Pet monokromatskih svjetala koja utječu na rast biljaka

Svjetlost je osnovni čimbenik okoliša za rast i razvoj biljaka. On nije samo osnovni izvor energije za fotosintezu, već i važan regulator rasta i razvoja biljaka. Rast i razvoj biljaka nisu ograničeni samo količinom ili intenzitetom svjetlosti (gustoća fotonskog toka, photon flux density, PFD), već i kvalitetom svjetlosti, tj. različitim valnim duljinama svjetlosti i zračenja te njihovim različitim omjerima sastava.

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

Biljke mogu detektirati suptilne promjene u kvaliteti svjetlosti, intenzitetu svjetlosti, duljini svjetlosti i smjeru u rastućoj okolini te pokrenuti fiziološke i morfološke promjene potrebne za preživljavanje u ovoj okolini. Plavo svjetlo, crveno svjetlo i daleko crveno svjetlo imaju ključnu ulogu u kontroli fotomorfogeneze biljaka. Fotoreceptori (fitokrom, Phy), kriptokrom (Cry) i fotoreceptori (fototropin, Phot) primaju svjetlosne signale i potiču rast i razvoj biljaka putem prijenosa signala.

Monokromatsko svjetlo kako se ovdje koristi odnosi se na svjetlo u specifičnom rasponu valnih duljina. Raspon valnih duljina iste monokromatske svjetlosti korištene u različitim eksperimentima nije potpuno dosljedan, a druga monokromatska svjetla slične valne duljine često se preklapaju u različitim razmjerima, osobito prije pojave monokromatskog LED izvora svjetlosti. Na taj će način, naravno, doći do različitih, pa čak i kontradiktornih rezultata.

Crveno svjetlo (R) inhibira produljenje internodija, potiče bočno grananje i bokorenje, odgađa diferencijaciju cvijeta i povećava antocijanine, klorofil i karotenoide. Crveno svjetlo može uzrokovati pozitivno svjetlo u korijenima Arabidopsis. Crveno svjetlo ima pozitivan učinak na otpornost biljaka na biotičke i abiotske stresove.

Daleko crveno svjetlo (FR) može poništiti učinak crvenog svjetla u mnogim slučajevima. Nizak omjer R/FR rezultira smanjenjem fotosintetskog kapaciteta graha. U komori za rast, bijela fluorescentna svjetiljka koristi se kao glavni izvor svjetla, a dalekocrveno zračenje (vrh emisije od 734 nm) dopunjeno je LED diodama kako bi se smanjio sadržaj antocijana, karotenoida i klorofila, a svježa težina, suha težina, duljina stabljike, duljina lista i list se izrađuju. Širina je povećana. Učinak dodatnog FR na rast može biti posljedica povećanja apsorpcije svjetla zbog povećane površine lišća. Arabidopsis thaliana uzgojene u uvjetima niske R/FR bile su veće i deblje od onih uzgojenih u uvjetima visoke R/FR, s velikom biomasom i snažnom 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 lišća, smanjiti relativne stope rasta i povećati omjere dušik/ugljik (N/C).

Visoka sinteza klorofila u biljkama i stvaranje kloroplasta, kao i kloroplasti s visokim omjerom klorofila a/b i niskim razinama karotenoida zahtijevaju plavo svjetlo. Pod crvenim svjetlom, stopa fotosinteze stanica algi postupno se smanjivala, a stopa fotosinteze brzo se oporavila nakon prelaska na plavo svjetlo ili dodavanja nešto plavog svjetla pod stalnim crvenim svjetlom. Kada su tamnorastuće stanice duhana prenesene na neprekidno plavo svjetlo tijekom 3 dana, ukupna količina i sadržaj klorofila rubuloze-1, 5-bisfosfat karboksilaze/oksigenaze (Rubisco) naglo se povećao. U skladu s tim, suha težina stanica u volumenu jedinične otopine kulture također se naglo povećava, dok se pod stalnim crvenim svjetlom povećava vrlo sporo.

Očito, za fotosintezu i rast biljaka samo crveno svjetlo nije dovoljno. Pšenica može završiti svoj životni ciklus pod jednim crvenim LED izvorom, ali da bi se dobile visoke biljke i veliki broj sjemenki, mora se dodati odgovarajuća količina plavog svjetla (Tablica 1). Prinos salate, špinata i rotkvice uzgojenih pod jednim crvenim svjetlom bio je manji nego kod biljaka uzgojenih uz kombinaciju crvenog i plavog, dok je prinos biljaka uzgojenih pod kombinacijom crvenog i plavog uz odgovarajuće plavo svjetlo bio usporediv s biljke uzgojene pod hladnim bijelim fluorescentnim svjetiljkama. Slično, Arabidopsis thaliana može proizvesti sjeme pod jednim crvenim svjetlom, ali raste pod kombinacijom crvenog i plavog svjetla jer se udio plavog svjetla smanjuje (10% do 1%) u usporedbi s biljkama uzgojenim pod hladnim bijelim fluorescentnim svjetiljkama. Zatvaranje biljaka, cvjetanje i rezultati kasnili su. Međutim, prinos sjemena biljaka uzgojenih pod kombinacijom crvenog i plavog svjetla koje sadrži 10% plavog svjetla bio je samo upola manji od prinosa biljaka uzgojenih pod hladnim bijelim fluorescentnim svjetiljkama. Pretjerano plavo svjetlo inhibira rast biljke, skraćuje internodije, smanjuje grananje, smanjuje lisnu površinu i smanjuje ukupnu suhu težinu. Biljke imaju značajne vrste razlike u potrebi za plavim svjetlom.

Treba napomenuti da, iako su neka istraživanja koja su koristila različite vrste izvora svjetlosti pokazala da su razlike u morfologiji i rastu biljaka povezane s razlikama u udjelu plave svjetlosti u spektru, zaključci su još uvijek problematični jer je sastav neplave svjetlosti. svjetlost koju emitiraju različite vrste korištenih svjetiljki je različita. Na primjer, iako su suha težina biljaka soje i sirka uzgojenih pod istim svjetlom fluorescentne svjetiljke i neto stopa fotosinteze po jedinici lisne površine značajno veći od onih uzgojenih pod niskotlačnim natrijevim svjetiljkama, ti se rezultati ne mogu u potpunosti pripisati plavom svjetlu pod natrijeve lampe niskog pritiska. Nedostatak, bojim se da je također povezan sa žutim i zelenim svjetlom ispod niskotlačne natrijeve lampe i narančastim crvenim svjetlom.

Suha težina presadnica rajčice uzgojenih pod bijelim svjetlom (koje sadrže crvenu, plavu i zelenu svjetlost) bila je značajno niža od mase presadnica uzgojenih pod crvenim i plavim svjetlom. Spektralna detekcija inhibicije rasta u kulturi tkiva pokazala je da je najštetnija kvaliteta svjetla bila zelena svjetlost s vrhom na 550 nm. Visina biljke, svježa i suha težina nevena uzgojenog pod svjetlom zelene svjetlosti povećali su se za 30% do 50% u usporedbi s biljkama uzgojenim pod svjetlom punog spektra. Zeleno svjetlo punog spektra svjetlosti uzrokuje niske i suhe biljke, a svježa težina se smanjuje. Uklanjanje zelenog svjetla pojačava cvjetanje nevena, dok dopuna zelenog svjetla inhibira cvjetanje Dianthusa i salate.

Međutim, postoje i izvješća o zelenom svjetlu koje potiče rast. Kim i sur. zaključili da crveno-plavo kombinirano svjetlo (LED) dopunjeno zelenim svjetlom rezultira zaključkom da je rast biljaka inhibiran kada zeleno svjetlo prelazi 50%, dok se rast biljaka pojačava kada je omjer zelenog svjetla manji od 24%. Iako se suha težina gornjeg dijela salate povećava zelenom svjetlošću koju dodaje zeleno fluorescentno svjetlo na kombiniranu crvenu i plavu svjetlosnu pozadinu koju daje LED, zaključak je da dodavanje zelene svjetlosti pospješuje rast i proizvodi više biomase nego hladno bijelo svjetlo je problematično: (1) Suha težina biomase koju promatraju samo je suha težina nadzemnog dijela. Ako se uključi suha težina podzemnog korijenskog sustava, rezultat može biti drugačiji; (2) gornji dio salate uzgojen pod crvenim, plavim i zelenim svjetlom Biljke koje značajno rastu pod hladnim bijelim fluorescentnim svjetiljkama vjerojatno će imati zeleno svjetlo (24%) sadržano u trobojnoj lampi daleko manje od rezultata hladne bijele fluorescentne svjetiljke (51%), odnosno učinak suzbijanja zelene svjetlosti hladne bijele fluorescentne svjetiljke veći je od triju boja. Rezultati svjetiljke; (3) Brzina fotosinteze biljaka uzgojenih pod kombinacijom crvenog i plavog svjetla znatno je viša nego kod biljaka uzgojenih pod zelenim svjetlom, što potvrđuje prethodne spekulacije.

Međutim, tretiranje sjemena zelenim laserom može učiniti rotkvice i mrkvu dvostruko većim od kontrolne. Prigušeni zeleni puls može ubrzati izduživanje sadnica koje rastu u mraku, odnosno pospješiti izduživanje stabljike. Tretiranje sadnica Arabidopsis thaliana jednim pulsom zelene svjetlosti (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 temelju podataka istraživanja fotobiologije biljaka u proteklih 50 godina, raspravljalo se o ulozi zelene svjetlosti u razvoju biljaka, cvjetanju, otvaranju stomata, rastu stabljike, ekspresiji gena kloroplasta i regulaciji rasta biljaka. Vjeruje se da je sustav percepcije zelenog svjetla u skladu s crvenim i plavim senzorima. Reguliraju rast i razvoj biljaka. Imajte na umu da je u ovom pregledu zeleno svjetlo (500~600nm) prošireno tako da uključuje žuti dio spektra (580~600nm).

Žuto svjetlo (580~600nm) inhibira rast salate. Rezultati sadržaja klorofila i suhe težine za različite omjere crvenog, daleko crvenog, plavog, ultraljubičastog i žutog svjetla pokazuju da samo žuto svjetlo (580~600 n) može objasniti razliku u učincima rasta između visokotlačne natrijeve lampe i metalnog halida svjetiljka. Odnosno, žuto svjetlo inhibira rast. Također, žuto svjetlo (vrh na 595 nm) jače je inhibiralo rast krastavaca nego zeleno svjetlo (vrh na 520 nm).

Neki zaključci o proturječnim učincima žutog/zelenog svjetla mogu biti posljedica nedosljednog raspona valnih duljina svjetla korištenog u tim studijama. Štoviše, budući da neki istraživači klasificiraju svjetlost od 500 do 600 nm kao zelenu svjetlost, malo je literature o učincima žute svjetlosti (580-600 nm) na rast i razvoj biljaka.

Ultraljubičasto zračenje smanjuje površinu listova biljke, inhibira produženje hipokotila, smanjuje fotosintezu i produktivnost i čini biljke osjetljivima na napad patogena, ali može inducirati sintezu flavonoida i obrambene mehanizme. UV-B može smanjiti sadržaj askorbinske kiseline i β-karotena, ali može učinkovito pospješiti sintezu antocijana. UV-B zračenje rezultira patuljastim fenotipom biljke, malim, debelim listovima, kratkom peteljkom, povećanim pazušnim granama i promjenama omjera korijen/krošnja.

Rezultati istraživanja na 16 kultivara riže iz 7 različitih regija Kine, Indije, Filipina, Nepala, Tajlanda, Vijetnama i Šri Lanke u stakleniku pokazali su da je dodavanje UV-B rezultiralo povećanjem ukupne biomase. Kultivari (od kojih je samo jedan dosegao značajnu razinu, sa Šri Lanke), 12 kultivara (od kojih je 6 bilo značajno), a oni s UV-B osjetljivošću značajno su smanjeni u površini lišća i veličini korpa. Postoji 6 kultivara s povećanim sadržajem klorofila (od kojih 2 dostižu značajne razine); 5 kultivara sa značajno smanjenom stopom fotosinteze lista i 1 kultivar sa značajno poboljšanim (njegova ukupna biomasa je također značajna) povećanjem).

Omjer UV-B/PAR je važna determinanta odgovora biljke na UV-B. Na primjer, UV-B i PAR zajedno utječu na morfologiju i prinos ulja metvice, što zahtijeva visoke razine nefiltriranog prirodnog svjetla.

Treba napomenuti da su laboratorijske studije učinaka UV-B zraka, iako korisne u identificiranju transkripcijskih čimbenika i drugih molekularnih i fizioloških čimbenika, rezultat upotrebe viših razina UV-B zraka, nepostojanja UV-A i često niske pozadinske PAR, rezultati se obično ne ekstrapoliraju mehanički u prirodni okoliš. Terenske studije obično koriste UV lampe za podizanje ili korištenje filtara za smanjenje UV-B razina.