Cinci lumini monocromatice care afectează creșterea plantelor

Lumina este factorul de mediu de bază pentru creșterea și dezvoltarea plantelor. Nu este doar sursa de bază de energie pentru fotosinteză, ci și un regulator important al creșterii și dezvoltării plantelor. Creșterea și dezvoltarea plantelor nu sunt limitate doar de cantitatea de lumină sau de intensitatea luminii (densitatea fluxului fotonic, densitatea fluxului fotonic, PFD), ci și de calitatea luminii, adică diferitele lungimi de undă ale luminii și radiației și diferitele rapoarte de compoziție ale acestora.

Spectrul solar poate fi împărțit aproximativ în radiații ultraviolete (ultraviolete, UV

Plantele pot detecta schimbări subtile în calitatea luminii, intensitatea luminii, lungimea luminii și direcția în mediul de creștere și pot iniția schimbările fiziologice și morfologice necesare pentru a supraviețui în acest mediu. Lumina albastră, lumina roșie și lumina roșie îndepărtată joacă un rol cheie în controlul fotomorfogenezei plantelor. Fotoreceptorii (fitocrom, Phy), criptocromul (Cry) și fotoreceptorii (fototropina, Phot) primesc semnale luminoase și induc creșterea și dezvoltarea plantelor prin transducția semnalului.

Lumina monocromatică, așa cum este utilizată aici, se referă la lumină într-un interval specific de lungimi de undă. Gama de lungimi de undă ale aceleiași lumini monocromatice utilizate în diferite experimente nu este complet consecventă, iar alte lumini monocromatice care sunt similare ca lungime de undă se suprapun adesea în grade diferite, mai ales înainte de apariția unei surse de lumină LED monocromatice. În acest fel, în mod firesc, vor exista rezultate diferite și chiar contradictorii.

Lumina roșie (R) inhibă alungirea internodurilor, promovează ramificarea laterală și tălerea, întârzie diferențierea florilor și crește antocianinele, clorofila și carotenoizii. Lumina roșie poate provoca mișcare pozitivă a luminii în rădăcinile Arabidopsis. Lumina roșie are un efect pozitiv asupra rezistenței plantelor la stresul biotic și abiotic.

Lumina roșie îndepărtată (FR) poate contracara efectul luminii roșii în multe cazuri. Un raport R/FR scăzut are ca rezultat o scădere a capacității fotosintetice a fasolei. În camera de creștere, lampa fluorescentă albă este folosită ca sursă principală de lumină, iar radiația roșie îndepărtată (vârful de emisie de 734 nm) este completată cu LED-uri pentru a reduce conținutul de antociani, carotenoizi și clorofilă și greutatea proaspătă, se fac greutatea uscată, lungimea tulpinii, lungimea frunzei și frunza. Lățimea este mărită. Efectul FR suplimentar asupra creșterii se poate datora unei creșteri a absorbției luminii datorită suprafeței crescute a frunzelor. Arabidopsis thaliana cultivat în condiții R/FR scăzute au fost mai mari și mai groase decât cele cultivate în R/FR ridicat, cu biomasă mare și adaptabilitate puternică la frig. Diferite rapoarte de R/FR pot modifica, de asemenea, toleranța la sare a plantelor.

În general, creșterea fracției de lumină albastră în lumină albă poate scurta internoduri, reduce suprafața frunzelor, reduce ratele relative de creștere și crește raportul azot/carbon (N/C).

Sinteza ridicată de clorofilă din plante și formarea de cloroplaste, precum și cloroplastele cu raport ridicat de clorofilă a/b și niveluri scăzute de carotenoide necesită lumină albastră. Sub lumina roșie, rata fotosintetică a celulelor de alge a scăzut treptat, iar rata fotosintetică s-a recuperat rapid după ce a trecut la lumină albastră sau a adăugat niște lumină albastră sub lumină roșie continuă. Când celulele de tutun cu creștere întunecată au fost transferate la lumină albastră continuă timp de 3 zile, cantitatea totală și conținutul de clorofilă de rubuloză-1,5-bifosfat carboxilază/oxigenază (Rubisco) au crescut brusc. În concordanță cu aceasta, greutatea uscată a celulelor în volumul soluției de cultură unitară crește, de asemenea, brusc, în timp ce crește foarte lent sub lumină roșie continuă.

Evident, pentru fotosinteza și creșterea plantelor, doar lumina roșie nu este suficientă. Grâul își poate finaliza ciclul de viață sub o singură sursă de LED-uri roșii, dar pentru a obține plante înalte și un număr mare de semințe, trebuie adăugată o cantitate adecvată de lumină albastră (Tabelul 1). Randamentul de salată verde, spanac și ridichi cultivate sub o singură lumină roșie a fost mai mic decât cel al plantelor cultivate sub combinația de roșu și albastru, în timp ce randamentul de plante cultivate sub combinația de roșu și albastru cu lumină albastră adecvată a fost comparabil cu cea a plantelor crescute sub lămpi fluorescente albe reci. În mod similar, Arabidopsis thaliana poate produce semințe sub o singură lumină roșie, dar crește sub combinația de lumină roșie și albastră pe măsură ce proporția de lumină albastră scade (10% până la 1%) în comparație cu plantele crescute sub lămpi fluorescente albe reci. Înfirirea plantelor, înflorirea și rezultatele au fost întârziate. Cu toate acestea, randamentul de semințe al plantelor crescute sub o combinație de lumină roșie și albastră care conține 10% lumină albastră a fost doar jumătate din cel al plantelor crescute sub lămpi fluorescente albe reci. Lumina albastră excesivă inhibă creșterea plantelor, scurtarea internodurilor, ramificarea redusă, suprafața redusă a frunzelor și greutatea totală uscată redusă. Plantele au diferențe semnificative de specii în ceea ce privește nevoia de lumină albastră.

Trebuie remarcat faptul că, deși unele studii care utilizează diferite tipuri de surse de lumină au arătat că diferențele în morfologia și creșterea plantelor sunt legate de diferențele în proporția de lumină albastră în spectru, concluziile sunt încă problematice, deoarece compoziția non-albastre. lumina emisă de diferitele tipuri de lămpi utilizate este diferită. De exemplu, deși greutatea uscată a plantelor de soia și sorg cultivate sub aceeași lampă fluorescentă și rata fotosintetică netă pe unitatea de suprafață a frunzei sunt semnificativ mai mari decât cele cultivate sub lămpi de sodiu de joasă presiune, aceste rezultate nu pot fi atribuite complet luminii albastre sub lămpi cu sodiu de joasă presiune. Lipsa, mă tem că are legătură și cu lumina galbenă și verde de sub lampa cu sodiu de joasă presiune și lumina roșie portocalie.

Greutatea uscată a răsadurilor de roșii cultivate sub lumină albă (conținând lumină roșie, albastră și verde) a fost semnificativ mai mică decât cea a răsadurilor cultivate sub lumină roșie și albastră. Detectarea spectrală a inhibării creșterii în cultura de țesut a indicat că cea mai dăunătoare calitate a luminii a fost lumina verde cu un vârf la 550 nm. Înălțimea plantei, greutatea proaspătă și uscată a gălbenelelor cultivate sub lumina luminii verzi a crescut cu 30% până la 50% în comparație cu plantele crescute în lumina cu spectru complet. Lumina verde plină de lumină cu spectru complet face ca plantele să fie scurte și uscate, iar greutatea proaspătă este redusă. Îndepărtarea luminii verzi întărește înflorirea gălbenelei, în timp ce suplimentarea luminii verzi inhibă înflorirea Dianthus și salată verde.

Cu toate acestea, există și rapoarte despre undă verde care promovează creșterea. Kim şi colab. a concluzionat că lumina verde combinată roșu-albastru (LED-uri) suplimentată de lumină verde duce la concluzia că creșterea plantelor este inhibată atunci când lumina verde depășește 50%, în timp ce creșterea plantelor este îmbunătățită atunci când raportul de lumină verde este mai mic de 24%. Deși greutatea uscată a părții superioare a salatei este mărită de lumina verde adăugată de lumina verde fluorescentă pe fundalul luminos combinat roșu și albastru furnizat de LED, concluzia că adăugarea de lumină verde sporește creșterea și produce mai mult biomasa decât lumina albă rece este problematică: (1) Greutatea uscată a biomasei pe care o observă este doar greutatea uscată a părții supraterane. Dacă este inclusă greutatea uscată a sistemului radicular subteran, rezultatul poate fi diferit; (2) partea superioară a salatei cultivate sub luminile roșii, albastre și verzi. Plantele care cresc semnificativ sub lămpi fluorescente albe reci au probabilitatea de a avea lumina verde (24%) conținută în lampa cu trei culori mult mai puțin decât rezultatul al lămpii fluorescente alb rece (51%), adică efectul de suprimare a luminii verzi al lămpii fluorescente alb rece este mai mare decât cele trei culori. Rezultatele lămpii; (3) Rata de fotosinteză a plantelor crescute sub combinația de lumină roșie și albastră este semnificativ mai mare decât cea a plantelor crescute sub lumină verde, susținând speculația anterioară.

Cu toate acestea, tratarea semințelor cu un laser verde poate face ridichi și morcovi de două ori mai mari decât controlul. Un puls verde slab poate accelera alungirea răsadurilor care cresc în întuneric, adică poate promova alungirea tulpinii. Tratamentul răsadurilor de Arabidopsis thaliana cu un singur impuls de lumină verde (525 nm ± 16 nm) (11,1 μmol·m-2·s-1, 9 s) de la o sursă LED a dus la o scădere a transcriptelor plastidelor și o creștere a creșterii tulpinii rată.

Pe baza datelor din ultimii 50 de ani de cercetare în domeniul fotobiologiei plantelor, a fost discutat rolul luminii verzi în dezvoltarea plantelor, înflorirea, deschiderea stomatică, creșterea tulpinii, expresia genei cloroplastelor și reglarea creșterii plantelor. Se crede că sistemul de percepție a luminii verzi este în armonie cu senzorii roșu și albastru. Reglați creșterea și dezvoltarea plantelor. Rețineți că în această revizuire, lumina verde (500~600nm) este extinsă pentru a include porțiunea galbenă a spectrului (580~600nm).

Lumina galbenă (580~600nm) inhibă creșterea salatei. Rezultatele conținutului de clorofilă și ale greutății uscate pentru diferite rapoarte de lumină roșie, roșie îndepărtată, albastră, ultravioletă și, respectiv, galbenă indică faptul că numai lumina galbenă (580 ~ 600 nm) poate explica diferența dintre efectele de creștere dintre lampa de sodiu de înaltă presiune și halogenura metalică. lampă. Adică lumina galbenă inhibă creșterea. De asemenea, lumina galbenă (vârf la 595 nm) a inhibat creșterea castraveților mai puternic decât lumina verde (vârf la 520 nm).

Unele concluzii despre efectele conflictuale ale luminii galbene/verzi se pot datora gamei inconsecvente de lungimi de undă ale luminii utilizate în acele studii. Mai mult, deoarece unii cercetători clasifică lumina de la 500 la 600 nm drept lumină verde, există puțină literatură despre efectele luminii galbene (580-600 nm) asupra creșterii și dezvoltării plantelor.

Radiația ultravioletă reduce suprafața frunzelor plantei, inhibă alungirea hipocotilului, reduce fotosinteza și productivitatea și face plantele susceptibile la atacul patogenului, dar pot induce sinteza flavonoidelor și mecanismele de apărare. UV-B poate reduce conținutul de acid ascorbic și β-caroten, dar poate promova eficient sinteza de antociani. Radiația UV-B are ca rezultat un fenotip de plantă pitică, frunze mici și groase, pețiol scurt, ramuri axilare crescute și modificări ale raportului rădăcină/coroană.

Rezultatele investigațiilor pe 16 soiuri de orez din 7 regiuni diferite din China, India, Filipine, Nepal, Thailanda, Vietnam și Sri Lanka în seră au arătat că adăugarea de UV-B a dus la o creștere a biomasei totale. Cultivarele (dintre care doar unul a atins un nivel semnificativ, din Sri Lanka), 12 soiuri (dintre care 6 au fost semnificative) și cele cu sensibilitate la UV-B au fost reduse semnificativ în suprafața frunzelor și dimensiunea rotorului. Există 6 soiuri cu conținut crescut de clorofilă (dintre care 2 ating niveluri semnificative); 5 soiuri cu o rată de fotosinteză a frunzelor semnificativ redusă și 1 soi cu creștere semnificativ îmbunătățită (biomasa totală este de asemenea semnificativă).

Raportul UV-B/PAR este un determinant important al răspunsului plantei la UV-B. De exemplu, UV-B și PAR afectează împreună morfologia și randamentul în ulei al mentei, care necesită niveluri ridicate de lumină naturală nefiltrată.

Trebuie remarcat faptul că studiile de laborator ale efectelor UV-B, deși utile în identificarea factorilor de transcripție și a altor factori moleculari și fiziologici, se datorează utilizării unor niveluri mai ridicate de UV-B, fără UV-A concomitent și PAR de fundal adesea scăzut, rezultatele nu sunt de obicei extrapolate mecanic în mediul natural. Studiile de teren folosesc de obicei lămpi UV pentru a ridica sau folosesc filtre pentru a reduce nivelurile UV-B.