Pět monochromatických světel, která ovlivňují růst rostlin

Světlo je základním environmentálním faktorem pro růst a vývoj rostlin. Je nejen základním zdrojem energie pro fotosyntézu, ale také důležitým regulátorem růstu a vývoje rostlin. Růst a vývoj rostlin není omezen pouze množstvím světla nebo intenzitou světla (hustota toku fotonů, hustota toku fotonů, PFD), ale také kvalitou světla, tj. různými vlnovými délkami světla a záření a jejich různým poměrem složení.

Sluneční spektrum lze zhruba rozdělit na ultrafialové záření (ultrafialové, UV

Rostliny dokážou detekovat jemné změny kvality světla, intenzity světla, délky světla a směru v pěstebním prostředí a iniciovat fyziologické a morfologické změny nezbytné k přežití v tomto prostředí. Modré světlo, červené světlo a daleko červené světlo hrají klíčovou roli při řízení fotomorfogeneze rostlin. Fotoreceptory (fytochrom, Phy), kryptochrom (Cry) a fotoreceptory (fototropin, Phot) přijímají světelné signály a indukují růst a vývoj rostlin prostřednictvím přenosu signálu.

Monochromatické světlo, jak se zde používá, se týká světla ve specifickém rozsahu vlnových délek. Rozsah vlnových délek stejného monochromatického světla použitého v různých experimentech není zcela konzistentní a jiná monochromatická světla, která mají podobnou vlnovou délku, se často překrývají v různé míře, zejména před objevením se monochromatického zdroje světla LED. Tímto způsobem přirozeně dojde k různým a dokonce protichůdným výsledkům.

Červené světlo (R) inhibuje prodlužování internodií, podporuje boční větvení a odnožování, zpomaluje diferenciaci květů a zvyšuje množství antokyanů, chlorofylu a karotenoidů. Červené světlo může způsobit pozitivní pohyb světla v kořenech Arabidopsis. Červené světlo má pozitivní vliv na odolnost rostlin vůči biotickým a abiotickým stresům.

Far červené světlo (FR) může v mnoha případech působit proti efektu červeného světla. Nízký poměr R/FR má za následek snížení fotosyntetické kapacity fazolí. V růstové komoře je jako hlavní zdroj světla použita bílá zářivka a dalekočervené záření (emisní vrchol 734 nm) je doplněno LED diodami pro snížení obsahu anthokyanů, karotenoidů a chlorofylu a čerstvé hmotnosti, vyrábí se suchá hmotnost, délka stonku, délka listu a list. Šířka se zvětší. Účinek doplňkové FR na růst může být způsoben zvýšením absorpce světla v důsledku zvětšené plochy listů. Arabidopsis thaliana pěstované v podmínkách nízkého R/FR byly větší a tlustší než ty, které byly pěstovány v podmínkách vysokého R/FR, s velkou biomasou a silnou adaptabilitou na chlad. Různé poměry R/FR mohou také změnit toleranci rostlin vůči soli.

Obecně platí, že zvýšení podílu modrého světla v bílém světle může zkrátit internodia, snížit listovou plochu, snížit relativní rychlost růstu a zvýšit poměr dusík/uhlík (N/C).

Vysoká rostlinná syntéza chlorofylu a tvorba chloroplastů stejně jako chloroplasty s vysokým poměrem chlorofylu a/b a nízkými hladinami karotenoidů vyžadují modré světlo. Pod červeným světlem se rychlost fotosyntézy buněk řas postupně snižovala a rychlost fotosyntézy se rychle obnovila po přechodu na modré světlo nebo přidání nějakého modrého světla pod nepřetržité červené světlo. Když byly tmavě rostoucí buňky tabáku přeneseny do kontinuálního modrého světla po dobu 3 dnů, celkové množství a obsah chlorofylu rubulóza-1,5-bisfosfátkarboxylázy/oxygenázy (Rubisco) prudce vzrostly. V souladu s tím se také prudce zvyšuje suchá hmotnost buněk v objemu roztoku jednotkové kultury, zatímco při trvalém červeném světle se zvyšuje velmi pomalu.

Je zřejmé, že pro fotosyntézu a růst rostlin pouze červené světlo nestačí. Pšenice může dokončit svůj životní cyklus pod jediným zdrojem červených LED, ale pro získání vysokých rostlin a velkého množství semen je třeba přidat přiměřené množství modrého světla (tabulka 1). Výnos hlávkového salátu, špenátu a ředkvičky pěstovaných pod jedním červeným světlem byl nižší než výnos rostlin pěstovaných v kombinaci červené a modré, zatímco výnos rostlin pěstovaných v kombinaci červené a modré s vhodným modrým světlem byl srovnatelný s rostlinám pěstovaným pod studenými bílými zářivkami. Podobně Arabidopsis thaliana může produkovat semena pod jediným červeným světlem, ale roste pod kombinací červeného a modrého světla, protože podíl modrého světla klesá (10% až 1%) ve srovnání s rostlinami pěstovanými pod studenými bílými zářivkami. Šroubování rostlin, kvetení a výsledky byly zpožděny. Výnos semen rostlin pěstovaných v kombinaci červeného a modrého světla obsahujícího 10 % modrého světla byl však pouze poloviční než u rostlin pěstovaných pod studenými bílými zářivkami. Nadměrné modré světlo inhibuje růst rostlin, zkracuje internodia, snižuje větvení, snižuje plochu listů a snižuje celkovou suchou hmotnost. Rostliny mají výrazné druhové rozdíly v potřebě modrého světla.

Je třeba poznamenat, že ačkoliv některé studie využívající různé typy světelných zdrojů ukázaly, že rozdíly v morfologii a růstu rostlin souvisí s rozdíly v podílu modrého světla ve spektru, závěry jsou stále problematické, protože složení nemodrého světla světlo vyzařované různými typy použitých lamp se liší. Například, ačkoli suchá hmotnost rostlin sóji a čiroku pěstovaných pod stejnou světelnou zářivkou a čistá rychlost fotosyntézy na jednotku listové plochy jsou výrazně vyšší než u rostlin pěstovaných pod nízkotlakými sodíkovými výbojkami, nelze tyto výsledky zcela připsat modrému světlu pod nízkotlaké sodíkové výbojky. Nedostatek, obávám se, že souvisí i se žlutým a zeleným světlem pod nízkotlakou sodíkovou výbojkou a oranžovým červeným světlem.

Suchá hmotnost sazenic rajčat pěstovaných pod bílým světlem (obsahujících červené, modré a zelené světlo) byla výrazně nižší než u sazenic pěstovaných pod červeným a modrým světlem. Spektrální detekce inhibice růstu v tkáňové kultuře ukázala, že nejškodlivější kvalitou světla bylo zelené světlo s vrcholem při 550 nm. Výška rostlin, čerstvá a suchá hmotnost měsíčku pěstovaného pod světlem zeleného světla vzrostla o 30 % až 50 % ve srovnání s rostlinami pěstovanými pod světlem s plným spektrem. Zelené světlo plné spektra světla způsobuje, že rostliny jsou krátké a suché a snižuje se čerstvá hmotnost. Odstranění zeleného světla posiluje kvetení měsíčku lékařského, zatímco doplnění zeleného světla brání kvetení hvozdíku a salátu.

Existují však také zprávy o tom, že zelené světlo podporuje růst. Kim a kol. dospěli k závěru, že červené a modré kombinované světlo (LED) doplněné zeleným světlem vede k závěru, že růst rostlin je inhibován, když zelené světlo překročí 50 %, zatímco růst rostlin se zvýší, když je poměr zeleného světla nižší než 24 %. Přestože suchá hmotnost horní části salátu je zvýšena zeleným světlem přidaným zeleným fluorescenčním světlem na červeném a modrém kombinovaném světelném pozadí poskytovaném LED, závěr, že přidání zeleného světla zvyšuje růst a produkuje více biomasa než studené bílé světlo je problematické: (1) Suchá hmotnost biomasy, kterou pozorují, je pouze suchá hmotnost nadzemní části. Pokud je zahrnuta suchá hmotnost podzemního kořenového systému, může být výsledek jiný; (2) horní část hlávkového salátu pěstovaného pod červeným, modrým a zeleným světlem Rostliny, které výrazně rostou pod studenými bílými zářivkami, budou mít pravděpodobně zelené světlo (24 %) obsažené v tříbarevné lampě mnohem méně než výsledek studené bílé zářivky (51 %), to znamená, že efekt potlačení zeleného světla u studené bílé zářivky je větší než u tří barev. Výsledky lampy; (3) Rychlost fotosyntézy rostlin pěstovaných v kombinaci červeného a modrého světla je výrazně vyšší než u rostlin pěstovaných pod zeleným světlem, což podporuje předchozí spekulace.

Ošetřením semen zeleným laserem však mohou být ředkvičky a mrkev dvakrát větší než kontrola. Tlumený zelený puls může urychlit prodlužování sazenic rostoucích ve tmě, to znamená podporovat prodlužování stonků. Ošetření semenáčků Arabidopsis thaliana jediným pulzem zeleného světla (525 nm ± 16 nm) (11,1 μmol·m-2·s-1, 9 s) ze zdroje LED vedlo ke snížení plastidových přepisů a zvýšení růstu stonku hodnotit.

Na základě posledních 50 let údajů z výzkumu rostlinné fotobiologie byla diskutována role zeleného světla ve vývoji rostlin, kvetení, otevírání průduchů, růstu stonku, expresi genů pro chloroplasty a regulaci růstu rostlin. Předpokládá se, že systém vnímání zeleného světla je v souladu s červenými a modrými senzory. Regulujte růst a vývoj rostlin. Všimněte si, že v tomto přehledu je zelené světlo (500~600nm) rozšířeno tak, aby zahrnovalo žlutou část spektra (580~600nm).

Žluté světlo (580~600nm) inhibuje růst salátu. Výsledky obsahu chlorofylu a suché hmotnosti pro různé poměry červeného, ​​daleko červeného, ​​modrého, ultrafialového a žlutého světla naznačují, že pouze žluté světlo (580~600nm) může vysvětlit rozdíl v růstových účincích mezi vysokotlakou sodíkovou výbojkou a halogenidem kovu. svítilna. To znamená, že žluté světlo inhibuje růst. Také žluté světlo (vrchol při 595 nm) inhibovalo růst okurky silněji než zelené světlo (vrchol při 520 nm).

Některé závěry o protichůdných účincích žlutého/zeleného světla mohou být způsobeny nekonzistentním rozsahem vlnových délek světla použitého v těchto studiích. Navíc, protože někteří výzkumníci klasifikují světlo od 500 do 600 nm jako zelené světlo, existuje jen málo literatury o účincích žlutého světla (580-600 nm) na růst a vývoj rostlin.

Ultrafialové záření snižuje plochu listů rostlin, inhibuje prodlužování hypokotylu, snižuje fotosyntézu a produktivitu a činí rostliny náchylnými k napadení patogeny, ale může vyvolat syntézu flavonoidů a obranné mechanismy. UV-B může snížit obsah kyseliny askorbové a β-karotenu, ale může účinně podporovat syntézu anthokyanů. UV-B záření má za následek fenotyp trpasličí rostliny, malé, silné listy, krátký řapík, zvětšené axilární větve a změny poměru kořen/koruna.

Výsledky zkoumání 16 kultivarů rýže ze 7 různých oblastí Číny, Indie, Filipín, Nepálu, Thajska, Vietnamu a Srí Lanky ve skleníku ukázaly, že přidání UV-B vedlo ke zvýšení celkové biomasy. Kultivary (z nichž pouze jeden dosáhl významné úrovně, ze Srí Lanky), 12 kultivarů (z toho 6 významných) a kultivary s UV-B citlivostí byly významně sníženy v listové ploše a velikosti odnože. Existuje 6 kultivarů se zvýšeným obsahem chlorofylu (2 z nich dosahují významné úrovně); 5 kultivarů s výrazně sníženou rychlostí fotosyntézy listů a 1 kultivar s výrazně zlepšeným (významná je i celková biomasa).

Poměr UV-B/PAR je důležitým determinantem reakce rostlin na UV-B. Například UV-B a PAR společně ovlivňují morfologii a výtěžnost oleje máty, což vyžaduje vysoké úrovně nefiltrovaného přirozeného světla.

Je třeba poznamenat, že laboratorní studie účinků UV-B, ačkoli jsou užitečné při identifikaci transkripčních faktorů a dalších molekulárních a fyziologických faktorů, jsou způsobeny použitím vyšších hladin UV-B, nedochází k souběžnému působení UV-A a často nízké PAR pozadí, výsledky obvykle nejsou mechanicky extrapolovány do přírodního prostředí. Terénní studie obvykle používají UV lampy ke zvýšení nebo použití filtrů ke snížení úrovní UV-B.