Fünf monochromatische Lichter, die das Pflanzenwachstum beeinflussen

Licht ist der grundlegende Umweltfaktor für Pflanzenwachstum und -entwicklung. Es ist nicht nur die grundlegende Energiequelle für die Photosynthese, sondern auch ein wichtiger Regulator des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung. Pflanzenwachstum und -entwicklung werden nicht nur durch die Lichtmenge bzw. Lichtintensität (Photonenflussdichte, Photonenflussdichte, PFD) eingeschränkt, sondern auch durch die Lichtqualität, also unterschiedliche Wellenlängen von Licht und Strahlung und deren unterschiedliche Zusammensetzungsverhältnisse.

Das Sonnenspektrum lässt sich grob in ultraviolette Strahlung (ultraviolett, UV

Pflanzen können subtile Veränderungen der Lichtqualität, Lichtintensität, Lichtlänge und -richtung in der Wachstumsumgebung erkennen und die physiologischen und morphologischen Veränderungen einleiten, die zum Überleben in dieser Umgebung erforderlich sind. Blaues Licht, rotes Licht und fernrotes Licht spielen eine Schlüsselrolle bei der Steuerung der Photomorphogenese von Pflanzen. Photorezeptoren (Phytochrom, Phy), Cryptochrom (Cry) und Photorezeptoren (Phototropin, Phot) empfangen Lichtsignale und induzieren durch Signaltransduktion Wachstum und Entwicklung von Pflanzen.

Unter monochromatischem Licht versteht man hier Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich. Der Wellenlängenbereich desselben monochromatischen Lichts, das in verschiedenen Experimenten verwendet wird, ist nicht vollständig konsistent, und andere monochromatische Lichter mit ähnlicher Wellenlänge überlappen sich häufig in unterschiedlichem Maße, insbesondere vor dem Erscheinen einer monochromatischen LED-Lichtquelle. Auf diese Weise wird es natürlich zu unterschiedlichen und sogar widersprüchlichen Ergebnissen kommen.

Rotes Licht (R) hemmt die Verlängerung der Internodien, fördert die seitliche Verzweigung und Bestockung, verzögert die Blütendifferenzierung und erhöht Anthocyane, Chlorophyll und Carotinoide. Rotes Licht kann eine positive Lichtbewegung in den Wurzeln von Arabidopsis hervorrufen. Rotes Licht wirkt sich positiv auf die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegenüber biotischem und abiotischem Stress aus.

Fernrotes Licht (FR) kann in vielen Fällen dem Rotlichteffekt entgegenwirken. Ein niedriges R/FR-Verhältnis führt zu einer Verringerung der Photosynthesekapazität von Kidneybohnen. In der Wachstumskammer wird die weiße Leuchtstofflampe als Hauptlichtquelle verwendet und die tiefrote Strahlung (der Emissionspeak von 734 nm) wird mit LEDs ergänzt, um den Anthocyan-, Carotinoid- und Chlorophyllgehalt sowie das Frischgewicht zu reduzieren. Trockengewicht, Stiellänge, Blattlänge und Blatt werden ermittelt. Die Breite wird vergrößert. Die Wirkung von zusätzlichem FR auf das Wachstum kann auf eine erhöhte Lichtabsorption aufgrund der vergrößerten Blattfläche zurückzuführen sein. Arabidopsis thaliana, die unter niedrigen R/FR-Bedingungen gezüchtet wurden, waren größer und dicker als solche, die unter hohen R/FR-Bedingungen gezüchtet wurden, mit großer Biomasse und starker Kälteanpassungsfähigkeit. Unterschiedliche Verhältnisse von R/FR können auch die Salztoleranz von Pflanzen verändern.

Im Allgemeinen kann eine Erhöhung des Anteils von blauem Licht im weißen Licht die Internodien verkürzen, die Blattfläche verringern, die relativen Wachstumsraten verringern und das Stickstoff/Kohlenstoff-Verhältnis (N/C) erhöhen.

Eine hohe pflanzliche Chlorophyllsynthese und Chloroplastenbildung sowie Chloroplasten mit einem hohen Chlorophyll-a/b-Verhältnis und niedrigen Carotinoidspiegeln erfordern blaues Licht. Unter rotem Licht nahm die Photosyntheserate der Algenzellen allmählich ab, und die Photosyntheserate erholte sich schnell wieder, nachdem man auf blaues Licht umgestiegen war oder unter kontinuierlichem rotem Licht etwas blaues Licht hinzugefügt hatte. Als die dunkel wachsenden Tabakzellen drei Tage lang kontinuierlich blauem Licht ausgesetzt wurden, stiegen die Gesamtmenge und der Chlorophyllgehalt an Rubulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase (Rubisco) stark an. Dementsprechend steigt auch das Trockengewicht der Zellen im Volumen der Einheitskulturlösung stark an, während es unter kontinuierlichem Rotlicht nur sehr langsam zunimmt.

Offensichtlich reicht für die Photosynthese und das Wachstum von Pflanzen allein rotes Licht nicht aus. Weizen kann seinen Lebenszyklus mit einer einzigen roten LED-Quelle abschließen, aber um hohe Pflanzen und eine große Anzahl von Samen zu erhalten, muss eine angemessene Menge an blauem Licht hinzugefügt werden (Tabelle 1). Der Ertrag von Salat, Spinat und Radieschen, die unter einem einzigen roten Licht gezüchtet wurden, war geringer als der der Pflanzen, die unter der Kombination von Rot und Blau gezüchtet wurden, während der Ertrag von Pflanzen, die unter der Kombination von Rot und Blau mit geeignetem blauem Licht gezüchtet wurden, vergleichbar war das von Pflanzen, die unter kaltweißen Leuchtstofflampen wachsen. In ähnlicher Weise kann Arabidopsis thaliana unter einem einzigen roten Licht Samen produzieren, wächst jedoch unter der Kombination von rotem und blauem Licht, da der Anteil des blauen Lichts im Vergleich zu Pflanzen, die unter kaltweißen Leuchtstofflampen wachsen, abnimmt (10 % bis 1 %). Das Schossen, die Blüte und die Ergebnisse der Pflanzen verzögerten sich. Allerdings war der Samenertrag von Pflanzen, die unter einer Kombination aus rotem und blauem Licht mit 10 % blauem Licht gezüchtet wurden, nur halb so hoch wie der von Pflanzen, die unter kaltweißen Leuchtstofflampen gezüchtet wurden. Übermäßiges blaues Licht hemmt das Pflanzenwachstum, verkürzt die Internodien, verringert die Verzweigung, verringert die Blattfläche und verringert das Gesamttrockengewicht. Pflanzen unterscheiden sich deutlich hinsichtlich des Bedarfs an blauem Licht.

Es ist zu beachten, dass einige Studien mit verschiedenen Arten von Lichtquellen zwar gezeigt haben, dass Unterschiede in der Pflanzenmorphologie und im Pflanzenwachstum mit Unterschieden im Anteil des blauen Lichts im Spektrum zusammenhängen, die Schlussfolgerungen jedoch aufgrund der Zusammensetzung des nichtblauen Lichts immer noch problematisch sind Das von den verschiedenen verwendeten Lampentypen abgegebene Licht ist unterschiedlich. Obwohl beispielsweise das Trockengewicht von Sojabohnen- und Sorghumpflanzen, die unter derselben Leuchtstofflampe wachsen, und die Netto-Photosyntheserate pro Blattflächeneinheit deutlich höher sind als bei Pflanzen, die unter Niederdruck-Natriumlampen wachsen, können diese Ergebnisse nicht vollständig auf blaues Licht zurückgeführt werden Natriumdampf-Niederdrucklampen. Mangel, ich fürchte, es hängt auch mit dem gelben und grünen Licht unter der Natriumdampf-Niederdrucklampe und dem orangeroten Licht zusammen.

Das Trockengewicht von Tomatensämlingen, die unter weißem Licht (mit rotem, blauem und grünem Licht) gezüchtet wurden, war deutlich niedriger als das von Sämlingen, die unter rotem und blauem Licht gezüchtet wurden. Der spektrale Nachweis der Wachstumshemmung in Gewebekulturen zeigte, dass die schädlichste Lichtqualität grünes Licht mit einem Peak bei 550 nm war. Die Pflanzenhöhe sowie das Frisch- und Trockengewicht von Ringelblumen, die unter grünem Licht gezüchtet wurden, stiegen im Vergleich zu Pflanzen, die unter Vollspektrumlicht gezüchtet wurden, um 30 bis 50 %. Mit Vollspektrumlicht gefülltes grünes Licht führt dazu, dass die Pflanzen kurz und trocken werden und das Frischgewicht reduziert wird. Das Entfernen von grünem Licht stärkt die Blüte von Ringelblumen, während die Ergänzung von grünem Licht die Blüte von Dianthus und Salat hemmt.

Allerdings gibt es auch Berichte über grünes Licht, das das Wachstum fördert. Kim et al. kamen zu dem Schluss, dass das rot-blaue kombinierte Licht (LEDs), das grünes Licht ergänzt, zu dem Schluss führt, dass das Pflanzenwachstum gehemmt wird, wenn grünes Licht 50 % übersteigt, während das Pflanzenwachstum gefördert wird, wenn der grüne Lichtanteil weniger als 24 % beträgt. Obwohl das Trockengewicht des oberen Teils des Salats durch das grüne Licht erhöht wird, das durch das grüne fluoreszierende Licht auf dem von der LED bereitgestellten roten und blauen kombinierten Lichthintergrund hinzugefügt wird, lässt sich die Schlussfolgerung ziehen, dass die Zugabe von grünem Licht das Wachstum fördert und mehr produziert Biomasse als das kühle weiße Licht ist problematisch: (1) Das Trockengewicht der Biomasse, das sie beobachten, ist nur das Trockengewicht des oberirdischen Teils. Bezieht man das Trockengewicht des unterirdischen Wurzelsystems mit ein, kann das Ergebnis anders ausfallen; (2) Der obere Teil des Salats, der unter rotem, blauem und grünem Licht wächst. Pflanzen, die unter kaltweißen Leuchtstofflampen deutlich wachsen, weisen wahrscheinlich weit weniger grünes Licht (24 %) in der Dreifarbenlampe auf als das Ergebnis der kaltweißen Leuchtstofflampe (51 %), d. h. der Grünlicht-Unterdrückungseffekt der kaltweißen Leuchtstofflampe ist größer als bei den drei Farben. Die Ergebnisse der Lampe; (3) Die Photosyntheserate der Pflanzen, die unter der Kombination von rotem und blauem Licht wachsen, ist deutlich höher als die der Pflanzen, die unter grünem Licht wachsen, was die vorherige Spekulation stützt.

Durch die Behandlung der Samen mit einem grünen Laser können Radieschen und Karotten jedoch doppelt so groß werden wie die Kontrolle. Ein schwachgrüner Impuls kann die Länge der im Dunkeln wachsenden Sämlinge beschleunigen, also die Stängelverlängerung fördern. Die Behandlung von Arabidopsis thaliana-Keimlingen mit einem einzelnen grünen Lichtimpuls (525 nm ± 16 nm) (11,1 μmol·m-2·s-1, 9 s) aus einer LED-Quelle führte zu einer Abnahme der Plastidentranskripte und einer Zunahme des Stammwachstums Rate.

Basierend auf den Daten der pflanzenphotobiologischen Forschung der letzten 50 Jahre wurde die Rolle von grünem Licht bei der Pflanzenentwicklung, der Blüte, der Spaltöffnung, dem Stängelwachstum, der Chloroplasten-Genexpression und der Regulierung des Pflanzenwachstums diskutiert. Es wird angenommen, dass das Wahrnehmungssystem für grünes Licht mit den roten und blauen Sensoren harmoniert. Reguliert das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen. Beachten Sie, dass in diesem Test grünes Licht (500–600 nm) um den gelben Teil des Spektrums (580–600 nm) erweitert wird.

Gelbes Licht (580–600 nm) hemmt das Salatwachstum. Die Ergebnisse des Chlorophyllgehalts und des Trockengewichts für unterschiedliche Verhältnisse von rotem, fernrotem, blauem, ultraviolettem und gelbem Licht zeigen, dass nur gelbes Licht (580–600 nm) den Unterschied in den Wachstumseffekten zwischen Hochdruck-Natriumlampe und Metallhalogenid erklären kann Lampe. Das heißt, gelbes Licht hemmt das Wachstum. Außerdem hemmte gelbes Licht (Peak bei 595 nm) das Gurkenwachstum stärker als grünes Licht (Peak bei 520 nm).

Einige Schlussfolgerungen zu den widersprüchlichen Wirkungen von gelbem/grünem Licht könnten auf den inkonsistenten Bereich der in diesen Studien verwendeten Lichtwellenlängen zurückzuführen sein. Da einige Forscher außerdem Licht von 500 bis 600 nm als grünes Licht klassifizieren, gibt es wenig Literatur über die Auswirkungen von gelbem Licht (580–600 nm) auf Pflanzenwachstum und -entwicklung.

Ultraviolette Strahlung verringert die Blattfläche der Pflanzen, hemmt die Verlängerung des Hypokotyls, reduziert die Photosynthese und Produktivität und macht Pflanzen anfällig für Angriffe durch Krankheitserreger, kann jedoch die Flavonoidsynthese und Abwehrmechanismen induzieren. UV-B kann den Gehalt an Ascorbinsäure und β-Carotin reduzieren, aber die Anthocyansynthese wirksam fördern. UV-B-Strahlung führt zu einem Zwergpflanzenphänotyp, kleinen, dicken Blättern, kurzen Blattstielen, vergrößerten Achselzweigen und Veränderungen des Wurzel-/Kronenverhältnisses.

Die Ergebnisse von Untersuchungen an 16 Reissorten aus 7 verschiedenen Regionen Chinas, Indiens, der Philippinen, Nepals, Thailands, Vietnams und Sri Lankas im Gewächshaus zeigten, dass die Zugabe von UV-B zu einer Erhöhung der Gesamtbiomasse führte. Sorten (von denen nur eine aus Sri Lanka ein signifikantes Niveau erreichte), 12 Sorten (von denen 6 signifikant waren) und solche mit UV-B-Empfindlichkeit waren in der Blattfläche und der Piniengröße deutlich reduziert. Es gibt 6 Sorten mit erhöhtem Chlorophyllgehalt (von denen 2 signifikante Werte erreichen); 5 Sorten mit deutlich reduzierter Photosyntheserate der Blätter und 1 Sorte mit deutlich verbessertem Anstieg (ihre Gesamtbiomasse ist ebenfalls signifikant).

Das Verhältnis von UV-B/PAR ist ein wichtiger Faktor für die Reaktion der Pflanze auf UV-B. Beispielsweise beeinflussen UV-B und PAR zusammen die Morphologie und den Ölertrag von Minze, was ein hohes Maß an ungefiltertem natürlichem Licht erfordert.

Es ist zu beachten, dass Laborstudien zu UV-B-Effekten zwar nützlich bei der Identifizierung von Transkriptionsfaktoren und anderen molekularen und physiologischen Faktoren sind, aber auf die Verwendung höherer UV-B-Werte, kein begleitendes UV-A und oft auf einen niedrigen Hintergrund-PAR zurückzuführen sind Ergebnisse werden normalerweise nicht mechanisch auf die natürliche Umgebung übertragen. Bei Feldstudien werden in der Regel UV-Lampen zur Erhöhung oder der Einsatz von Filtern zur Reduzierung der UV-B-Werte eingesetzt.