Pet monokromatskih luči, ki vplivajo na rast rastlin

Svetloba je osnovni okoljski dejavnik za rast in razvoj rastlin. Ni le osnovni vir energije za fotosintezo, temveč tudi pomemben regulator rasti in razvoja rastlin. Rast in razvoj rastlin nista omejena le s količino ali jakostjo svetlobe (gostota fotonskega toka, gostota fotonskega toka, PFD), ampak tudi s kakovostjo svetlobe, torej z različnimi valovnimi dolžinami svetlobe in sevanja ter različnim razmerjem sestave.

Sončni spekter lahko grobo razdelimo na ultravijolično sevanje (ultravijolično, UV

Rastline lahko zaznajo subtilne spremembe v kakovosti svetlobe, jakosti svetlobe, dolžini svetlobe in smeri v rastnem okolju ter sprožijo fiziološke in morfološke spremembe, potrebne za preživetje v tem okolju. Modra svetloba, rdeča svetloba in daleč rdeča svetloba igrajo ključno vlogo pri nadzoru fotomorfogeneze rastlin. Fotoreceptorji (fitokrom, Phy), kriptokrom (Cry) in fotoreceptorji (fototropin, Phot) sprejemajo svetlobne signale in spodbujajo rast in razvoj rastlin s transdukcijo signala.

Monokromatska svetloba, kot je uporabljena tukaj, se nanaša na svetlobo v določenem območju valovnih dolžin. Razpon valovnih dolžin iste monokromatske svetlobe, ki se uporablja v različnih poskusih, ni povsem dosleden in druge monokromatske luči, ki so podobne valovne dolžine, se pogosto prekrivajo v različnih obsegih, še posebej pred pojavom monokromatskega svetlobnega vira LED. Na ta način bo seveda prišlo do različnih in celo nasprotujočih si rezultatov.

Rdeča svetloba (R) zavira raztezanje internodijev, pospešuje stransko razvejanje in bohotenje, upočasni diferenciacijo cvetov in poveča antocianine, klorofil in karotenoide. Rdeča svetloba lahko povzroči pozitivno gibanje svetlobe v koreninah Arabidopsis. Rdeča svetloba pozitivno vpliva na odpornost rastlin na biotske in abiotske obremenitve.

Daljnja rdeča svetloba (FR) lahko v mnogih primerih prepreči učinek rdeče svetlobe. Nizko razmerje R/FR povzroči zmanjšanje fotosintetske sposobnosti fižola. V rastni komori se kot glavni vir svetlobe uporablja bela fluorescenčna sijalka, daljno rdeče sevanje (emisijski vrh 734 nm) pa je dopolnjeno z LED diodami za zmanjšanje vsebnosti antocianina, karotenoida in klorofila ter svežo težo, suha teža, dolžina stebla, dolžina listov in list so izdelani. Širina se poveča. Učinek dodatnega FR na rast je lahko posledica povečane absorpcije svetlobe zaradi povečane površine listov. Arabidopsis thaliana, gojena v pogojih nizkega R/FR, je bila večja in debelejša od tistih, ki so rasle pri visokem R/FR, z veliko biomaso in močno prilagodljivostjo na mraz. Različna razmerja R/FR lahko tudi spremenijo toleranco rastlin na sol.

Na splošno lahko povečanje deleža modre svetlobe v beli svetlobi skrajša internodije, zmanjša površino listov, zmanjša relativne stopnje rasti in poveča razmerja dušik/ogljik (N/C).

Visoka sinteza rastlinskega klorofila in tvorba kloroplastov ter kloroplasti z visokim razmerjem klorofila a/b in nizkimi ravnmi karotenoidov zahtevajo modro svetlobo. Pod rdečo svetlobo se je hitrost fotosinteze celic alg postopoma zmanjšala in stopnja fotosinteze se je hitro obnovila po prehodu na modro svetlobo ali dodajanju nekaj modre svetlobe pod neprekinjeno rdečo svetlobo. Ko so temno rastoče celice tobaka 3 dni prenesli na neprekinjeno modro svetlobo, se je skupna količina in vsebnost klorofila rubuloze-1, 5-bisfosfat karboksilaze/oksigenaze (Rubisco) močno povečala. Skladno s tem se močno poveča tudi suha teža celic v volumnu enote raztopine kulture, medtem ko se pod stalno rdečo svetlobo povečuje zelo počasi.

Očitno za fotosintezo in rast rastlin samo rdeča svetloba ni dovolj. Pšenica lahko zaključi svoj življenjski cikel pod enim virom rdečih LED, vendar je treba za pridobitev visokih rastlin in velikega števila semen dodati ustrezno količino modre svetlobe (tabela 1). Pridelek solate, špinače in redkvice z eno samo rdečo svetlobo je bil manjši kot pri rastlinah, vzgojenih v kombinaciji rdeče in modre, medtem ko je bil pridelek rastlin, vzgojenih v kombinaciji rdeče in modre z ustrezno modro svetlobo, primerljiv z rastlin, ki rastejo pod hladnimi belimi fluorescentnimi sijalkami. Podobno lahko Arabidopsis thaliana proizvede semena pod eno samo rdečo svetlobo, vendar raste pod kombinacijo rdeče in modre svetlobe, saj se delež modre svetlobe zmanjša (10 % do 1 %) v primerjavi z rastlinami, ki rastejo pod hladnimi belimi fluorescenčnimi svetilkami. Zapiranje rastlin, cvetenje in rezultati so bili zakasnjeni. Vendar je bil donos semen rastlin, gojenih pod kombinacijo rdeče in modre svetlobe, ki je vsebovala 10 % modre svetlobe, le polovica donosa rastlin, gojenih pod hladno belimi fluorescenčnimi svetilkami. Prekomerna modra svetloba zavira rast rastlin, skrajšuje internodije, zmanjša razvejanost, zmanjša površino listov in zmanjša skupno suho težo. Rastline imajo precejšnje vrstne razlike glede potrebe po modri svetlobi.

Opozoriti je treba, da čeprav so nekatere študije z uporabo različnih vrst svetlobnih virov pokazale, da so razlike v morfologiji in rasti rastlin povezane z razlikami v deležu modre svetlobe v spektru, so sklepi še vedno problematični, ker je sestava nemodre svetlobe svetloba, ki jo oddajajo različne vrste uporabljenih svetilk, je različna. Na primer, čeprav sta suha teža rastlin soje in sirka, gojenih pod isto svetlobo fluorescentne svetilke, in neto stopnja fotosinteze na enoto listne površine znatno višji od tistih, ki rastejo pod nizkotlačnimi natrijevimi žarnicami, teh rezultatov ni mogoče popolnoma pripisati modri svetlobi pod nizkotlačne natrijeve sijalke. Pomanjkanje, bojim se, da je povezano tudi z rumeno in zeleno svetlobo pod nizkotlačno natrijevo svetilko ter oranžno rdečo svetlobo.

Suha teža sadik paradižnika, vzgojenih na beli svetlobi (ki vsebuje rdečo, modro in zeleno svetlobo), je bila bistveno nižja od mase sadik, vzgojenih na rdeči in modri svetlobi. Spektralna detekcija zaviranja rasti v tkivni kulturi je pokazala, da je najbolj škodljiva kakovost svetlobe zelena svetloba z vrhom pri 550 nm. Višina rastline, sveža in suha teža ognjiča, gojenega pod svetlobo zelene svetlobe, se je povečala za 30 % do 50 % v primerjavi z rastlinami, gojenimi pod svetlobo polnega spektra. Zelena svetloba s polnim spektrom svetlobe povzroči, da so rastline nizke in suhe, sveža teža pa se zmanjša. Odstranitev zelene svetlobe okrepi cvetenje ognjiča, dopolnitev zelene svetlobe pa zavira cvetenje ruševja in solate.

Vendar pa obstajajo tudi poročila o zeleni luči, ki spodbuja rast. Kim et al. zaključili, da rdeče-modra kombinirana svetloba (LED) dopolnjuje zeleno svetlobo za posledico zaključek, da je rast rastlin zavrta, ko zelena svetloba preseže 50 %, medtem ko se rast rastlin poveča, ko je razmerje zelene svetlobe manjše od 24 %. Čeprav se suha teža zgornjega dela solate poveča zaradi zelene svetlobe, ki jo doda zelena fluorescentna svetloba na rdeče in modro kombinirano svetlobno ozadje, ki ga zagotavlja LED, sklep, da dodajanje zelene svetlobe poveča rast in proizvede več biomase kot hladne bele svetlobe je problematična: (1) Suha teža biomase, ki jo opazujejo, je le suha teža nadzemnega dela. Če je vključena suha teža podzemnega koreninskega sistema, je lahko rezultat drugačen; (2) zgornji del solate, gojen pod rdečo, modro in zeleno lučjo. Rastline, ki rastejo pod hladno belimi fluorescenčnimi svetilkami, bodo verjetno imele veliko manj zelene svetlobe (24 %) v tribarvni luči kot rezultat hladno bele fluorescenčne sijalke (51 %), kar pomeni, da je učinek zatiranja zelene svetlobe hladne bele fluorescenčne sijalke večji od treh barv. Rezultati svetilke; (3) Hitrost fotosinteze rastlin, gojenih v kombinaciji rdeče in modre svetlobe, je bistveno višja kot pri rastlinah, gojenih pod zeleno svetlobo, kar podpira prejšnje špekulacije.

Vendar lahko obdelava semen z zelenim laserjem naredi redkev in korenje dvakrat večja od kontrole. Zatemnjen zelen utrip lahko pospeši raztezanje sadik, ki rastejo v temi, to pomeni, da spodbuja raztezanje stebla. Obdelava sadik Arabidopsis thaliana z enim impulzom zelene svetlobe (525 nm ± 16 nm) (11,1 μmol·m-2·s-1, 9 s) iz vira LED je povzročila zmanjšanje plastidnih transkriptov in povečanje rasti stebla oceniti.

Na podlagi preteklih 50 let podatkov raziskav fotobiologije rastlin so razpravljali o vlogi zelene svetlobe pri razvoju rastlin, cvetenju, odpiranju stomatov, rasti stebla, izražanju genov za kloroplaste in regulaciji rasti rastlin. Domneva se, da je sistem zaznavanja zelene svetlobe v harmoniji z rdečimi in modrimi senzorji. Uravnavajo rast in razvoj rastlin. Upoštevajte, da je v tem pregledu zelena svetloba (500~600nm) razširjena tako, da vključuje rumeni del spektra (580~600nm).

Rumena svetloba (580~600n) zavira rast solate. Rezultati vsebnosti klorofila in suhe teže za različna razmerja med rdečo, daleč rdečo, modro, ultravijolično in rumeno svetlobo kažejo, da lahko samo rumena svetloba (580~600 n) pojasni razliko v učinkih rasti med visokotlačno natrijevo svetilko in kovinskim halogenom. svetilka. To pomeni, da rumena svetloba zavira rast. Poleg tega je rumena svetloba (vrh pri 595 nm) zavirala rast kumar močneje kot zelena svetloba (vrh pri 520 nm).

Nekateri sklepi o nasprotujočih si učinkih rumene/zelene svetlobe so morda posledica nedoslednega razpona valovnih dolžin svetlobe, uporabljenih v teh študijah. Še več, ker nekateri raziskovalci svetlobo od 500 do 600 nm uvrščajo med zeleno svetlobo, je le malo literature o učinkih rumene svetlobe (580–600 nm) na rast in razvoj rastlin.

Ultravijolično sevanje zmanjša listno površino rastline, zavira podaljšanje hipokotila, zmanjša fotosintezo in produktivnost ter naredi rastline dovzetne za napad patogenov, vendar lahko povzroči sintezo flavonoidov in obrambne mehanizme. UV-B lahko zmanjša vsebnost askorbinske kisline in β-karotena, vendar lahko učinkovito spodbuja sintezo antocianina. UV-B sevanje povzroči fenotip pritlikave rastline, majhne, ​​debele liste, kratek pecelj, povečane pazdušne veje in spremembe v razmerju koren/krošnja.

Rezultati raziskav na 16 sortah riža iz 7 različnih regij Kitajske, Indije, Filipinov, Nepala, Tajske, Vietnama in Šrilanke v rastlinjaku so pokazali, da je dodajanje UV-B povzročilo povečanje skupne biomase. Kultivarji (samo ena od njih je dosegla pomembno raven, iz Šrilanke), 12 kultivarjev (od katerih je bilo 6 pomembnih) in tisti z občutljivostjo na UV-B so znatno zmanjšali površino listov in velikost gomolja. Obstaja 6 kultivarjev s povečano vsebnostjo klorofila (od katerih 2 dosežeta pomembne vrednosti); 5 kultivarjev z bistveno zmanjšano hitrostjo fotosinteze listov in 1 kultivar z bistveno izboljšanim (znatno je tudi njena skupna biomasa) povečanjem).

Razmerje UV-B/PAR je pomembna determinanta odziva rastlin na UV-B. Na primer, UV-B in PAR skupaj vplivata na morfologijo in količino olja mete, ki zahteva visoko raven nefiltrirane naravne svetlobe.

Opozoriti je treba, da so laboratorijske študije učinkov UV-B, čeprav uporabne pri prepoznavanju transkripcijskih faktorjev ter drugih molekularnih in fizioloških dejavnikov, posledica uporabe višjih ravni UV-B, brez sočasnega UV-A in pogosto nizkega PAR v ozadju, rezultati običajno niso mehansko ekstrapolirani v naravno okolje. Terenske študije običajno uporabljajo UV žarnice za zvišanje ali uporabo filtrov za zmanjšanje ravni UV-B.