Photonics RussiaPhotonics RussiaФотоника1993-72962686-844XTechnosphera JSC64254210.22184/1993-7296.FROS.2024.18.7.570.579BiophotonicsБиофотоникаResearch ArticlePolarization ellipticity change of the red, green and blue ranges of laser radiation transmitted through the maize leavesИзменение эллиптичности поляризации лазерного излучения красного, зеленого и синего диапазонов при прохождении через листья растений кукурузыhttps://orcid.org/0000-0002-8750-4775KulchinYuriy N.КульчинЮрий Николаевич
Russian Federation

Doctor of sciences in physical and mathematical sciences, Academic Supervisor

доктор физико-математических наук, академик, научный руководитель института

journal@electronics.ruhttps://orcid.org/0009-0001-2629-3521KozhanovSergey O.КожановСергей Олегович
Russian Federation

Junior Researcher

младший научный сотрудник

journal@electronics.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8658-3504SubbotinEvgeny P.СубботинЕвгений Петрович
Russian Federation

Candidate of physical and mathematical sciences, Leading Researcher

к. ф.-м.н, ведущий научный сотрудник

journal@electronics.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9751-5136KholinAlexander S.ХолинАлександр Сергеевич
Russian Federation

Research Fellow

научный сотрудник

journal@electronics.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0945-3877SubbotinaNatalia I.СубботинаНаталья Ивановна
Russian Federation

Junior Researcher

младший научный сотрудник

journal@electronics.ruhttps://orcid.org/0009-0003-5606-9648GomolskyAndrey S.ГомольскийАндрей Сергеевич
Russian Federation

Graduate student

аспирант

journal@electronics.ruhttps://orcid.org/0009-0008-0805-4544SluginaOlga O.СлугинаОльга Олеговна
Russian Federation

Student, Advanced Engineering School “Institute of Biotechnology, Bioengineering and Food Systems”

студент, Передовая инженерная школа «Институт биотехнологий, биоинженерии и пищевых систем»

journal@electronics.ruInstitute of Automation and Control Processes, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences (IACP FEB RAS)Институт автоматики и процессов управления, Дальневосточное отделение Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН)Far Eastern Federal UniversityДальневосточный федеральный университет171220241875705790412202404122024Copyright ©; 2024, Kulchin Y.N., Kozhanov S.O., Subbotin E.P., Kholin A.S., Subbotina N.I., Gomolsky A.S., Slugina O.O.Copyright ©; 2024, Кульчин Ю.Н., Кожанов С.О., Субботин Е.П., Холин А.С., Субботина Н.И., Гомольский А.С., Слугина О.О.2024Kulchin Y.N., Kozhanov S.O., Subbotin E.P., Kholin A.S., Subbotina N.I., Gomolsky A.S., Slugina O.O.Кульчин Ю.Н., Кожанов С.О., Субботин Е.П., Холин А.С., Субботина Н.И., Гомольский А.С., Слугина О.О.https://journals.eco-vector.com/1993-7296/article/view/642542

The paper shows that when linearly polarized laser radiation of red (633 nm), green (526 nm), and blue (405 nm) ranges passes through the leaves of maize plants, the ellipticity of polarization changes depending on the angle of rotation of the sample. The largest changes in ellipticity occur when passing blue light, for which the ellipticity index k varies from –16° to 16°. When red and green light passes through the sample, the ellipticity varies from –9° to 10° and –9° to 8°, respectively. It is suggested that these variations are due to the interaction of light with the epidermis layer. The layer cells are ordered and have shape of rectangles with wavy edges, which leads to the refractive index anisotropy and the phase shift between the two orthogonal components of the E vector. The interaction of light with greater ellipticity with chiral photosensitive structures should occur more efficiently, thus, allegedly, this is the plants mechanism to use linearly polarized light.

Установлено, что при прохождении через листья кукурузы линейно поляризованного лазерного излучения красного (633 нм), зеленого (526 нм) и синего (405 нм) диапазонов происходит изменение эллиптичности поляризации в зависимости от угла поворота образца относительно начального положения. Наибольшие изменения отмечены для синего света, чей показатель эллиптичности k варьирует в пределах от –16° до 16°. Для красного и зеленого света эллиптичность варьирует в пределах от –9° до 10° и от –9° до 8° соответственно. Выдвинута гипотеза, что эти изменения вызваны взаимодействием света со слоем эпидермиса, с упорядоченными клетками в форме прямоугольников с волнистыми краями, что обуславливает анизотропию показателя преломления и сдвиг фаз между двумя ортогональными компонентами напряженности. Взаимодействие света с большей эллиптичностью с хиральными фоточувствительными структурами должно происходить более эффективно, следовательно, предположительно, это один из механизмов использования растениями линейно поляризованного света.

polarizationpolarized radiationpolarization ellipticityplant leavesmaizemonocotyledonous plantsполяризацияполяризованное излучениеэллиптичность поляризациилистья растенийкукурузаоднодольные растенияThe paper has been prepared with the financial support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (Agreement No. 075-15-2022-1143 dated July 07, 2022).Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (Соглашение № 075-15-2022-1143 от 07 июля 2022 года).Shibayev P. P., Pergolizzi R. G. The effect of circularly polarized light on the growth of plants. International Journal of Botany. 2011; 7:113–117. DOI: 10.3923/ijb.2011.113.117.Lkhamkhuu E., Zikihara K., Katsura H., Tokutomi S., Hosokawa T., Usami Y., Ichihashi M., Yamaguchi J., Monde K. Effect of circularly polarized light on germination, hypocotyl elongation and biomass production of Arabidopsis and lettuce: Involvement of phytochrome B. Plant Biotechnology. 2020; 37:57–67. DOI: 10.5511/plantbiotechnology.19.1219a.Anderson C. The effects of polarized light on B. napus growth. 2018 Apr 19. Milligan University Digital Repository. URL: https://mcstor.library.milligan.edu/handle/11558/3448 [28.05.2024].Macht D. I. Concerning the influence of polarized light on the growth of seedlings. Journal of General Physiology. 1926; 10(1):41–52. DOI: 10.1085/jgp.10.1.41.Kulchin Y. N., Sergeev A. A., Zinin Y. A., Gol’tsova D.O., Kozhanov S. O., Subbotin E. P. Simulation of interaction of polarised laser light with plant leaves. Quantum Electronics. 2021; 51:947–952. DOI: 10.1070/QEL17630.Kulchin Y. N., Subbotin E. P., Kholin A. S., Kozhanov S. O., Dzemidchyk V. V., Trofimov Y. V., Kovalevsky K. V., Subbotina N. I., Gomolskii A. S. Effect of epidermis of plant leaves on their interaction efficiency with low-intensity laser light. Bulletin of the Lebedev Physics Institute. 2023; 50: S613-S623. DOI: 10.3103/S1068335623170074.Kulchin Y. N., Subbotin E. P., Kozhanov S. O. Kholin A. S., Subbotina N. I. Ehffekt izmeneniya sostoyaniya polyarizatsii lazernogo izlucheniya, prokhodyashchego cherez list’ya rastenii = [The effect of laser light state of polarization change while transmitted through plant leaves]. Optical Methods of Flow Investigation: Proceedings of the XVII International Scientific and Technical Conference. Moscow. 26–30 June 2023. Moscow: Scientific and Technological Centre of Unique Instrumentation. 2023; 562–572. (In Russ.). EDN PFHMLU. eLIBRARY ID: 54941637. Кульчин Ю. Н., Субботин Е. П., Кожанов С. О., Холин А. С., Субботина Н. И. Эффект изменения состояния поляризации лазерного излучения, проходящего через листья растений. Оптические методы исследования потоков: Труды XVII Международной научно-технической конференции. Москва, 26–30 июня 2023 года. – Москва: Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН, 2023; 562–572. – EDN PFHMLU. eLIBRARY ID: 54941637.Kulchin Y. N., Kozhanov S. O., Kholin A. S., Subbotin E. P., Kovalevsky K. V., Subbotina N. I., Gomolsky A. S. The linearly polarized light effect on maize development. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2023; 87(3): S409–S415. DOI: 10.1134/S1062873823705950.Tuchin V. V. Polarized light interaction with tissues. Journal of Biomedical Optics. 2016; 21(7):71114. DOI: 10.1117/1.JBO.21.7.071114. PMID: 27121763.Kulchin Y. N., Bulgakov V. P., Gol’tsova D.O., Subbotin E. P. Optogenetika rastenii – svetoregulyatsiya geneticheskogo i ehpigenicheskogo mekhanizmov upravleniya ontogenezom = [Plant optogenetics – photoregulation of genetic and epigenetic mechanisms of ontogenesis control]. Vestnik of the FEB RAS. 2020; 1:5–25. (In Russ.). DOI 10.25808/08697698.2020.209.1.001. EDN QHUXPC. Кульчин Ю. Н., Булгаков В. П., Гольцова Д. О., Субботин Е. П. Оптогенетика растений – светорегуляция генетического и эпигенического механизмов управления онтогенезом. Вестник ДВО РАН. 2020; 1:5–25. DOI: 10.25808/08697698.2020.209.1.001. EDN QHUXPC.Golovatskaya I. F. Morfogenez rasteniy I yego regulyatsia. Ch. 1. Fotoregulyatsia morfogeneza rasteniy = [Plants morphogenesis and its regulation: pt. 1. Photoregulation of plants morphogenesis]. – Tomsk.: Tomsk State University Publ. 2016. 172 p. (In Russ.). URL: https://core.ac.uk/download/pdf/287483189.pdf [28.05.2024]. Головацкая И. Ф. Морфогенез растений и его регуляция. Ч. 1. Фоторегуляция морфогенеза растений. – Томск: Томский гос. ун-т. 2016. 172 с. URL: https://core.ac.uk/download/pdf/287483189.pdf [28.05.2024].Takemiya A., Inoue S., Doi M., Kinoshita T., Shimazaki K. Phototropins promote plant growth in response to blue light in low light environments. The Plant Cell. 2005; 17(4):1120–1127. DOI: 10.1105/tpc.104.030049.Yu X., Liu H., Klejnot J., Lin C. The cryptochrome blue light receptors. The Arabidopsis Book. 2010; 8: e0135. DOI: 10.1199/tab.0135.Franklin K. A., Quail P. H. Phytochrome functions in Arabidopsis development. Journal of Experimental Botany. 2010; 61(1):11–24. DOI: 10.1093/jxb/erp304. PMID: 19815685; PMCID: PMC2800801.Corchnoy S. B., Swartz T. E., Lewis J. W., Szundi I., Briggs W. R., Bogomolni R. A. Intramolecular proton transfers and structural changes during the photocycle of the LOV2 domain of phototropin 1. Journal of Biological Chemistry. 2003; 278(2):724–731. DOI: 10.1074/jbc.M209119200. Epub 2002 Oct 30. PMID: 12411437.Brazard J., Usman A., Lacombat F., Ley C., Martin M. M., Plaza P., Mony L., Heijde M., Zabulon G., Bowler C. Spectro-temporal characterization of the photoactivation mechanism of two new oxidized cryptochrome/photolyase photoreceptors. Journal of the American Chemical Society. 2010; 132(13):4935–4945. DOI: 10.1021/ja1002372. PMID: 20222748.Zvereva S. V. V mire solnechnogo sveta = [At the world of sunlight]. – L.: Gidrometeoizdat. 1988. 160 p. (In Russ.). URL: http://elib.rshu.ru/files_books/pdf/img-417144956.pdf [28.05.2024]. Зверева С. В. В мире солнечного света: монография. – Л.: Гидрометеоиздат. 1988. 160 с. URL: http://elib.rshu.ru/files_books/pdf/img-417144956.pdf [28.05.2024].