Päť monochromatických svetiel, ktoré ovplyvňujú rast rastlín

Svetlo je základným environmentálnym faktorom pre rast a vývoj rastlín. Je nielen základným zdrojom energie pre fotosyntézu, ale aj dôležitým regulátorom rastu a vývoja rastlín. Rast a vývoj rastlín neobmedzuje len množstvo svetla alebo intenzita svetla (hustota toku fotónov, hustota toku fotónov, PFD), ale aj kvalita svetla, teda rôzne vlnové dĺžky svetla a žiarenia a ich rôzne pomery zloženia.

Slnečné spektrum možno zhruba rozdeliť na ultrafialové žiarenie (ultrafialové, UV

Rastliny dokážu rozpoznať jemné zmeny v kvalite svetla, intenzite svetla, dĺžke svetla a smere v pestovateľskom prostredí a iniciovať fyziologické a morfologické zmeny potrebné na prežitie v tomto prostredí. Modré svetlo, červené svetlo a ďaleko červené svetlo hrajú kľúčovú úlohu pri kontrole fotomorfogenézy rastlín. Fotoreceptory (fytochróm, Phy), kryptochróm (Cry) a fotoreceptory (fototropín, Phot) prijímajú svetelné signály a indukujú rast a vývoj rastlín prostredníctvom prenosu signálu.

Monochromatické svetlo, ako sa tu používa, sa týka svetla v špecifickom rozsahu vlnových dĺžok. Rozsah vlnových dĺžok rovnakého monochromatického svetla použitého v rôznych experimentoch nie je úplne konzistentný a iné monochromatické svetlá, ktoré majú podobnú vlnovú dĺžku, sa často prekrývajú v rôznej miere, najmä pred objavením sa monochromatického zdroja svetla LED. Týmto spôsobom, prirodzene, budú rôzne a dokonca protichodné výsledky.

Červené svetlo (R) inhibuje predlžovanie internódií, podporuje bočné vetvenie a odnožovanie, oneskoruje diferenciáciu kvetov a zvyšuje antokyány, chlorofyl a karotenoidy. Červené svetlo môže spôsobiť pozitívny pohyb svetla v koreňoch Arabidopsis. Červené svetlo má pozitívny vplyv na odolnosť rastlín voči biotickým a abiotickým stresom.

Far červené svetlo (FR) môže v mnohých prípadoch pôsobiť proti efektu červeného svetla. Nízky pomer R/FR má za následok zníženie fotosyntetickej kapacity fazule. V rastovej komore sa ako hlavný zdroj svetla používa biela žiarivka a ďalekočervené žiarenie (vrchol emisie 734 nm) je doplnené LED diódami na zníženie obsahu antokyanov, karotenoidov a chlorofylu a čerstvej hmotnosti, vyrába sa suchá hmotnosť, dĺžka stonky, dĺžka listu a list. Šírka je zväčšená. Účinok doplnkového FR na rast môže byť spôsobený zvýšenou absorpciou svetla v dôsledku zväčšenej plochy listov. Arabidopsis thaliana pestované v podmienkach nízkej R/FR boli väčšie a hrubšie ako tie, ktoré boli pestované v podmienkach vysokej R/FR, s veľkou biomasou a silnou adaptabilitou na chlad. Rôzne pomery R/FR môžu tiež zmeniť toleranciu rastlín voči soli.

Všeobecne platí, že zvýšenie podielu modrého svetla v bielom svetle môže skrátiť internódie, zmenšiť plochu listov, znížiť relatívnu rýchlosť rastu a zvýšiť pomery dusík/uhlík (N/C).

Vysoká syntéza chlorofylu v rastlinách a tvorba chloroplastov, ako aj chloroplasty s vysokým pomerom chlorofylu a/b a nízkymi hladinami karotenoidov vyžadujú modré svetlo. Pod červeným svetlom sa rýchlosť fotosyntézy buniek rias postupne znižovala a rýchlosť fotosyntézy sa rýchlo obnovila po prechode na modré svetlo alebo pridaní nejakého modrého svetla pod nepretržitým červeným svetlom. Keď boli tmavo rastúce bunky tabaku prenesené do nepretržitého modrého svetla na 3 dni, celkové množstvo a obsah chlorofylu rubulóza-1,5-bisfosfátkarboxylázy/oxygenázy (Rubisco) sa prudko zvýšili. V súlade s tým sa tiež prudko zvyšuje suchá hmotnosť buniek v objeme roztoku jednotkovej kultúry, zatiaľ čo pri nepretržitom červenom svetle sa zvyšuje veľmi pomaly.

Je zrejmé, že na fotosyntézu a rast rastlín nestačí iba červené svetlo. Pšenica môže dokončiť svoj životný cyklus pod jedným zdrojom červených LED, ale na získanie vysokých rastlín a veľkého množstva semien je potrebné pridať primerané množstvo modrého svetla (tabuľka 1). Úroda šalátu, špenátu a reďkovky pestovaných pod jedným červeným svetlom bola nižšia ako u rastlín pestovaných v kombinácii červenej a modrej, zatiaľ čo úroda rastlín pestovaných v kombinácii červenej a modrej s vhodným modrým svetlom bola porovnateľná s rastlín pestovaných pod studenými bielymi žiarivkami. Podobne Arabidopsis thaliana môže produkovať semená pod jediným červeným svetlom, ale rastie pod kombináciou červeného a modrého svetla, pretože podiel modrého svetla klesá (10% až 1%) v porovnaní s rastlinami pestovanými pod studenými bielymi žiarivkami. Osípanie rastlín, kvitnutie a výsledky boli oneskorené. Výťažok semien rastlín pestovaných pod kombináciou červeného a modrého svetla s obsahom 10 % modrého svetla bol však len polovičný v porovnaní s rastlinami pestovanými pod studenými bielymi žiarivkami. Nadmerné modré svetlo brzdí rast rastlín, skracuje internódie, znižuje rozvetvenie, znižuje plochu listov a znižuje celkovú suchú hmotnosť. Rastliny majú výrazné druhové rozdiely v potrebe modrého svetla.

Treba poznamenať, že hoci niektoré štúdie využívajúce rôzne typy svetelných zdrojov ukázali, že rozdiely v morfológii a raste rastlín súvisia s rozdielmi v podiele modrého svetla v spektre, závery sú stále problematické, pretože zloženie nemodrého svetla svetlo vyžarované rôznymi typmi použitých lámp je rôzne. Napríklad, hoci suchá hmotnosť rastlín sóje a ciroku pestovaných pod tou istou svetelnou žiarivkou a čistá rýchlosť fotosyntézy na jednotku plochy listu sú výrazne vyššie ako u rastlín pestovaných pod nízkotlakovými sodíkovými výbojkami, tieto výsledky nemožno úplne pripísať modrému svetlu pod nízkotlakové sodíkové výbojky. Nedostatok, obávam sa, že súvisí aj so žltým a zeleným svetlom pod nízkotlakovou sodíkovou výbojkou a oranžovým červeným svetlom.

Suchá hmotnosť sadeníc paradajok pestovaných pod bielym svetlom (obsahujúcich červené, modré a zelené svetlo) bola výrazne nižšia ako hmotnosť sadeníc pestovaných pod červeným a modrým svetlom. Spektrálna detekcia inhibície rastu v tkanivovej kultúre ukázala, že najškodlivejšou kvalitou svetla bolo zelené svetlo s vrcholom pri 550 nm. Výška rastlín, čerstvá a suchá hmotnosť nechtíka pestovaného pod svetlom zeleného svetla sa zvýšili o 30% až 50% v porovnaní s rastlinami pestovanými pri plnom spektre svetla. Zelené svetlo plné spektra svetla spôsobuje, že rastliny sú krátke a suché a čerstvá hmotnosť sa znižuje. Odstránenie zeleného svetla posilňuje kvitnutie nechtíka, zatiaľ čo doplnenie zeleného svetla bráni kvitnutiu hviezdice a šalátu.

Existujú však aj správy o tom, že zelené svetlo podporuje rast. Kim a spol. dospel k záveru, že červené a modré kombinované svetlo (LED) doplnené zeleným svetlom vedie k záveru, že rast rastlín je inhibovaný, keď zelené svetlo presiahne 50 %, zatiaľ čo rast rastlín sa zvýši, keď je pomer zeleného svetla nižší ako 24 %. Hoci suchá hmotnosť hornej časti šalátu je zvýšená zeleným svetlom pridaným zeleným fluorescenčným svetlom na červenom a modrom kombinovanom svetle, ktoré poskytuje LED, záver, že pridanie zeleného svetla zvyšuje rast a produkuje viac biomasa ako studené biele svetlo je problematické: (1) Suchá hmotnosť biomasy, ktorú pozorujú, je iba suchá hmotnosť nadzemnej časti. Ak je zahrnutá suchá hmotnosť podzemného koreňového systému, výsledok môže byť odlišný; (2) horná časť šalátu pestovaného pod červeným, modrým a zeleným svetlom Rastliny, ktoré výrazne rastú pod studenými bielymi žiarivkami, budú mať pravdepodobne zelené svetlo (24 %) obsiahnuté v trojfarebnej lampe oveľa menej ako výsledok studenej bielej žiarivky (51 %), to znamená, že efekt potlačenia zeleného svetla pri studenej bielej žiarivke je väčší ako u troch farieb. Výsledky lampy; (3) Rýchlosť fotosyntézy rastlín pestovaných pri kombinácii červeného a modrého svetla je výrazne vyššia ako u rastlín pestovaných pod zeleným svetlom, čo podporuje predchádzajúce špekulácie.

Ošetrením semien zeleným laserom však môžu byť reďkovky a mrkva dvakrát väčšie ako kontrola. Tlmený zelený pulz môže urýchliť predlžovanie sadeníc rastúcich v tme, to znamená podporovať predlžovanie stonky. Ošetrenie sadeníc Arabidopsis thaliana jediným pulzom zeleného svetla (525 nm ± 16 nm) (11,1 μmol·m-2·s-1, 9 s) zo zdroja LED viedlo k zníženiu prepisov plastidov a zvýšeniu rastu stonky sadzba.

Na základe údajov z výskumu fotobiológie rastlín za posledných 50 rokov sa diskutovalo o úlohe zeleného svetla vo vývoji rastlín, kvitnutí, otváraní prieduchov, raste stonky, expresii génov chloroplastov a regulácii rastu rastlín. Predpokladá sa, že systém vnímania zeleného svetla je v súlade s červenými a modrými senzormi. Regulujte rast a vývoj rastlín. Všimnite si, že v tomto prehľade je zelené svetlo (500 ~ 600 nm) rozšírené tak, aby zahŕňalo žltú časť spektra (580 ~ 600 nm).

Žlté svetlo (580 ~ 600 nm) inhibuje rast šalátu. Výsledky obsahu chlorofylu a suchej hmotnosti pre rôzne pomery červeného, ​​ďaleko červeného, ​​modrého, ultrafialového a žltého svetla naznačujú, že iba žlté svetlo (580 ~ 600 nm) môže vysvetliť rozdiel v rastových účinkoch medzi vysokotlakovou sodíkovou výbojkou a halogenidom kovu. lampa. To znamená, že žlté svetlo bráni rastu. Tiež žlté svetlo (vrchol pri 595 nm) inhibovalo rast uhoriek silnejšie ako zelené svetlo (vrchol pri 520 nm).

Niektoré závery o protichodných účinkoch žltého/zeleného svetla môžu byť spôsobené nekonzistentným rozsahom vlnových dĺžok svetla použitých v týchto štúdiách. Navyše, pretože niektorí výskumníci klasifikujú svetlo od 500 do 600 nm ako zelené svetlo, existuje len málo literatúry o účinkoch žltého svetla (580-600 nm) na rast a vývoj rastlín.

Ultrafialové žiarenie znižuje plochu listov rastlín, inhibuje predlžovanie hypokotylu, znižuje fotosyntézu a produktivitu a robí rastliny náchylnými na napadnutie patogénmi, ale môže vyvolať syntézu flavonoidov a obranné mechanizmy. UV-B môže znížiť obsah kyseliny askorbovej a β-karoténu, ale môže účinne podporovať syntézu antokyanov. UV-B žiarenie vedie k fenotypu trpasličej rastliny, malým, hrubým listom, krátkym stopkám, zvýšeným axilárnym vetvám a zmenám pomeru koreň/koruna.

Výsledky výskumov na 16 kultivaroch ryže zo 7 rôznych oblastí Číny, Indie, Filipín, Nepálu, Thajska, Vietnamu a Srí Lanky v skleníku ukázali, že pridanie UV-B viedlo k zvýšeniu celkovej biomasy. Kultivary (iba jeden z nich dosiahol významnú úroveň, zo Srí Lanky), 12 kultivarov (z toho 6 významných) a kultivary s UV-B citlivosťou boli výrazne znížené v listovej ploche a veľkosti odnožov. Existuje 6 kultivarov so zvýšeným obsahom chlorofylu (2 z nich dosahujú významné úrovne); 5 kultivarov s výrazne zníženou rýchlosťou fotosyntézy listov a 1 kultivar s výrazne zlepšeným (významná je aj jeho celková biomasa).

Pomer UV-B/PAR je dôležitým determinantom reakcie rastlín na UV-B. Napríklad UV-B a PAR spolu ovplyvňujú morfológiu a výťažok oleja z mäty, čo si vyžaduje vysokú úroveň nefiltrovaného prirodzeného svetla.

Je potrebné poznamenať, že laboratórne štúdie účinkov UV-B, hoci sú užitočné pri identifikácii transkripčných faktorov a iných molekulárnych a fyziologických faktorov, sú spôsobené použitím vyšších hladín UV-B, bez sprievodného UV-A a často s nízkou PAR pozadia, výsledky zvyčajne nie sú mechanicky extrapolované do prírodného prostredia. Terénne štúdie zvyčajne používajú UV lampy na zvýšenie alebo použitie filtrov na zníženie hladín UV-B.