 software with the PlantScreen SW toolbox, also developed by PSI, extends the software's functionality to support high-throughput measurements and manage complex, multi-protocol experiments in a fully automated and scalable framework. The thesis also outlines a comprehensive methodology for standardizing experimental setups to study plant responses, detailing the development of measuring and acquisition protocols to ensure robust data collection that accurately reflects physiological changes due to defined environmental variables. Experimental validation is provided through studies on Arabidopsis thaliana and tomato plants, demonstrating the algorithm’s efficacy in detecting significant physiological responses to varied light oscillation frequencies and contributing insights into genetic variability under environmental stress. This work advances the field of dynamic physiological plant studies by seamlessly integrating academic research with practical industrial applications. It lays the groundwork for future research collaborations aimed at further exploring and refining our understanding of dynamic plant responses. These efforts hold the potential to significantly enhance the accuracy and applicability of photosynthesis measurement in real-world conditions. The thesis underscores the emerging field of dynamic high-throughput phenotyping as a promising area of study with substantial implications for both academic research and practical agricultural applications.
Keywords:
dynamické fyziologické změny; Fenotypizace rostlin; kolísavé světlo; rychlá Fourierova transformace (FFT); zobrazování chlorofylové fluorescence; Chlorophyll Fluorescence Imaging; Dynamic Physiological Changes; Fast Fourier Transform (FFT); Fluctuating Light; Plant Phenotyping
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: https://hdl.handle.net/11012/246230
guest ::
