خمسة أضواء أحادية اللون تؤثر على نمو النبات

الضوء هو العامل البيئي الأساسي لنمو النبات وتطوره. إنه ليس مصدر الطاقة الأساسي لعملية التمثيل الضوئي فحسب، بل إنه أيضًا منظم مهم لنمو النبات وتطوره. نمو النبات وتطوره لا يقتصر فقط على كمية الضوء أو شدة الضوء (كثافة تدفق الفوتون، كثافة تدفق الفوتون، PFD)، ولكن أيضًا على جودة الضوء، أي أطوال موجية مختلفة من الضوء والإشعاع ونسب تكوينها المختلفة.

يمكن تقسيم الطيف الشمسي تقريبًا إلى الأشعة فوق البنفسجية (الأشعة فوق البنفسجية، UV

يمكن للنباتات اكتشاف التغيرات الطفيفة في جودة الضوء، وشدته، وطول الضوء، واتجاهه في بيئة النمو، وبدء التغييرات الفسيولوجية والمورفولوجية اللازمة للبقاء على قيد الحياة في هذه البيئة. يلعب الضوء الأزرق والضوء الأحمر والضوء الأحمر البعيد دورًا رئيسيًا في التحكم في التشكل الضوئي للنباتات. المستقبلات الضوئية (phytochrome، Phy)، cryptochrome (Cry)، والمستقبلات الضوئية (phototropin، Phot) تتلقى إشارات ضوئية وتحفز نمو وتطور النباتات من خلال نقل الإشارة.

يشير الضوء أحادي اللون كما هو مستخدم هنا إلى الضوء الموجود في نطاق طول موجي محدد. نطاق الأطوال الموجية لنفس الضوء أحادي اللون المستخدم في تجارب مختلفة ليس متسقًا تمامًا، وغالبًا ما تتداخل الأضواء أحادية اللون الأخرى المتشابهة في الطول الموجي بنطاقات مختلفة، خاصة قبل ظهور مصدر ضوء LED أحادي اللون. وبهذه الطريقة، بطبيعة الحال، ستكون هناك نتائج مختلفة وحتى متناقضة.

يمنع الضوء الأحمر (R) استطالة العقد الداخلية، ويعزز التفرع الجانبي والحراثة، ويؤخر تمايز الزهور، ويزيد من الأنثوسيانين والكلوروفيل والكاروتينات. يمكن أن يسبب الضوء الأحمر حركة ضوئية إيجابية في جذور نبات الأرابيدوبسيس. للضوء الأحمر تأثير إيجابي على مقاومة النبات للضغوط الحيوية وغير الحيوية.

يمكن للضوء الأحمر البعيد (FR) أن يبطل تأثير الضوء الأحمر في كثير من الحالات. يؤدي انخفاض نسبة R/FR إلى انخفاض قدرة التمثيل الضوئي للفاصوليا. في غرفة النمو، يتم استخدام مصباح الفلورسنت الأبيض كمصدر رئيسي للضوء، ويتم استكمال الإشعاع الأحمر البعيد (ذروة الانبعاث البالغة 734 نانومتر) بمصابيح LED لتقليل محتوى الأنثوسيانين والكاروتينويد والكلوروفيل والوزن الطازج، يتم تصنيع الوزن الجاف وطول الساق وطول الورقة والورقة. يتم زيادة العرض. قد يكون تأثير FR التكميلي على النمو بسبب زيادة امتصاص الضوء بسبب زيادة مساحة الورقة. كان نبات الأرابيدوبسيس ثاليانا المزروع تحت ظروف R/FR منخفضة أكبر وأكثر سمكًا من تلك المزروعة تحت ظروف R/FR عالية، مع كتلة حيوية كبيرة وقدرة قوية على التكيف مع البرد. يمكن أن تؤدي النسب المختلفة لـ R/FR أيضًا إلى تغيير قدرة النباتات على تحمل الملح.

بشكل عام، زيادة جزء الضوء الأزرق في الضوء الأبيض يمكن أن يؤدي إلى تقصير العقد الداخلية، وتقليل مساحة الورقة، وتقليل معدلات النمو النسبي، وزيادة نسب النيتروجين/الكربون (N/C).

يتطلب تخليق الكلوروفيل النباتي العالي وتكوين البلاستيدات الخضراء وكذلك البلاستيدات الخضراء ذات نسبة الكلوروفيل العالية أ / ب ومستويات الكاروتينات المنخفضة ضوءًا أزرق. تحت الضوء الأحمر، انخفض معدل التمثيل الضوئي لخلايا الطحالب تدريجيًا، وتعافى معدل التمثيل الضوئي بسرعة بعد الانتقال إلى الضوء الأزرق أو إضافة بعض الضوء الأزرق تحت الضوء الأحمر المستمر. عندما تم نقل خلايا التبغ ذات النمو الداكن إلى الضوء الأزرق المستمر لمدة 3 أيام، زادت الكمية الإجمالية ومحتوى الكلوروفيل من الروبولوز -1 و5-بيسفوسفات كربوكسيلاز / أوكسيجيناز (روبيسكو) بشكل حاد. وتمشيا مع هذا، فإن الوزن الجاف للخلايا في حجم محلول ثقافة الوحدة يزيد أيضا بشكل حاد، في حين أنه يزيد ببطء شديد تحت الضوء الأحمر المستمر.

من الواضح أن الضوء الأحمر فقط لا يكفي لعملية التمثيل الضوئي ونمو النباتات. يمكن للقمح أن يكمل دورة حياته تحت مصدر LED أحمر واحد، ولكن للحصول على نباتات طويلة وأعداد كبيرة من البذور، يجب إضافة كمية مناسبة من الضوء الأزرق (الجدول 1). كان إنتاج الخس والسبانخ والفجل المزروع تحت ضوء أحمر واحد أقل من إنتاج النباتات المزروعة تحت مزيج من اللونين الأحمر والأزرق، في حين كان إنتاج النباتات المزروعة تحت مزيج من اللونين الأحمر والأزرق مع الضوء الأزرق المناسب مشابهًا لـ تلك النباتات التي تنمو تحت مصابيح الفلورسنت البيضاء الباردة. وبالمثل، يمكن لنبات الأرابيدوبسيس ثاليانا إنتاج بذور تحت ضوء أحمر واحد، لكنه ينمو تحت مزيج من الضوء الأحمر والأزرق حيث تنخفض نسبة الضوء الأزرق (10٪ إلى 1٪) مقارنة بالنباتات المزروعة تحت مصابيح الفلورسنت البيضاء الباردة. تأخر انشقاق النبات والإزهار والنتائج. ومع ذلك، فإن إنتاج بذور النباتات المزروعة تحت مزيج من الضوء الأحمر والأزرق الذي يحتوي على 10٪ من الضوء الأزرق كان فقط نصف إنتاج النباتات المزروعة تحت مصابيح الفلورسنت البيضاء الباردة. يمنع الضوء الأزرق المفرط نمو النبات، ويقصر العقد الداخلية، ويقلل التفرع، ويقلل مساحة الورقة، ويقلل الوزن الجاف الإجمالي. لدى النباتات اختلافات كبيرة في الأنواع في الحاجة إلى الضوء الأزرق.

تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن بعض الدراسات التي تستخدم أنواعًا مختلفة من مصادر الضوء أظهرت أن الاختلافات في شكل النبات ونموه ترتبط بالاختلافات في نسبة الضوء الأزرق في الطيف، إلا أن الاستنتاجات لا تزال إشكالية لأن تركيبة الضوء الأزرق غير الأزرق يختلف الضوء المنبعث من الأنواع المختلفة للمصابيح المستخدمة. على سبيل المثال، على الرغم من أن الوزن الجاف لنباتات فول الصويا والذرة الرفيعة المزروعة تحت نفس مصباح الفلورسنت الضوئي ومعدل التمثيل الضوئي الصافي لكل وحدة مساحة ورقة أعلى بكثير من تلك المزروعة تحت مصابيح الصوديوم منخفضة الضغط، إلا أنه لا يمكن أن تعزى هذه النتائج بشكل كامل إلى الضوء الأزرق تحت مصابيح الصوديوم ذات الضغط المنخفض. وأخشى أن يكون النقص مرتبطًا أيضًا بالضوء الأصفر والأخضر تحت مصباح الصوديوم منخفض الضغط والضوء الأحمر البرتقالي.

كان الوزن الجاف لشتلات الطماطم المزروعة تحت الضوء الأبيض (التي تحتوي على الضوء الأحمر والأزرق والأخضر) أقل بكثير من الشتلات المزروعة تحت الضوء الأحمر والأزرق. أشار الكشف الطيفي لتثبيط النمو في زراعة الأنسجة إلى أن جودة الضوء الأكثر ضررًا كانت الضوء الأخضر الذي يبلغ ذروته عند 550 نانومتر. ارتفع ارتفاع النبات والوزن الطازج والجاف للنباتات المزروعة تحت ضوء الضوء الأخضر بنسبة 30% إلى 50% مقارنة بالنباتات المزروعة تحت ضوء الطيف الكامل. يتسبب الضوء الأخضر المليء بالضوء كامل الطيف في أن تكون النباتات قصيرة وجافة، ويقلل الوزن الطازج. تؤدي إزالة الضوء الأخضر إلى تقوية ازدهار نبات القطيفة، في حين أن إضافة الضوء الأخضر يمنع ازدهار نبات الديانثوس والخس.

ومع ذلك، هناك أيضًا تقارير عن الضوء الأخضر لتعزيز النمو. كيم وآخرون. وخلص إلى أن الضوء الأحمر والأزرق المشترك (LEDs) المكمل للضوء الأخضر يؤدي إلى استنتاج مفاده أن نمو النبات يثبط عندما يتجاوز الضوء الأخضر 50٪، في حين يتم تعزيز نمو النبات عندما تكون نسبة الضوء الأخضر أقل من 24٪. على الرغم من أن الوزن الجاف للجزء العلوي من الخس يزداد بسبب الضوء الأخضر المضاف بواسطة ضوء الفلورسنت الأخضر على خلفية الضوء الأحمر والأزرق مجتمعة التي يوفرها LED، إلا أن الاستنتاج هو أن إضافة الضوء الأخضر يعزز النمو وينتج المزيد الكتلة الحيوية من الضوء الأبيض البارد يمثل مشكلة: (1) الوزن الجاف للكتلة الحيوية الذي لاحظوه هو فقط الوزن الجاف للجزء الموجود فوق سطح الأرض. إذا تم تضمين الوزن الجاف لنظام الجذر تحت الأرض، فقد تكون النتيجة مختلفة؛ (2) الجزء العلوي من الخس المزروع تحت الأضواء الحمراء والزرقاء والخضراء النباتات التي تنمو بشكل ملحوظ تحت مصابيح الفلورسنت البيضاء الباردة من المرجح أن يكون الضوء الأخضر (24%) الموجود في المصباح ثلاثي الألوان أقل بكثير من النتيجة لمصباح الفلورسنت الأبيض البارد (51%)، أي أن تأثير قمع الضوء الأخضر لمصباح الفلورسنت الأبيض البارد أكبر من الألوان الثلاثة. نتائج المصباح؛ (3) معدل التمثيل الضوئي للنباتات المزروعة تحت مزيج من الضوء الأحمر والأزرق أعلى بكثير من النباتات المزروعة تحت الضوء الأخضر، مما يدعم التخمينات السابقة.

ومع ذلك، فإن معالجة البذور بالليزر الأخضر يمكن أن تجعل الفجل والجزر أكبر بمرتين من المجموعة الضابطة. يمكن للنبض الأخضر الخافت أن يسرع من استطالة الشتلات التي تنمو في الظلام، أي أن يعزز استطالة الساق. أدى علاج شتلات Arabidopsis thaliana بنبض أخضر واحد (525 نانومتر ± 16 نانومتر) (11.1 ميكروليتر · م -2 · ثانية -1، 9 ثانية) من مصدر LED إلى انخفاض في النصوص البلاستيدية وزيادة في نمو الساق معدل.

واستنادًا إلى بيانات أبحاث علم الأحياء الضوئية للنبات على مدار الخمسين عامًا الماضية، تمت مناقشة دور الضوء الأخضر في تطور النبات، والإزهار، وفتح الثغور، ونمو الجذع، والتعبير الجيني للبلاستيدات الخضراء، وتنظيم نمو النبات. ويعتقد أن نظام إدراك الضوء الأخضر يتناغم مع أجهزة الاستشعار الحمراء والزرقاء. تنظيم نمو وتطور النباتات. لاحظ أنه في هذه المراجعة، تم تمديد الضوء الأخضر (500 ~ 600 نانومتر) ليشمل الجزء الأصفر من الطيف (580 ~ 600 نانومتر).

الضوء الأصفر (580 ~ 600 نانومتر) يمنع نمو الخس. تشير نتائج محتوى الكلوروفيل والوزن الجاف لنسب مختلفة من الضوء الأحمر والأحمر البعيد والأزرق والأشعة فوق البنفسجية والأصفر على التوالي إلى أن الضوء الأصفر فقط (580 ~ 600 نانومتر) يمكنه تفسير الفرق في تأثيرات النمو بين مصباح الصوديوم عالي الضغط وهاليد المعدن خروف. أي أن الضوء الأصفر يمنع النمو. أيضًا، أدى الضوء الأصفر (الذروة عند 595 نانومتر) إلى تثبيط نمو الخيار بقوة أكبر من الضوء الأخضر (الذروة عند 520 نانومتر).

قد تكون بعض الاستنتاجات حول التأثيرات المتضاربة للضوء الأصفر/الأخضر ناتجة عن النطاق غير المتناسق للأطوال الموجية للضوء المستخدمة في تلك الدراسات. علاوة على ذلك، نظرًا لأن بعض الباحثين يصنفون الضوء من 500 إلى 600 نانومتر على أنه ضوء أخضر، فهناك القليل من الأدبيات حول تأثيرات الضوء الأصفر (580-600 نانومتر) على نمو النبات وتطوره.

تقلل الأشعة فوق البنفسجية من مساحة أوراق النبات، وتمنع استطالة الفلافونويد، وتقلل من التمثيل الضوئي والإنتاجية، وتجعل النباتات عرضة لهجوم مسببات الأمراض، ولكنها يمكن أن تحفز تخليق الفلافونويد وآليات الدفاع. يمكن للأشعة فوق البنفسجية - باء أن تقلل من محتوى حمض الأسكوربيك وبيتا كاروتين، ولكنها يمكن أن تعزز بشكل فعال تخليق الأنثوسيانين. ينتج عن الأشعة فوق البنفسجية – باء النمط الظاهري للنبات القزم، والأوراق الصغيرة السميكة، والسويقات القصيرة، وزيادة الفروع الإبطية، وتغييرات في نسبة الجذر/التاج.

وأظهرت نتائج التحقيقات التي أجريت على 16 صنفاً من الأرز من 7 مناطق مختلفة من الصين والهند والفلبين ونيبال وتايلاند وفيتنام وسريلانكا في الدفيئة أن إضافة الأشعة فوق البنفسجية - باء أدت إلى زيادة في الكتلة الحيوية الإجمالية. الأصناف (واحدة منها فقط وصلت إلى مستوى مهم، من سري لانكا)، و12 صنفًا (منها 6 أصناف كانت مهمة)، وتلك التي لديها حساسية للأشعة فوق البنفسجية - باء انخفضت بشكل ملحوظ في مساحة الورقة وحجم المحراث. هناك 6 أصناف تحتوي على نسبة عالية من الكلوروفيل (2 منها يصل إلى مستويات كبيرة)؛ 5 أصناف مع انخفاض كبير في معدل التمثيل الضوئي للأوراق، وصنف واحد مع زيادة كبيرة (إجمالي كتلته الحيوية كبيرة أيضًا).

تعد نسبة الأشعة فوق البنفسجية – باء/PAR أحد المحددات المهمة لاستجابة النبات للأشعة فوق البنفسجية – باء. على سبيل المثال، تؤثر الأشعة فوق البنفسجية (UV-B) وPAR معًا على الشكل وإنتاجية زيت النعناع، ​​الأمر الذي يتطلب مستويات عالية من الضوء الطبيعي غير المفلتر.

تجدر الإشارة إلى أن الدراسات المختبرية لتأثيرات الأشعة فوق البنفسجية – باء، على الرغم من كونها مفيدة في تحديد عوامل النسخ والعوامل الجزيئية والفسيولوجية الأخرى، إلا أنها ترجع إلى استخدام مستويات أعلى من الأشعة فوق البنفسجية – باء، وعدم وجود الأشعة فوق البنفسجية – أ المصاحبة وغالبًا ما تكون خلفية PAR منخفضة، و عادة لا يتم استقراء النتائج ميكانيكيًا في البيئة الطبيعية. تستخدم الدراسات الميدانية عادة مصابيح الأشعة فوق البنفسجية لرفع أو استخدام المرشحات لتقليل مستويات الأشعة فوق البنفسجية.