Ultraviolet - induced fluorescence for plant monitoring : present state and prospects

UV excitation of green leaves induces two distinct, fundamentally different, but still complementary types of fluorescence: a blue-green fluorescence in the 400-630 nm range and the chlorophyll a fluorescence in the red to farred region (630-800 nm) of the spectrum. The relative intensities of these two types of fluorescence are highly sensitive to intrinsic leaf properties and environmental factors. Therefore, fluorescence emission spectra induced by UV radiation can be considered as a complex fluorescence signature that can reveal much about the physiological state of the plant. UV-induced fluorescence of leaves provides us with information on photosynthesis, primary photochemical reactions and chlorophyll content, and also on the presence and accumulation of the product of the secondary metabolism and the redox state of the cell. In this review we pay particular attention to the present and potential application of these signals to active remote sensing of vegetation, i.e. fluorosensing. (© 1999 Inra/Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS.) chlorophyll fluorescence / blue-green fluorescence / ultraviolet radiation / fluorescence lidar / remote sensing Résumé Fluorescence induite par le rayonnement ultraviolet pour le suivi de la végétation : état actuel et perspectives. L’excitation de feuilles vertes dans l’ultraviolet induit deux types de fluorescence distinctes, fondamentalement différentes, mais complémentaires : la fluorescence bleu-verte dans la région 400-630 nm et la fluorescence chlorophyllienne dans la partie rouge-infra-rouge du spectre. Les intensités relatives de ces deux types de fluorescence sont très sensibles aux propriétés intrinsèques des feuilles et aux facteurs de l’environnement. Par conséquent, les spectres d’émission de fluorescence induite par le rayonnement ultraviolet peuvent être considérés comme des signatures complexes qui renseignent sur l’état physiologique de la plante. La fluorescence des feuille induite par l’UV nous informe sur la photosynthèse, les réactions primaires photochimiques et la teneur en chlorophylle, et aussi sur l’accumuCommunicated by Gérard Guyot (Avignon, France) * Correspondence and reprints cerovic @ lure.u-psud.fr lation des produits du métabolisme secondaire ainsi que sur l’état rédox de la cellule. Dans cet article, nous nous sommes particulièrement intéressés à l’application de ces signaux à la télédétection active de la végétation, le « fluorosensing ». (© 1999 Inra/Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS.) fluorescence chlorophyllienne / fluorescence bleu-verte / rayonnement ultraviolet / lidar de fluorescence / télédétection Abbreviations, symbols and acronyms: BF, blue fluorescence; BGF, blue-green fluorescence; Chl, chlorophyll; ChlF, chlorophyll fluorescence; DOM, dissolved organic mater; EEM, excitation-emission matrix; FGVI, fluorescence global vegetation index; FIS, fluorescence imaging systems; FLD, Fraunhofer line discriminator; FLIDAR, fluorescence LIDAR; Fm, maximum ChlF level; Fo, minimal ChlF level; F , ChlF at the peak of the fluorescence induction curve; FRF, far-red fluorescence; Fs, stationary ChlF level; Fv, variable ChlF; FWHM, full width at half maximum; GF, green fluorescence; LASFLEUR, laser fluorescence Europe; LIDAR (lidar), light detection and ranging; LIF, laser-induced fluorescence; NDVI, normalized difference vegetation index; OMA, optical multichannel analyzer; PAM, pulse amplitude modulation; PSI, photosytem I; PSII, photosytem II; QA, ’primary’ quinone acceptor of PSII; qN, non-photochemical quenching; qP, photochemical quenching; QSEU, quinine sulphate equivalent units; RF, red fluorescence; RFI, relative fluorescence intensities; τLIDAR, fluorescence lifetime-LIDAR; τ m, maximal ChlF lifetime; τ o, minimal ChlF lifetime.