חמישה אורות מונוכרומטיים המשפיעים על צמיחת הצמח

האור הוא הגורם הסביבתי הבסיסי לצמיחה והתפתחות של צמחים. זה לא רק מקור האנרגיה הבסיסי לפוטוסינתזה, אלא גם מווסת חשוב של צמיחה והתפתחות צמחים. צמיחה והתפתחות של צמחים מוגבלים לא רק על ידי כמות האור או עוצמת האור (צפיפות שטף הפוטונים, צפיפות שטף הפוטונים, PFD), אלא גם על ידי איכות האור, כלומר אורכי גל שונים של אור וקרינה ויחסי הרכבם השונים.

ניתן לחלק באופן גס את הספקטרום הסולארי לקרינה אולטרה סגולה (אולטרה סגול, UV

צמחים יכולים לזהות שינויים עדינים באיכות האור, עוצמת האור, אורך האור והכיוון בסביבת הגידול, וליזום את השינויים הפיזיולוגיים והמורפולוגיים הדרושים כדי לשרוד בסביבה זו. אור כחול, אור אדום ואור אדום רחוק ממלאים תפקיד מפתח בשליטה בפוטומורפוגנזה של צמחים. קולטני פוטו (phytochrome, Phy), cryptochrome (Cry) ופוטורצפטורים (פוטוטרופין, Phot) מקבלים אותות אור ומעוררים צמיחה והתפתחות של צמחים באמצעות הולכת אותות.

אור מונוכרומטי כפי שמשמש כאן מתייחס לאור בטווח אורכי גל ספציפי. טווח אורכי הגל של אותו אור מונוכרומטי המשמש בניסויים שונים אינו עקבי לחלוטין, ואורות מונוכרומטיים אחרים הדומים באורכי הגל חופפים לעיתים קרובות בהיקפים שונים, במיוחד לפני הופעת מקור אור LED מונוכרומטי. באופן זה, מטבע הדברים, יהיו תוצאות שונות ואף סותרות.

אור אדום (R) מעכב התארכות פנימית, מעודד הסתעפות צדדית ופיתול, מעכב את התמיינות הפרחים ומגביר אנתוציאנינים, כלורופיל וקרוטנואידים. אור אדום יכול לגרום לתנועת אור חיובית בשורשי ארבידופסיס. לאור אדום יש השפעה חיובית על עמידות הצמח ללחצים ביוטיים ואביוטיים.

אור אדום רחוק (FR) יכול לנטרל את אפקט האור האדום במקרים רבים. יחס R/FR נמוך מביא לירידה ביכולת הפוטוסינתזה של שעועית כליה. בתא הגידול, מנורת הפלורסנט הלבנה משמשת כמקור האור העיקרי, והקרינה האדומה הרחוקה (שיא הפליטה של ​​734 ננומטר) מתווספת עם נוריות לד להפחתת תכולת האנתוציאנין, הקרוטנואידים והכלורופיל, ואת המשקל הטרי, משקל יבש, אורך גזע, אורך עלה ועלה עשויים. הרוחב גדל. ההשפעה של FR משלים על הגדילה עשויה לנבוע מעלייה בספיגת האור עקב שטח עלים מוגדל. Arabidopsis thaliana שגודלו בתנאי R/FR נמוך היו גדולים ועבים יותר מאלה שגדלו ב-R/FR גבוה, עם ביומסה גדולה ויכולת הסתגלות חזקה לקור. יחסים שונים של R/FR יכולים גם לשנות את סבילות המלח של צמחים.

באופן כללי, הגדלת חלקיק האור הכחול באור לבן יכולה לקצר פנימיות, להפחית את שטח העלים, להפחית את שיעורי הצמיחה היחסיים ולהגדיל את יחסי החנקן/פחמן (N/C).

סינתזה גבוהה של כלורופיל צמחי ויצירת כלורופלסט וכן כלורופלסטים בעלי יחס כלורופיל a/b גבוה ורמות קרוטנואידים נמוכות דורשים אור כחול. תחת האור האדום, קצב הפוטוסינתזה של תאי האצות ירד בהדרגה, וקצב הפוטוסינתזה התאושש במהירות לאחר מעבר לאור כחול או הוספת מעט אור כחול באור אדום מתמשך. כאשר תאי הטבק הגדלים כהים הועברו לאור כחול מתמשך למשך 3 ימים, הכמות הכוללת ותכולת הכלורופיל של רובולוס-1, 5-ביספוספט קרבוקסילאז/אוקסיגנאז (Rubisco) עלו בחדות. בהתאם לכך, משקלם היבש של התאים בנפח תמיסת התרבית היחידה עולה גם הוא בחדות, בעוד שהוא גדל לאט מאוד באור אדום מתמשך.

ברור שלפוטוסינתזה וצמיחה של צמחים, רק אור אדום אינו מספיק. חיטה יכולה להשלים את מחזור החיים שלה תחת מקור LED אדום אחד, אבל כדי להשיג צמחים גבוהים ומספר גדול של זרעים, יש להוסיף כמות מתאימה של אור כחול (טבלה 1). התפוקה של חסה, תרד וצנונית שגדלו באור אדום בודד הייתה נמוכה מזו של הצמחים שגדלו בשילוב של אדום וכחול, בעוד התפוקה של צמחים שגדלו בשילוב של אדום וכחול עם אור כחול מתאים הייתה דומה ל- זה של צמחים שגדלו תחת מנורות פלורסנט לבנות קרירות. באופן דומה, Arabidopsis thaliana יכול לייצר זרעים תחת אור אדום בודד, אך הוא גדל בשילוב של אור אדום וכחול כאשר שיעור האור הכחול יורד (10% עד 1%) בהשוואה לצמחים הגדלים תחת מנורות פלורסנט לבנות קרירות. הבריחת הצמח, הפריחה והתוצאות התעכבו. עם זאת, תפוקת הזרעים של צמחים שגדלו בשילוב של אור אדום וכחול המכיל 10% אור כחול הייתה רק מחצית מזו של צמחים שגדלו תחת מנורות פלורסנט לבנות קרות. אור כחול מוגזם מעכב את צמיחת הצמחים, מקצר פנימיות, מופחת הסתעפות, צמצום שטח העלים והפחתת משקל יבש הכולל. לצמחים יש הבדלי מינים משמעותיים בצורך באור כחול.

יש לציין שלמרות שמחקרים מסוימים המשתמשים בסוגים שונים של מקורות אור הראו שהבדלים במורפולוגיה ובצמיחה של הצמח קשורים להבדלים בשיעור האור הכחול בספקטרום, המסקנות עדיין בעייתיות מכיוון שהרכב הצמח הלא כחול. האור הנפלט מהסוגים השונים של מנורות בשימוש שונה. לדוגמה, למרות שהמשקל היבש של צמחי סויה וסורגום הגדלים תחת אותה מנורת פלורסנט אור וקצב הפוטוסינתזה נטו ליחידת שטח עלה גבוהים משמעותית מאלה הגדלים תחת מנורות נתרן בלחץ נמוך, לא ניתן לייחס תוצאות אלו לחלוטין לאור כחול תחת מנורות נתרן בלחץ נמוך. חוסר, אני חושש שזה קשור גם לאור הצהוב והירוק מתחת למנורת הנתרן בלחץ נמוך ולאור האדום הכתום.

המשקל היבש של שתילי עגבניות שגדלו באור לבן (המכיל אור אדום, כחול וירוק) היה נמוך משמעותית מזה של שתילים שגדלו באור אדום וכחול. זיהוי ספקטרלי של עיכוב גדילה בתרבית רקמה הצביע על כך שאיכות האור המזיקה ביותר הייתה אור ירוק עם שיא של 550 ננומטר. גובה הצמח, המשקל הטרי והיבש של ציפורני החתול שגדלו באור ירוק גדל ב-30% עד 50% בהשוואה לצמחים שגדלו באור מלא. אור ירוק מלא ספקטרום אור גורם לצמחים להיות קצרים ויבשים, ומשקל הטרי מופחת. הסרת האור הירוק מחזקת את פריחת ציפורני החתול, בעוד שהשלמה של אור ירוק מעכבת את פריחת הדיאנטוס והחסה.

עם זאת, ישנם גם דיווחים על אור ירוק המקדם צמיחה. קים וחב' הגיע למסקנה שהאור הירוק המשולב האדום-כחול (LED) מביא למסקנה שצמיחת צמחים מעוכבת כאשר האור הירוק עולה על 50%, בעוד שצמיחה צמחית מוגברת כאשר יחס האור הירוק נמוך מ-24%. למרות שהמשקל היבש של החלק העליון של החסה גדל על ידי האור הירוק שנוסף על ידי האור הפלורסנט הירוק על רקע האור המשולב האדום והכחול שמספק ה-LED, המסקנה שתוספת האור הירוק משפרת את הצמיחה ומפיקה יותר ביומסה מאשר האור הלבן הקר הוא בעייתי: (1) המשקל היבש של הביומסה שהם צופים הוא רק המשקל היבש של החלק העילי. אם נכלל המשקל היבש של מערכת השורשים התת-קרקעית, התוצאה עשויה להיות שונה; (2) החלק העליון של החסה שגדל תחת האורות האדומים, הכחולים והירוקים לצמחים שגדלים באופן משמעותי תחת מנורות פלורסנט לבנות קרות, סביר להניח שהאור הירוק (24%) הכלול במנורת שלושת הצבעים נמוכה בהרבה מהתוצאה של מנורת הפלורסנט הלבנה הקרירה (51%), כלומר, אפקט דיכוי האור הירוק של מנורת הפלורסנט הלבן הקריר גדול משלושת הצבעים. תוצאות המנורה; (3) קצב הפוטוסינתזה של הצמחים שגדלו בשילוב של אור אדום וכחול גבוה משמעותית מזה של הצמחים שגדלו באור ירוק, מה שתומך בהשערה הקודמת.

עם זאת, טיפול בזרעים בלייזר ירוק יכול להפוך צנוניות וגזר לגדולים פי שניים מהבקרה. דופק ירוק עמום יכול להאיץ את התארכות השתילים הגדלים בחושך, כלומר לקדם את התארכות הגבעולים. טיפול בשתילי Arabidopsis thaliana עם דופק אור ירוק בודד (525 ננומטר ± 16 ננומטר) (11.1 μmol·m-2·s-1, 9 שניות) ממקור LED הביא לירידה בתעתיקי פלסטידים ולעלייה בצמיחת הגבעולים ציון.

בהתבסס על 50 השנים האחרונות של נתוני מחקר פוטו-ביולוגיה של צמחים, נדון תפקידו של אור ירוק בהתפתחות הצמח, פריחה, פתיחת הסטומטית, צמיחת גזע, ביטוי גנים של כלורופלסט וויסות צמיחת צמחים. מאמינים שמערכת תפיסת האור הירוק נמצאת בהרמוניה עם החיישנים האדומים והכחולים. לווסת את הצמיחה וההתפתחות של צמחים. שימו לב שבסקירה זו, אור ירוק (500~600nm) מורחב כך שיכלול את החלק הצהוב של הספקטרום (580~600nm).

אור צהוב (580~600nm) מעכב את צמיחת החסה. התוצאות של תכולת כלורופיל ומשקל יבש עבור יחסים שונים של אור אדום, אדום רחוק, כחול, אולטרה סגול וצהוב בהתאמה מצביעות על כך שרק אור צהוב (580 ~ 600 ננומטר) יכול להסביר את ההבדל בהשפעות הצמיחה בין מנורת נתרן בלחץ גבוה למתכת הליד. מנורה. כלומר, אור צהוב מעכב את הצמיחה. כמו כן, אור צהוב (שיא ב-595 ננומטר) עיכב את צמיחת המלפפון בצורה חזקה יותר מאשר אור ירוק (שיא ב-520 ננומטר).

כמה מסקנות לגבי ההשפעות הסותרות של אור צהוב/ירוק עשויות לנבוע מטווח לא עקבי של אורכי גל של אור בשימוש במחקרים אלה. יתרה מכך, מכיוון שכמה חוקרים מסווגים אור מ-500 עד 600 ננומטר כאור ירוק, יש מעט ספרות על השפעות האור הצהוב (580-600 ננומטר) על צמיחה והתפתחות צמחים.

קרינה אולטרה סגולה מפחיתה את שטח עלי הצמח, מעכבת התארכות היפוקוטילים, מפחיתה את הפוטוסינתזה והפרודוקטיביות, והופכת את הצמחים לרגישים להתקפת פתוגנים, אך יכולה לגרום לסינתזה של פלבנואידים ומנגנוני הגנה. UV-B יכול להפחית את התוכן של חומצה אסקורבית ו-β-קרוטן, אך יכול לקדם ביעילות סינתזת אנתוציאנין. קרינת UV-B גורמת לפנוטיפ של צמח ננסי, עלים קטנים ועבים, פטוטרת קצרה, ענפים ביתיים מוגברים ושינויים ביחס שורש/כתר.

תוצאות החקירות על 16 זני אורז מ-7 אזורים שונים של סין, הודו, הפיליפינים, נפאל, תאילנד, וייטנאם וסרי לנקה בחממה הראו כי תוספת של UV-B הביאה לעלייה בביומסה הכוללת. זנים (שרק אחד מהם הגיע לרמה משמעותית, מסרי לנקה), 12 זנים (מתוכם 6 משמעותיים), ובעלי רגישות ל-UV-B הצטמצמו משמעותית בשטח העלים ובגודל התורן. ישנם 6 זנים בעלי תכולת כלורופיל מוגברת (2 מהם מגיעים לרמות משמעותיות); 5 זנים עם קצב פוטוסינתזה מופחת משמעותית של עלים, וזן אחד עם עלייה משמעותית (גם הביומסה הכוללת שלו משמעותית).

היחס בין UV-B/PAR הוא גורם חשוב לתגובת הצמח ל-UV-B. לדוגמה, UV-B ו-PAR יחד משפיעים על המורפולוגיה ותפוקת השמן של מנטה, הדורשת רמות גבוהות של אור טבעי לא מסונן.

יש לציין שמחקרי מעבדה של השפעות UV-B, למרות שימושיות בזיהוי גורמי שעתוק וגורמים מולקולריים ופיזיולוגיים אחרים, נובעים משימוש ברמות UV-B גבוהות יותר, ללא UV-A במקביל ולעתים קרובות PAR רקע נמוך, התוצאות בדרך כלל אינן מועברות באופן מכני אל הסביבה הטבעית. מחקרי שטח משתמשים בדרך כלל במנורות UV כדי להעלות או להשתמש במסננים כדי להפחית את רמות UV-B.