Pet monohromatskih lampi koje utiču na rast biljaka

Svetlost je osnovni faktor životne sredine za rast i razvoj biljaka. On nije samo osnovni izvor energije za fotosintezu, već je i važan regulator rasta i razvoja biljaka. Rast i razvoj biljaka nisu ograničeni samo količinom svjetlosti ili intenzitetom svjetlosti (gustina fluksa fotona, gustina toka fotona, PFD), već i kvalitetom svjetlosti, odnosno različitim valnim dužinama svjetlosti i zračenja i njihovim različitim omjerima sastava.

Sunčev spektar se može grubo podijeliti na ultraljubičasto zračenje (ultraljubičasto, UV

Biljke mogu otkriti suptilne promjene u kvaliteti svjetlosti, intenzitetu svjetlosti, dužini svjetlosti i smjeru u rastućoj okolini, te pokrenuti fiziološke i morfološke promjene neophodne za preživljavanje u ovoj sredini. Plavo svjetlo, crveno svjetlo i daleko crveno svjetlo igraju ključnu ulogu u kontroli fotomorfogeneze biljaka. Fotoreceptori (phytochrome, Phy), kriptohrom (Cry) i fotoreceptori (phototropin, Phot) primaju svjetlosne signale i induciraju rast i razvoj biljaka putem prijenosa signala.

Monohromatsko svetlo, kako se ovde koristi, odnosi se na svetlost u određenom opsegu talasnih dužina. Opseg valnih dužina istog monokromatskog svjetla korištenog u različitim eksperimentima nije u potpunosti konzistentan, a druga monokromatska svjetla koja su slična talasnoj dužini često se preklapaju u različitoj mjeri, posebno prije pojave monokromatskog LED izvora svjetlosti. Na taj način će, naravno, biti različitih, pa čak i kontradiktornih rezultata.

Crveno svjetlo (R) inhibira izduženje internodija, potiče bočno grananje i bokanje, odgađa diferencijaciju cvjetova i povećava antocijanine, hlorofil i karotenoide. Crveno svjetlo može uzrokovati pozitivno kretanje svjetla u korijenu Arabidopsis. Crveno svjetlo ima pozitivan učinak na otpornost biljaka na biotičke i abiotske stresove.

Daleko crveno svjetlo (FR) može suprotstaviti efektu crvenog svjetla u mnogim slučajevima. Nizak odnos R/FR dovodi do smanjenja fotosintetskog kapaciteta graha. U komori za rast, bijela fluorescentna lampa se koristi kao glavni izvor svjetlosti, a daleko crveno zračenje (pik emisije od 734 nm) je dopunjeno LED diodama kako bi se smanjio sadržaj antocijanina, karotenoida i klorofila, te svježa težina, Izrađuju se suha težina, dužina stabljike, dužina lista i lista. Širina je povećana. Učinak dodatnog FR na rast može biti posljedica povećanja apsorpcije svjetlosti zbog povećane površine listova. Arabidopsis thaliana uzgajan u uvjetima niskog R/FR bio je veći i deblji od onih uzgojenih pod visokim R/FR, s velikom biomasom i jakom prilagodljivošću na hladnoću. Različiti omjeri R/FR također mogu promijeniti otpornost biljaka na sol.

Općenito, povećanje udjela plave svjetlosti u bijeloj svjetlosti može skratiti internodije, smanjiti površinu lista, smanjiti relativne stope rasta i povećati omjer dušika/ugljika (N/C).

Visoka sinteza hlorofila u biljkama i formiranje hloroplasta, kao i hloroplasti sa visokim odnosom hlorofila a/b i niskim nivoom karotenoida zahtevaju plavo svetlo. Pod crvenim svjetlom, brzina fotosinteze ćelija algi se postepeno smanjivala, a stopa fotosinteze se brzo oporavila nakon prelaska na plavo svjetlo ili dodavanja malo plave svjetlosti pod kontinuiranim crvenim svjetlom. Kada su tamnorastuće ćelije duhana prebačene na kontinuirano plavo svjetlo tokom 3 dana, ukupna količina i sadržaj klorofila rubuloze-1,5-bisfosfat karboksilaze/oksigenaze (Rubisco) naglo se povećao. U skladu s tim, suha težina ćelija u volumenu jedinične otopine kulture također se naglo povećava, dok se vrlo sporo povećava pod kontinuiranim crvenim svjetlom.

Očigledno je da za fotosintezu i rast biljaka samo crveno svjetlo nije dovoljno. Pšenica može da završi svoj životni ciklus pod jednim izvorom crvenih LED dioda, ali da bi se dobile visoke biljke i veliki broj semena, mora se dodati odgovarajuća količina plave svetlosti (Tabela 1). Prinos zelene salate, špinata i rotkvice uzgojenih pod jednim crvenim svjetlom bio je niži od prinosa biljaka uzgojenih pod kombinacijom crvene i plave boje, dok je prinos biljaka uzgojenih pod kombinacijom crvene i plave uz odgovarajuću plavu svjetlost bio uporediv sa biljke koje se uzgajaju pod hladnim bijelim fluorescentnim lampama. Slično, Arabidopsis thaliana može proizvesti sjeme pod jednim crvenim svjetlom, ali raste pod kombinacijom crvene i plave svjetlosti kako se udio plave svjetlosti smanjuje (10% do 1%) u poređenju s biljkama koje se uzgajaju pod hladnim bijelim fluorescentnim lampama. Učvršćivanje biljaka, cvjetanje i rezultati su kasnili. Međutim, prinos sjemena biljaka uzgojenih pod kombinacijom crvene i plave svjetlosti koja sadrži 10% plave svjetlosti bio je samo upola manji od prinosa biljaka uzgojenih pod hladnim bijelim fluorescentnim lampama. Prekomjerna plava svjetlost inhibira rast biljaka, skraćuje internodije, smanjuje grananje, smanjuje površinu listova i smanjuje ukupnu suhu težinu. Biljke imaju značajne razlike vrsta u potrebi za plavim svjetlom.

Treba napomenuti da iako su neke studije koje koriste različite vrste izvora svjetlosti pokazale da su razlike u morfologiji i rastu biljaka povezane s razlikama u udjelu plave svjetlosti u spektru, zaključci su i dalje problematični jer je sastav neplave svjetlosti svjetlost koju emituju različite vrste lampi koje se koriste je različita. Na primjer, iako su suha težina biljaka soje i sirka uzgojenih pod istom svjetlosnom fluorescentnom lampom i neto stopa fotosinteze po jedinici površine lista značajno veća od onih uzgojenih pod niskotlačnim natrijevim lampama, ovi rezultati se ne mogu u potpunosti pripisati plavoj svjetlosti pod natrijumske lampe niskog pritiska. Nedostatak, bojim se da je vezan i za žuto i zeleno svjetlo ispod niskotlačne natrijumske lampe i narandžasto crveno svjetlo.

Suha težina sadnica paradajza uzgojenih pod bijelim svjetlom (sadrži crvenu, plavu i zelenu svjetlost) bila je značajno manja u odnosu na presadnice uzgojene pod crvenim i plavim svjetlom. Spektralna detekcija inhibicije rasta u kulturi tkiva pokazala je da je najštetniji kvalitet svjetlosti zeleno svjetlo s maksimumom na 550 nm. Visina biljke, svježa i suha težina nevena uzgojenog pod svjetlom zelene svjetlosti povećana je za 30% do 50% u odnosu na biljke uzgojene pod svjetlom punog spektra. Zeleno svjetlo punog spektra uzrokuje da biljke budu kratke i suhe, a svježa težina se smanjuje. Uklanjanje zelenog svjetla jača cvjetanje nevena, dok dodavanje zelenog svjetla inhibira cvjetanje Dianthusa i zelene salate.

Međutim, postoje i izvještaji o zelenom svjetlu koje potiče rast. Kim et al. zaključili su da crveno-plavo kombinovano svjetlo (LED) dopunjeno zelenim svjetlom rezultira zaključkom da je rast biljaka inhibiran kada zeleno svjetlo prelazi 50%, dok je rast biljaka poboljšan kada je omjer zelenog svjetla manji od 24%. Iako je suha težina gornjeg dijela salate povećana zelenim svjetlom dodanim zelenim fluorescentnim svjetlom na crvenoj i plavoj kombinovanoj svjetlosnoj pozadini koju daje LED, zaključak da dodatak zelenog svjetla pospješuje rast i proizvodi više biomasa od hladnog bijelog svjetla je problematična: (1) Suva težina biomase koju posmatraju je samo suha težina nadzemnog dijela. Ako je uključena suha težina podzemnog korijenskog sistema, rezultat može biti drugačiji; (2) gornji dio zelene salate uzgajane pod crvenim, plavim i zelenim svjetlima Biljke koje značajno rastu pod hladnim bijelim fluorescentnim lampama vjerovatno će imati zeleno svjetlo (24%) sadržano u trobojnoj lampi daleko manje od rezultata hladne bijele fluorescentne lampe (51%), odnosno efekat suzbijanja zelenog svjetla hladne bijele fluorescentne lampe je veći od tri boje. Rezultati lampe; (3) Stopa fotosinteze biljaka uzgojenih pod kombinacijom crvene i plave svjetlosti znatno je veća od one kod biljaka uzgojenih pod zelenim svjetlom, što podržava prethodnu spekulaciju.

Međutim, tretiranje sjemena zelenim laserom može učiniti rotkvice i šargarepe dvostruko veće od kontrole. Prigušeni zeleni puls može ubrzati produžavanje sadnica koje rastu u mraku, odnosno potaknuti izduživanje stabljike. Tretiranje sadnica Arabidopsis thaliana jednim impulsom zelenog svjetla (525 nm ± 16 nm) (11,1 μmol·m-2·s-1, 9 s) iz LED izvora rezultiralo je smanjenjem transkripata plastida i povećanjem rasta stabljike stopa.

Na osnovu podataka istraživanja fotobiologije biljaka u posljednjih 50 godina, raspravljalo se o ulozi zelenog svjetla u razvoju biljaka, cvjetanju, otvaranju stoma, rastu stabljike, ekspresiji gena kloroplasta i regulaciji rasta biljaka. Veruje se da je sistem percepcije zelenog svetla u harmoniji sa crvenim i plavim senzorima. Reguliše rast i razvoj biljaka. Imajte na umu da je u ovom pregledu zeleno svjetlo (500~600nm) prošireno da uključi žuti dio spektra (580~600nm).

Žuto svjetlo (580~600nm) inhibira rast salate. Rezultati sadržaja klorofila i suhe težine za različite omjere crvene, daleko crvene, plave, ultraljubičaste i žute svjetlosti, respektivno, pokazuju da samo žuto svjetlo (580~600nm) može objasniti razliku u efektima rasta između natrijeve lampe visokog pritiska i metal-halogenida. lampa. To jest, žuto svjetlo inhibira rast. Takođe, žuta svjetlost (vrh na 595 nm) je jače inhibirala rast krastavca od zelene svjetlosti (vrh na 520 nm).

Neki zaključci o suprotstavljenim efektima žute/zelene svjetlosti mogu biti posljedica nedosljednog raspona valnih dužina svjetlosti korištenih u tim studijama. Štaviše, pošto neki istraživači klasifikuju svetlost od 500 do 600 nm kao zeleno svetlo, postoji malo literature o efektima žute svetlosti (580-600 nm) na rast i razvoj biljaka.

Ultraljubičasto zračenje smanjuje površinu listova biljke, inhibira produžavanje hipokotila, smanjuje fotosintezu i produktivnost i čini biljke osjetljivim na napad patogena, ali može inducirati sintezu flavonoida i obrambene mehanizme. UV-B može smanjiti sadržaj askorbinske kiseline i β-karotena, ali može efikasno promovirati sintezu antocijanina. UV-B zračenje rezultira fenotipom patuljaste biljke, malim, debelim listovima, kratkim peteljkama, povećanim pazušnim granama i promjenama odnosa korijen/krošnja.

Rezultati istraživanja na 16 sorti pirinča iz 7 različitih regiona Kine, Indije, Filipina, Nepala, Tajlanda, Vijetnama i Šri Lanke u stakleniku su pokazali da je dodavanje UV-B rezultiralo povećanjem ukupne biomase. Sorte (od kojih je samo jedna dostigla značajan nivo, sa Šri Lanke), 12 sorti (od kojih je 6 značajnih) i one sa UV-B osjetljivošću značajno su smanjene u površini listova i veličini ploda. Postoji 6 sorti sa povećanim sadržajem hlorofila (od kojih 2 dostižu značajan nivo); 5 sorti sa značajno smanjenom stopom fotosinteze listova i 1 sorta sa značajno poboljšanim (značajna je i ukupna biomasa) povećanjem.

Odnos UV-B/PAR je važna determinanta odgovora biljke na UV-B. Na primjer, UV-B i PAR zajedno utiču na morfologiju i prinos ulja mente, što zahtijeva visok nivo nefiltriranog prirodnog svjetla.

Treba napomenuti da su laboratorijske studije UV-B efekata, iako korisne u identifikaciji transkripcionih faktora i drugih molekularnih i fizioloških faktora, posledica upotrebe viših nivoa UV-B, bez UV-A pratećih i često niske pozadinske PAR, rezultati se obično ne ekstrapoliraju mehanički u prirodno okruženje. Terenske studije obično koriste UV lampe za podizanje ili korištenje filtera za smanjenje UV-B nivoa.