Năm đèn đơn sắc ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật

Ánh sáng là yếu tố môi trường cơ bản cho sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Nó không chỉ là nguồn năng lượng cơ bản cho quá trình quang hợp mà còn là yếu tố điều hòa quan trọng cho sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Sự sinh trưởng và phát triển của thực vật không chỉ bị hạn chế bởi lượng ánh sáng hoặc cường độ ánh sáng (mật độ thông lượng photon, mật độ thông lượng photon, PFD), mà còn bởi chất lượng ánh sáng, tức là các bước sóng ánh sáng và bức xạ khác nhau cũng như tỷ lệ thành phần khác nhau của chúng.

Quang phổ mặt trời có thể được chia đại khái thành bức xạ cực tím (tia cực tím, UV

Thực vật có thể phát hiện những thay đổi tinh tế về chất lượng ánh sáng, cường độ ánh sáng, độ dài ánh sáng và hướng trong môi trường đang phát triển, đồng thời bắt đầu những thay đổi sinh lý và hình thái cần thiết để tồn tại trong môi trường này. Ánh sáng xanh, ánh sáng đỏ và ánh sáng đỏ xa đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát quá trình phát quang của thực vật. Các tế bào cảm quang (phytochrome, Phy), cryptochrome (Cry) và các tế bào cảm quang (phototropin, Phot) nhận tín hiệu ánh sáng và kích thích sự sinh trưởng và phát triển của thực vật thông qua việc truyền tín hiệu.

Ánh sáng đơn sắc như được sử dụng ở đây dùng để chỉ ánh sáng ở một dải bước sóng cụ thể. Phạm vi bước sóng của cùng một ánh sáng đơn sắc được sử dụng trong các thí nghiệm khác nhau không hoàn toàn nhất quán và các ánh sáng đơn sắc khác có bước sóng tương tự thường chồng lên nhau ở các phạm vi khác nhau, đặc biệt là trước khi xuất hiện nguồn sáng LED đơn sắc. Bằng cách này tất nhiên sẽ có những kết quả khác nhau, thậm chí trái ngược nhau.

Ánh sáng đỏ (R) ức chế sự kéo dài của các lóng, thúc đẩy sự phân nhánh và đẻ nhánh bên, làm chậm quá trình phân hóa hoa và tăng anthocyanin, diệp lục và carotenoids. Ánh sáng đỏ có thể gây ra chuyển động ánh sáng tích cực ở rễ cây Arabidopsis. Ánh sáng đỏ có tác động tích cực đến khả năng chống chịu của thực vật đối với các stress sinh học và phi sinh học.

Ánh sáng đỏ xa (FR) có thể chống lại hiệu ứng ánh sáng đỏ trong nhiều trường hợp. Tỷ lệ R/FR thấp làm giảm khả năng quang hợp của đậu thận. Trong buồng tăng trưởng, đèn huỳnh quang màu trắng được sử dụng làm nguồn sáng chính và bức xạ đỏ xa (đỉnh phát xạ 734nm) được bổ sung đèn LED để giảm hàm lượng anthocyanin, carotenoid và diệp lục cũng như trọng lượng tươi. trọng lượng khô, chiều dài thân, chiều dài lá và lá được tạo ra. Chiều rộng được tăng lên. Ảnh hưởng của việc bổ sung FR đến sinh trưởng có thể là do tăng khả năng hấp thụ ánh sáng do diện tích lá tăng lên. Arabidopsis thaliana trồng trong điều kiện R/FR thấp lớn hơn và dày hơn so với cây trồng trong điều kiện R/FR cao, với sinh khối lớn và khả năng thích ứng lạnh mạnh. Các tỷ lệ R/FR khác nhau cũng có thể làm thay đổi khả năng chịu mặn của cây trồng.

Nói chung, việc tăng tỷ lệ ánh sáng xanh trong ánh sáng trắng có thể rút ngắn các lóng, giảm diện tích lá, giảm tốc độ tăng trưởng tương đối và tăng tỷ lệ nitơ/cacbon (N/C).

Sự tổng hợp diệp lục thực vật cao và hình thành lục lạp cũng như lục lạp có tỷ lệ a/b diệp lục cao và hàm lượng carotenoid thấp cần ánh sáng xanh. Dưới ánh sáng đỏ, tốc độ quang hợp của tế bào tảo giảm dần và tốc độ quang hợp nhanh chóng phục hồi sau khi chuyển sang ánh sáng xanh hoặc thêm một ít ánh sáng xanh dưới ánh sáng đỏ liên tục. Khi tế bào cây thuốc lá đang phát triển sẫm màu được chuyển sang ánh sáng xanh liên tục trong 3 ngày, tổng lượng và hàm lượng diệp lục rubulose-1, 5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) tăng mạnh. Phù hợp với điều này, trọng lượng khô của tế bào trong thể tích dung dịch nuôi cấy đơn vị cũng tăng mạnh, trong khi tăng rất chậm dưới ánh sáng đỏ liên tục.

Rõ ràng, để cây quang hợp và phát triển, chỉ có ánh sáng đỏ là không đủ. Lúa mì có thể hoàn thành vòng đời của nó dưới một nguồn đèn LED màu đỏ duy nhất, nhưng để có được cây cao và số lượng hạt lớn, phải bổ sung một lượng ánh sáng xanh thích hợp (Bảng 1). Năng suất của cây trồng trong điều kiện ánh sáng đỏ, rau bina và củ cải trồng dưới ánh sáng đỏ duy nhất thấp hơn so với cây trồng dưới sự kết hợp giữa đỏ và xanh, trong khi năng suất của cây trồng trong điều kiện kết hợp đỏ và xanh với ánh sáng xanh thích hợp tương đương với năng suất của cây trồng dưới ánh sáng đỏ và xanh lam thích hợp. của cây trồng dưới ánh đèn huỳnh quang màu trắng mát. Tương tự, Arabidopsis thaliana có thể tạo hạt dưới một ánh sáng đỏ duy nhất, nhưng nó phát triển dưới sự kết hợp của ánh sáng đỏ và xanh do tỷ lệ ánh sáng xanh giảm (10% đến 1%) so với cây trồng dưới ánh đèn huỳnh quang trắng mát. Cây bắt vít, ra hoa và kết quả bị trì hoãn. Tuy nhiên, năng suất hạt giống của cây trồng dưới sự kết hợp giữa ánh sáng đỏ và xanh lam chứa 10% ánh sáng xanh chỉ bằng một nửa so với cây trồng dưới ánh đèn huỳnh quang trắng lạnh. Ánh sáng xanh quá mức sẽ ức chế sự phát triển của cây, làm ngắn các lóng, giảm phân nhánh, giảm diện tích lá và giảm tổng trọng lượng khô. Thực vật có sự khác biệt đáng kể về loài về nhu cầu ánh sáng xanh.

Cần lưu ý rằng mặc dù một số nghiên cứu sử dụng các loại nguồn sáng khác nhau đã chỉ ra rằng sự khác biệt về hình thái và sự phát triển của thực vật có liên quan đến sự khác biệt về tỷ lệ ánh sáng xanh trong quang phổ, nhưng kết luận vẫn còn có vấn đề vì thành phần của ánh sáng không phải màu xanh lam. ánh sáng phát ra từ các loại đèn khác nhau được sử dụng là khác nhau. Ví dụ, mặc dù trọng lượng khô của cây đậu nành và lúa miến trồng dưới cùng một ánh sáng huỳnh quang và tốc độ quang hợp thực trên một đơn vị diện tích lá cao hơn đáng kể so với cây trồng dưới đèn natri áp suất thấp, nhưng những kết quả này không thể hoàn toàn là do ánh sáng xanh trong điều kiện ánh sáng xanh. đèn natri áp suất thấp. Thiếu, tôi e rằng nó cũng liên quan đến đèn xanh vàng dưới đèn natri áp suất thấp và đèn đỏ cam.

Trọng lượng khô của cây cà chua trồng dưới ánh sáng trắng (chứa ánh sáng đỏ, xanh lam và xanh lục) thấp hơn đáng kể so với cây giống trồng dưới ánh sáng đỏ và xanh lam. Phát hiện quang phổ về sự ức chế tăng trưởng trong nuôi cấy mô cho thấy chất lượng ánh sáng có hại nhất là ánh sáng xanh có cực đại ở bước sóng 550 nm. Chiều cao cây, trọng lượng tươi và khô của cúc vạn thọ trồng dưới ánh sáng xanh tăng từ 30% đến 50% so với cây trồng dưới ánh sáng toàn phổ. Ánh sáng xanh tràn ngập toàn phổ khiến cây lùn và khô, trọng lượng tươi giảm. Loại bỏ ánh sáng xanh sẽ tăng cường sự ra hoa của cúc vạn thọ, đồng thời bổ sung ánh sáng xanh sẽ ức chế sự ra hoa của Dianthus và rau diếp.

Tuy nhiên, cũng có báo cáo về việc bật đèn xanh thúc đẩy tăng trưởng. Kim và cộng sự. kết luận rằng ánh sáng xanh bổ sung ánh sáng xanh đỏ (LED) dẫn đến kết luận rằng sự tăng trưởng của thực vật bị ức chế khi ánh sáng xanh vượt quá 50%, trong khi sự tăng trưởng của thực vật được tăng cường khi tỷ lệ ánh sáng xanh nhỏ hơn 24%. Mặc dù trọng lượng khô của phần trên của rau diếp được tăng lên nhờ ánh sáng xanh được bổ sung bởi đèn huỳnh quang màu xanh lá cây trên nền ánh sáng kết hợp màu đỏ và xanh lam do đèn LED cung cấp, nhưng kết luận rằng việc bổ sung ánh sáng xanh sẽ giúp tăng cường sự phát triển và tạo ra nhiều năng lượng hơn. sinh khối hơn ánh sáng trắng mát là vấn đề: (1) Trọng lượng khô của sinh khối mà họ quan sát được chỉ là trọng lượng khô của phần trên mặt đất. Nếu bao gồm cả trọng lượng khô của hệ thống rễ dưới lòng đất thì kết quả có thể khác; (2) phần trên của rau diếp được trồng dưới ánh đèn đỏ, xanh lam và xanh lục. Những cây phát triển đáng kể dưới ánh đèn huỳnh quang trắng lạnh có khả năng có ánh sáng xanh (24%) chứa trong đèn ba màu ít hơn nhiều so với kết quả của đèn huỳnh quang trắng mát (51%), tức là hiệu ứng triệt tiêu ánh sáng xanh của đèn huỳnh quang trắng mát lớn hơn ba màu. Kết quả của đèn; (3) Tốc độ quang hợp của cây trồng dưới sự kết hợp của ánh sáng đỏ và xanh cao hơn đáng kể so với cây trồng dưới ánh sáng xanh, củng cố cho suy đoán trước đó.

Tuy nhiên, xử lý hạt giống bằng tia laser xanh có thể làm cho củ cải và cà rốt lớn gấp đôi so với đối chứng. Xung màu xanh lục mờ có thể đẩy nhanh quá trình kéo dài của cây con mọc trong bóng tối, tức là thúc đẩy quá trình kéo dài của thân. Xử lý cây giống Arabidopsis thaliana bằng xung ánh sáng xanh đơn (525 nm ± 16 nm) (11,1 μmol·m-2·s-1, 9 giây) từ nguồn LED dẫn đến giảm số lượng bản sao plastid và tăng sự phát triển của thân cây tỷ lệ.

Dựa trên dữ liệu nghiên cứu quang sinh học thực vật trong 50 năm qua, vai trò của ánh sáng xanh trong sự phát triển của thực vật, ra hoa, mở khí khổng, phát triển thân, biểu hiện gen lục lạp và điều hòa sinh trưởng thực vật đã được thảo luận. Người ta tin rằng hệ thống nhận biết ánh sáng xanh hài hòa với các cảm biến màu đỏ và xanh lam. Điều hòa sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Lưu ý rằng trong bài đánh giá này, ánh sáng xanh lục (500~600nm) được mở rộng để bao gồm phần màu vàng của quang phổ (580~600nm).

Ánh sáng vàng (580~600nm) ức chế sự phát triển của rau diếp. Kết quả hàm lượng chất diệp lục và trọng lượng khô đối với các tỷ lệ khác nhau của ánh sáng đỏ, đỏ xa, xanh lam, cực tím và vàng tương ứng cho thấy chỉ có ánh sáng vàng (580 ~ 600nm) mới có thể giải thích sự khác biệt về hiệu ứng tăng trưởng giữa đèn natri cao áp và halogen kim loại đèn. Tức là ánh sáng vàng ức chế sự phát triển. Ngoài ra, ánh sáng vàng (cực đại ở bước sóng 595 nm) ức chế sự phát triển của dưa chuột mạnh hơn ánh sáng xanh (cực đại ở bước sóng 520 nm).

Một số kết luận về tác động trái ngược nhau của ánh sáng vàng/xanh lục có thể là do phạm vi bước sóng ánh sáng không nhất quán được sử dụng trong các nghiên cứu đó. Hơn nữa, do một số nhà nghiên cứu phân loại ánh sáng từ 500 đến 600 nm là ánh sáng xanh nên có rất ít tài liệu về tác động của ánh sáng vàng (580-600 nm) đối với sự sinh trưởng và phát triển của thực vật.

Bức xạ tia cực tím làm giảm diện tích lá cây, ức chế sự kéo dài của trụ dưới lá mầm, làm giảm quá trình quang hợp và năng suất, khiến cây dễ bị mầm bệnh tấn công, nhưng có thể tạo ra cơ chế bảo vệ và tổng hợp flavonoid. UV-B có thể làm giảm hàm lượng axit ascorbic và β-carotene, nhưng có thể thúc đẩy quá trình tổng hợp anthocyanin một cách hiệu quả. Bức xạ UV-B dẫn đến kiểu hình cây lùn, lá nhỏ, dày, cuống lá ngắn, số nhánh nách tăng lên và tỷ lệ rễ/thân thay đổi.

Kết quả điều tra trên 16 giống lúa từ 7 vùng khác nhau của Trung Quốc, Ấn Độ, Philippines, Nepal, Thái Lan, Việt Nam và Sri Lanka trong nhà kính cho thấy việc bổ sung UV-B dẫn đến tăng tổng sinh khối. Các giống cây trồng (chỉ một trong số đó đạt mức đáng kể, từ Sri Lanka), 12 giống (trong đó có 6 giống có ý nghĩa) và những giống có độ nhạy UV-B đã giảm đáng kể về diện tích lá và kích thước nhánh. Có 6 giống có hàm lượng diệp lục tăng (2 trong số đó đạt hàm lượng đáng kể); 5 giống có tốc độ quang hợp của lá giảm đáng kể và 1 giống được cải thiện đáng kể (tổng sinh khối của nó cũng tăng đáng kể).

Tỷ lệ UV-B/PAR là yếu tố quan trọng quyết định phản ứng của thực vật với UV-B. Ví dụ, UV-B và PAR cùng ảnh hưởng đến hình thái và sản lượng dầu của bạc hà, vốn đòi hỏi mức độ ánh sáng tự nhiên không được lọc cao.

Cần lưu ý rằng các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về tác động của UV-B, mặc dù hữu ích trong việc xác định các yếu tố phiên mã cũng như các yếu tố phân tử và sinh lý khác, là do sử dụng mức UV-B cao hơn, không có tia UV-A đồng thời và PAR nền thường thấp, kết quả thường không được ngoại suy một cách máy móc vào môi trường tự nhiên. Các nghiên cứu thực địa thường sử dụng đèn UV để nâng cao hoặc sử dụng các bộ lọc để giảm mức UV-B.