Влияние спектра света на развитие растений.
Вы когда-нибудь использовали лампы для выращивания растений? Если да, то, вероятно, вы были поражены влиянием света на развитие вашего растения. В этой статье вы расскажете гораздо больше о влиянии света на развитие растений. Как мы увидим, развитие растений действительно отличается от роста растений. Мы объясним принципы света и его взаимодействие с растениями, а также дадим вам несколько практических советов. Выбор правильной лампы может существенно повлиять на качество и количество вашего урожая.
Все знают, что растению нужен свет для роста с помощью фотосинтеза — процесса, включающего фиксацию энергии и производство сахара. Но помимо обеспечения энергии, свет также играет ключевую роль во многих других растительных процессах, таких как фотоморфогенез и фотопериодизм. Все эти процессы зависят от спектра света, то есть распределения света по электромагнитному спектру. Чтобы объяснить разные реакции растения на свет, сначала нужно задуматься о самом явлении света.
Принцип света и его спектр.
Свет — это форма излучения, которая принимает форму электромагнитных волн, проходящих через воздух или вакуум. Таким образом, её можно описать с помощью трёх физических свойств: интенсивности (или амплитуда), частоты (или длины волны) и направления колебаний (поляризация). Все возможные формы электромагнитного излучения можно описать, разместив их в электромагнитном спектре, см. рисунок 1.
Когда мы описываем электромагнитный или световой спектр, лучше говорить о длине волны, чем о цвете. Это связано с тем, что видимый свет для человека составляет лишь небольшую часть спектра в целом — а именно диапазон длин волн от 400 до 700 нанометров (нм, то есть 10-9 м).
Свет в виде электромагнитных волн описывается электромагнитным спектром. Самое важное качество света для растений — это его длина волны или энергетическое содержание; чем короче длина волны, тем выше энергетическое содержание.
Фотосинтетически активное излучение (PAR), или плотность фотосинтетического потока фотонов (PPFD), — это диапазон света, который растения могут использовать для фотосинтеза. Однако, поскольку PPFD — это сумма всех фотонов в диапазоне 400-700 нм, два совершенно разных спектральных распределения могут иметь одинаковый PPFD. Это означает, что между PPFD и спектральным распределением нет однозначной связи. Это также означает, что при сравнении источников света нужно учитывать данные спектрального распределения, а также PPFD.
Свет PPFD выражается как мкмоль/м2/s и показывает, сколько световых фотонов достигнет заранее определённой площади поверхности (m2) за определённое время (секунду). Для примера: большинству растений требуется минимум 30–50 ммоль/м2/s PPFD, чтобы остаться в живых.
Как растение чувствует свет?
Свет не только обеспечивает энергию для фотосинтеза, он также служит источником информации для растений. Разные спектры света дают растению представление о его среде, а значит, как оно должно выживать, а значит, процветать и размножаться. В этом смысле состав света так же важен, как и общее количество света, используемого для фотосинтеза. Спектр света в диапазоне от 300 до 800 нм вызывает у растения реакцию развития. Кроме того, известно, что УФ- и инфракрасный (ИК) свет играют роль в морфогенезе растений.
Растение получает информацию от света, попадающего к нему, с помощью специальных пигментов, называемых фоторецепторами. Эти фоторецепторы чувствительны к разным
Растение получает информацию от света через три специальных фоторецептора: фототропины (phot), криптохромы (cry) и фитохромы (phy). Первые два активны при ультрафиолетовом и синем свете, а фитохромы — на красный и далеко-красный свет.
Существует три группы фоторецепторов:
• Фототропины
• Криптохромы
• Фитохромы
Первые два фоторецептора — фототропины и криптохромы — активны в нижнем диапазоне длин волн (УФ (A) и синий). Эти два рецептора явно выполняют разные функции. Фототропины отвечают за фототропизм или движение растений, а также за перемещение хлоропластов внутри клетки в ответ на количество света. Фототропины заставляют стебли изгибаться к свету и устьицы открываться.
Криптохромы — это пигменты, которые определяют направление света. Подавление удлинения стебля определяется криптохромами, а также функционированием устьица, синтезом пигментов и отслеживанием солнечного света листьями растения. Другие фоторецепторы — фитохромы — чувствительны к красному и дальнему красному свету. Существуют две формы фитохрома — Pfr и Pr, которые взаимодействуют.
Pr ( неактивная форма )
Pr — форма фитохрома, которая поглощает красный свет (длина волны — около 660 нм). Некоторые особенности:
• Не инициирует биологические реакции.
• Цвет — сине-зелёный.
• Широко распределена в цитозоле.
Превращение Pr в Pfr происходит при поглощении красного света. Красный свет вызывает трансформацию фитохрома из Pr в Pfr.
Важно: соотношение Pr и Pfr (фитохромное фоторавновесие) определяет реакцию растений на цветение. Например, когда концентрация Pfr низкая, а Pr высокая, растения короткого дня цветут, а растения длинного дня — нет. Когда концентрация Pfr выше, а концентрация Pr ниже, растения длинного дня и растения короткого дня этого не делают.
Pfr ( активная форма )
Pfr — форма фитохрома, которая поглощает дальний красный свет (длина волны — около 730 нм). Некоторые особенности:
• Физиологически — активная форма, которая инициирует биологические реакции.
• Цвет — светло-зелёный.
• Когда форма Pfr накапливается, она запускает каскад транскрипционных изменений и гормональной сигнализации, которые вызывают цветение. Pfr инициирует экспрессию генов цветения и одновременно подавляет гены, ингибирующие цветение.
Превращение Pfr в Pr происходит при воздействии дальнего красного света. Воздействие дальнего красного света заставляет Pfr превращаться обратно в Pr.
Важно: хотя фитохромы синтезируются в цитозоле и форма Pr локализована там, форма Pfr, генерируемая при освещении светом, перемещается в ядро клетки.
Таким образом: днём образуется активная форма фитохрома, но с наступлением темноты она угнетается образованием неактивной формы постепенно. И, наоборот, с рассветом неактивная форма подавляется постепенным нарастанием образования активной формы фитохрома
Фитохромы оказывают наибольшее влияние на фотоморфогенез. Удлинение стебля, избегание тени, синтез хлорофилла и цветущая реакция — всё это типичные функции, контролируемые фитохромом.
Теперь, когда мы изучили спектр света и фоторецепторы, отвечающие за развитие растений, переходим к следующему вопросу: как мы можем применить эти знания как производители? Что делает спектр света хорошим для роста? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно задуматься о реакции растения на разные спектры света. Поскольку они в основном попадают под видимый свет, можно говорить о «цветах», начиная с самых важных для развития растений.
Синий свет (400 – 500 нм).
Большая доля синего света тормозит удлинение клеток, что приводит к более коротким стеблям и толстым листьям. Напротив, уменьшение количества синего света приведёт к увеличению площади листьев и увеличению стеблей. Слишком мало синего света негативно скажется на развитии растений. Многим растениям требуется минимальное количество синего света, которое варьируется от 5 до 30 ммоль/м2/s для салата и перца до 30 ммоль/м2/s для сои.
Взаимодействие между красным (600–700 нм) и дальним красным (700–800 нм) светом.
Поскольку красный и далеко красный свет имеют большую длину волны, они менее энергичны, чем синий. В сочетании с глубоким влиянием фитохромов, индуцированных красным, на морфогенез растений, для развития растений требуется относительно больше красного и далеко-красного света.
Две формы фитохрома — Pfr и Pr — играют важную роль в этом процессе. Поскольку красный и далеко-красный свет присутствуют на солнце, растения в природе почти всегда содержат как фитохромы Pfr, так и Pr. Растение ощущает своё окружение по соотношению между этими двумя формами; это называется фотостационарным состоянием фитохрома (PSS).
Фитохром Pr имеет пик поглощения света на длине волны 670 нм. Когда Pr поглощает красный свет, он преобразуется в форму Pfr. Форма Pfr действует наоборот — когда она поглощает дальний красный свет на пике 730 нм, она превращается в форму Pr. Однако, поскольку молекулы Pfr также могут поглощать красный свет, некоторые молекулы Pfr преобразуются обратно в Pr. Из-за этого явления не существует линейной зависимости между PSS и отношением красного к дальнему красному. Например, когда отношение красного к дальнему красному свету превышает два, реакция PSS практически не отсутствует, и развитие растений не затронуто. Поэтому лучше говорить о PSS, чем о соотношении красного и дальнего красного света.
Количество Pr и Pfr указывает растению, какой свет оно получает. Когда присутствует много Pr, это означает, что растение получает больше дальнего красного света, чем красного. Когда красного света меньше, противоположное преобразование (с Pr в Pfr) затрудняется, то есть Pr становится относительно больше.
Поскольку дально-красный свет в основном отражается от поверхности листьев, растение получает (относительно) больше этого света, когда теснится рядом с соседними растениями. Чтобы избежать тени, растение выращивает более длинные стебли, чтобы ловить больше света.
В условиях, где многие растения растут близко друг к другу, весь красный солнечный свет используется для процесса фотосинтеза (от 400 до 700 нм), и большая часть дальнего красного света отражается растениями (>700 нм). Большинство растений, особенно тени, в таких случаях получают больше далекого красного света, чем красного. В результате Pr увеличивается, и когда это происходит, растение чувствует, что ему нужно больше света для фотосинтеза, и запускается удлинение стебля (см. рисунок 3). В результате растения становятся более высокими с большим расстоянием между межузлами и более тонким стеблем. Это яркий пример реакции избегания тени, когда растения стремятся захватить больше света для выживания.
Более высокие растения могут поглощать больше красного света, что увеличивает количество форм Pfr. Это вызовет большее ветвление, сокращение расстояний между межузлами и уменьшение вертикального роста, чтобы максимизировать поглощение света во время фотосинтеза. В результате растения тратят меньше энергии на рост как можно выше и больше ресурсов направляют на производство семян и расширение корневой системы.
Влияние спектра света на цветение
Цветение также зависит от форм Pr и Pfr. Длительность времени, в течение которого Pfr является доминирующим фитохромом, вызывает цветение растения. По сути, уровни Pfr указывают растению, сколько длится ночь (фотопериодизм). С заходом солнца количество дальнего красного света превышает количество красного света. В темноте ночи формы Pfr постепенно превращаются обратно в Pr. Долгая ночь означает, что для этого преобразования остаётся больше времени. Вследствие этого в конце ночного периода концентрация Pfr низкая, что вызывает цветение к растений короткого дня.
Низкое соотношение красного и дальнего красного и, соответственно, ограниченное количество красного света в начале ночи очень важно для цветения растений короткого дня. Исследования, проведённые на трёх растениях короткого дня — хризантеме, георгины и африканской бархатцы — показывают, что когда ночь прерывается красной вспышкой, вызывающей высокий соотношение красного и далеко-красного, цветение резко снижается. Также было сделано заключение, что дальний красный свет сам по себе не регулирует цветение. Равная или более высокая доля дальнего красного света улучшит цветение для короткодневного цветения.
Ограниченное влияние зелёного света (500–600 нм) на развитие растений
Часто предполагается, что только синий и красный свет помогают растениям расти и развиваться, но это не совсем так. Хотя большая часть зелёного света отражается от поверхности растения (поэтому мы, люди, видим его зелёным), сам зелёный свет тоже может быть полезен для растения. Сочетание различных цветов света может привести к более высокому фотосинтезу, чем сумма его частей. Исследования, проведённые на салате, также показывают, что рост и биомасса растений увеличивались при добавлении 24% зелёного света на красно-синий светодиод, при сохранении равных уровней PAR (150 мкмоль/м)2/s) между двумя объектами. Это указывает на то, что даже зелёный свет может положительно влиять на рост растений.
Ультрафиолетовый свет (300–400 нм)
Ультрафиолетовый (УФ) свет также влияет на растения, вызывая компактный рост, короткие межузлы и мелкие, толстые листья. Однако слишком большое количество ультрафиолетового света вредно для растений, так как негативно влияет на ДНК и мембраны растения. Фотосинтез может затрудняться из-за чрезмерного количества ультрафиолетового света. Исследования показывают, что это происходит при УФ-значениях выше 4 кДж/м2/день.
Заключение
Это возвращает нас к общему вопросу: «Что делает световой спектр хорошим для роста?» Довольно сложно дать общий ответ на этот вопрос, так как он сильно зависит от типа растения и требований к выращиванию. Для «нормального» развития растений рекомендуются следующие характеристики:
• Большинству растений требуется минимальное количество 30–50 ммоль/м2/s фотосинтетический свет, чтобы оставаться живым
• Требуется минимальное количество синего света, которое варьируется от 5 до 30 ммоль/м2/s
• Требуется немного большая часть красного и далеко-красного света по сравнению с синим
• Баланс между красным и дальним красным светом: желательно соотношение красного и дальнего красного света менее 2
• Ограниченное количество ультрафиолетового света — менее 4 кДж/м.2/день
Также помните, что:
• Больше синего света приведёт к более коротким стеблям и толще листьям
• Слишком большое количество дальнего красного света или неравномерный баланс с красным светом приведут к растянию растений
• Низкое соотношение красного и дальнего красного цвета и, соответственно, ограниченное количество красного света в начале ночи важно для цветения короткодневного цветения
• Дальний красный свет сам по себе не регулирует цветение.
• Зелёный свет полезен для фотосинтеза, хотя не влияет на цветение или развитие растений
Следующий шаг — обеспечить оптимальный спектр освещения для вашей ситуации. Если солнечного света недостаточно, это можно сделать, выбрав хорошую лампу для роста. Появление светодиодов (LED) в производстве растений, о чём вы можете прочитать больше в нашей другой статье, облегчает оптимизацию спектра света, чем когда-либо.
Анализаторы фотосинтеза, хлорофилла и освещенности у нас на сайте по ссылке…
