Красный спектр для растений что стимулирует
Красный спектр для растений что стимулирует
Начнем с теории.
Спектр дневного белого света
Из школьного курса физики всем известно, что белый свет состоит из 7 цветов, каждый из семи цветов имеет определенную длину волны (Нм):
фиолетовый синий голубой зеленый желтый оранжевый красный
390—440 440—480 480—510 510—575 575—585 585—620 630—770
Сразу стоит заметить, что для жизни растений просто красный свет делят на простой красный (660 ни) и дальний красный (730 нм). Разницу этих двух важных участков спектра рассмотрим чуть ниже.
Уже вспомнили ответ? Если поверхность предмета отражает синюю часть спектра, а остальные поглощает, то мы будем видеть эту поверхность синей. Так же и с другими цветами.
Фотосинтез растений
Как влияет на фотосинтез спектр света?
Но работает ли это правило красного и синего цвета на первых часах и днях жизни растения?
Данный белок воспринимает ту или иную длины волны света и тем самым принимает команды на действие или на отдых. С помощью фитохрома растение определяет какое сейчас время суток (красный 660 нм и красный 730 нм), когда закат и пора готовится к ночным процессам и т.д. Так же фитохром отвечает за процесс цветения растения.
Т.е. от красного спектра растение не только получает энергию в чистом виде, но и принимает от него команды как действовать в то или иное время суток.
Синий свет в фитолампах
Растение на синий цвет реагирует движением листьев (за солнцем), угнетением излишнего роста растений (поэтому от светодиодных фитоламп растения развиваются в ширину, а не в лишний рст, не вытягиваются). Синий свет стимулирует деление клеток, но при этом не дает растению расти излишне вверх. Именно поэтому в густых лесах растения вытягиваются, а в горах имеют приплюснутую форму.
Выводы для садоводов
Спектры в агрофотонике
Выращивание овощей и фруктов в искусственных условиях не является принципиально новой технологией. Однако, интенсивный рост населения планеты в последние годы приводит к повышению уровня потребления продуктов. Это делает актуальными вопросы повышения производительности и эффективности систем искусственного выращивания растений.
Введение
Производительность всей системы выращивания определяет количественный критерий оценки – например, полезная масса сухого вещества или объем целевого экстракта из листьев/корней. Для качественной оценки можно анализировать химический состав растений и морфология (отклонение формы и размеров стебля/листьев/плода).
Для большинства культур лучший урожай и качество продукции могут быть получены при обеспечении растениям комфортных условий, где все основные физиологические потребности максимально приближены к естественным уровням.
Таким образом, в большинстве практических задач за эталон для сравнения и оценки результатов искусственного выращивания можно брать растение, выращенное в естественных условиях. Естественные условия для конкретной культуры, как правило, соответствуют климату в регионе его изначального происхождения.
Основы
Рассматривая процесс выращивания растений как замкнутую систему, можно выделить следующие основные факторы, влияющие на результат (см. рис. 1):
Оптимальная температура фотосинтеза для большинства растений средней полосы составляет примерно 20—25°С. Например, для подсолнечника повышение температуры в интервале от 9 до 19°С увеличивает интенсивность фотосинтеза в 2,5 раза. [1]
Так, при фотосинтезе за счет энергии света происходит образование органических веществ (углеводов) при участии хлорофилла. Хлорофилл (от греч. χλωρός, «зелёный» и φύλλον, «лист») — зелёный пигмент, окрашивающий хлоропласты растений в зелёный цвет [1].
Таким образом, количество света является важным фактором, влияющим на интенсивность роста растений. [2]
Также на протяжении многих лет эволюции этот процесс адаптировался к суточному циклу “день/ночь”. Днем под воздействием света вода разделяется на кислород и водород, а растение запасает энергию и питательные вещества. Ночью, в темноте углекислый газ под воздействием запасенной энергии соединяется с водородом, образуя молекулы углеводов, т.е. происходит собственно рост культуры.
Таким образом, при искусственном выращивании растений важно обеспечить не только высокую освещенность, но и правильную цикличность включения света, чтобы получить лучший результат.
О спектрах
Современные светодиодные технологии позволяют форматировать сложные спектры освещения растений. Рассмотрим, каким образом спектр влияет на процесс роста.
На рис. 2 детально показаны энергетические спектры поглощения базовых пигментов растения.
Видно, что помимо традиционно упоминаемых пигментов хлорофилла с пиками поглощения в диапазоне 400-500 нм и 650-700 нм, на процессы роста также влияют вспомогательные пигменты из семейства светособирающих фикобилипротеинов.
В некоторых исследованиях спектры поглощения основных пигментов суммируются для формирования “универсального” спектра, форма которого показана на рис. 3.
Спектр эффективности фотосинтеза показан на рис. 4.
Кривая весового коэффициента для фотонов (Photon-weighted) позволяет перевести PPFD в YPF; кривая весового коэффициента энергии (energy-weighted) позволяет сделать то же самое для ФАР, выраженной в ваттах или джоулях.
Рассмотрим подробнее, как влияет на растения излучение в различных участках этого диапазона.
Облучение растений таким излучением имеет негативные последствия, может приводить к гибели клеток и обесцвечиванию листьев/плодов.
Ультрафиолет B (315- 380 нм)
Это излучение не имеет видимого эффекта на растения.
Передозировка ультрафиолетового излучения может быть опасна для листвы, однако малые дозы излучения поглощаются в процессе цветения и созревания плодов и влияют на цвет и биохимический состав (вкус). Как правило, дозы, получаемые растением под воздействием естественного света, достаточны для поддержания этих процессов.
Синий свет (430-450 нм)
Как показано выше, эта часть спектра хорошо поглощается большинством основных пигментов растения. Эта часть спектра может влиять на морфологию растения: размер и форму куста/листьев, длину стебля. Ряд исследований показывает лучшую эффективность синего цвета на раннем этапе развития растения (вегетативная фаза).
Синий свет способствует открытию устьиц, увеличению количества белка, синтезу хлорофилла, делению и функционированию хлоропластов, сдерживанию роста стебля.
Зеленый свет (500-550 нм)
Значительная часть этого диапазона отражается от листьев, однако нельзя недооценивать роль и этого участка спектра на полноценное развитие растений. Так, например зеленое излучение, отражаясь от верхних листьев растения, обладает лучшей проникающей способностью и способствует более равномерному развитию листьев, на нижних уровнях, находящихся в тени более крупных соседей (рис. 5) [5].
Также, управление уровнем зеленого в спектре облучения позволяет контролировать время наступления и длительность фаз прорастания и цветения.
Оранжевый свет (550-610 нм)
С точки зрения рассмотренных выше спектров поглощения хлорофиллов, этот диапазон имеет незначительный уровень отклик. Однако, успешный опыт применения натриевых ламп, излучение которых в основном лежит в этом диапазоне, подтверждает, что фактически растения способны развиваться даже при не оптимальном спектральном составе освещения.
Красный (610-720 нм)
Наиболее эффективный диапазон, с точки зрения количества фотонов, поглощаемых растением в процессе на всех этапах развития.
Красный свет способствует цветению, прорастанию почек, росту стеблевых листьев, опадению листьев, спячке почек, этиоляции и т.д.
Дальний красный (720-1000 нм)
Несмотря на незначительный отклик в спектрах поглощения основных пигментов, дальний красный диапазон выполняет своего рода “сигнальную” функцию – как и в случае с зеленым цветом, корректировка уровня дальнего красного позволяет повлиять на время наступления и длительность фазы цветения и плодоношения.
Инфракрасный (1000 нм и выше)
Все излучение в этом диапазоне конвертируется в тепло, дополнительно влияющее на температуру растения.
Следует помнить, что для естественного солнечного света более 50% энергии излучается именно в инфракрасном диапазоне. Если растение в искусственных условиях облучается только в диапазоне 400-700 нм, то нужно дополнительно предусмотреть запас мощности в системе отопления для поддержания комфортной температуры.
Потребности растения на разных этапах роста
Как было отмечено выше, свет является не только источником энергии, контролирующим фотосинтез. Различные участки спектра воспринимается растением как сигналы, влияющие на многие аспекты роста и развития (прорастания, деэтиоляция) Изменения в развитии растений, связанные со светом являются результатом фотоморфогенеза.
На схеме на рис.6 показаны основные эффекты, стимулируемые различными цветами на протяжении жизненного цикла растения.
Рассмотрим более подробно влияние света на различных этапах
Синтез хлорофилла
Для светолюбивых растений подходит синий свет, для тенелюбивых растений подходит красный свет.
Цветение
Соотношение между длительностью светового периода и периода темноты называется фотопериодом. Общая протяженность суток – 24 часа, однако в зависимости от разной широты и времени года, протяженность дня и ночи неодинаковая. В зависимости от разных климатических условий и места произрастания, фотопериод у разных растений неодинаков. Цветение, опадение листьев, спячка почек – всё это является реакцией растения на изменение фотопериода.
Растения, которые готовы начать цвести, зацветут при наступлении подходящего фотопериода. Количество дней до начала цветения определяется возрастом растения. Чем старше растение, тем оно быстрее зацветет. Под воздействием фотопериода оказываются листья растений. Чувствительность листьев к изменению фотопериода связана с возрастом растения. Чувствительность старых листьев и молодых листьев неодинаковая. Наиболее чувствительными к изменению фотопериода являются растущие листья.
Накопление питательных веществ и рост растений регулируются излучением в красном и дальним красном диапазоне. Размножение определяется, синим светом. Фитохром, содержащийся в листьях, может принимать сигналы красного света и дальнего света. Растение готовое к цветению, зацветет, если последнее излучение будет красным дальним светом.
На рис. 7 показаны спектры поглощения растений при синтезе хлорофилла, фотосинтезе и фотоморфогенезе.
Светодиоды
Современные мощные светодиоды, применяемые в искусственном освещении растений, позволяют сформировать монохромное излучение фактически в любой части спектра, рассмотренной выше.
Примеры спектров светодиодов показаны на рис. 8
Стоит отметить светодиоды с длиной волны 450 нм (“глубокий синий”) и 660 нм (“дальний красный”), как составляющие, совпадающие с пиками поглощения хлорофиллов. Как было отмечено выше, наличие светодиодов пиком излучения в других частях спектра, позволяет дополнительно стимулировать другие участки спектра поглощения. Белые люминофорные светодиоды (серая кривая на рис. 8) имеют в составе своего спектра относительно широкую область излучения люминофора, а также синий пик непоглощенного люминофором излучения синего кристалла.
Комбинация светодиодов различных цветов в одном светильнике с возможностью независимого управления позволяет сформировать фактически любой спектр для конкретной культуры и фазы ее развития.
Примеры спектров, используемых в различных сценариях освещения растений,показаны на рис. 9
Отдельно стоит рассмотреть спектр облучения, получаемый растением, когда на него воздействует одновременно естественное излучение и излучение системы светодиодной досветки.
Предположим. что в светильнике для досветки используются синие и красные светодиоды в соотношении примерно 1:2 (по уровню энергии), для стимуляции хлорофиллов на стадии вегетативного роста.
Пример такого спектра показан на рис. 10
В реальности же на листья растений будет также воздействовать спектр солнечной радиации, и суммарный спектр облучения будет выглядеть следующим образом (рис. 11).
Видно, что в этом случае растение монохромная досветка в сочетании с широкополосным естественны излучением дает спектр, стимулирующий все основные зоны поглощения растений. Результирующий спектр по форме близок к суммарному спектру поглощения всех основных пигментов растения, рассмотренному выше.
Заключение
Подводя итоги данного обзора можно отметить следующее:
Спектральный состав света является важным фактором для продуктивного выращивания культур в искусственных условия, однако, не первичным. Получить прирост урожая за счет оптимизации спектра можно при обеспечении растению достаточного уровня базовых потребностей (температура, вода, CO2, вентиляция). Количество света также является более приоритетным параметром по сравнению с его спектральным составом.
Современные светодиоды позволяют эффективно сформировать излучение в спектральном диапазоне поглощения растений. Причем возможно применение т.н. монохромных светодиодов с различными цветами (длиной волны излучения) и традиционных белых “люминофорных” светодиодов, обеспечивающих равномерное широкополосное излучение.
Наличие в светильнике светодиодов с различными цветами и технологии независимого управления ими позволяет исследовать влияние спектра на эффективность выращивание отдельно взятой культуры в конкретных условиях и выработать оптимальный баланс цветов для лучшей урожайности.
Список литературы
Физиология растений. Н.И. Якушкина. Издательство: «Владос». Год: 2004
Исследования над образованием хлорофилла у растений. Монтеверде Н. А., Любименко В. Н. Известия Императорской Академии наук. VII серия. — СПБ., 1913. — Т. VII, № 17. — С. 1007–1028.
Создание эффективных светодиодных фитосветильников. Cакен Юсупов, Михаил Червинский, Екатерина Ильина, Владимир Смолянский. Полупроводниковая светотехника N6’2013
Contributions of green light to plant growth and development. Wang, Y. & Folta, K. M. Am. J. Bot. 100, 70-78 (2013).
Красный спектр и его влияние на развитие растения
Введение
Восприятие красного спектра
Интенсивность фотосинтеза под красным светом
Нормальное развитие растений требует синергетического подхода в освещении, то есть, задействования всех трех физиологически важных спектров. Каждый из них сильно влияет на развитие организма, что напрямую связано с интенсивностью фотосинтеза. Но красный спектр вносит наибольший вклад в интенсивность протекания фотосинтеза.
Иронично, что при условиях, где в качестве единственного источника света использовался только красный, скорость фотосинтеза оказалась меньше, чем только под синим или зеленом светом.
На чистом красном свету хуже производится хлорофилл, без которого фотосинтез невозможен. Синтез каротиноидов, участвующих в улавливании световой энергии, также снижен.
Ухудшается чувствительность устьиц к свету. Это ведет к несогласованности между интенсивностью освещения и степенью открытости устьичной щели. Как результат: снижается фиксация углекислого газа. Также уменьшается плотность устьиц и их проводимость. Снижается количество фермента Рубиско, с которого непрерывно начинается цикл по фиксации СО2. Все это и приводит к тому, что красный спектр в чистом виде действует на растения как стрессор, подавляя фотосинтез.
Регуляторная роль
Красный спектр регулирует рост и развитие организма с помощью фитохромов. Благодаря им растение воспринимает информацию об окружающих условиях и выбирает соответствующую стратегию для выживания.
Ключевая роль фитохромов в условиях естественного освещения заключается в мониторинге продолжительности светового периода, который вместе с температурой предоставляет растениям важную сезонную информацию. Многие растения используют сезонные сигналы, чтобы вовремя запустить программу цветения и успешно ее пройти. Таким образом красный спектр особенно важен для генеративной стадии фотопериодных растений.
Фитохромы крайне важны в условиях растительного сообщества, где идет непрерывная борьба за ресурсы, в частности, за свет. Красный спектр вызывает удлинение стебля и приводит к апикальному доминированию. То есть такому типу развития, при котором слабо формируются боковые побеги. Ресурсы сконцентрированы на росте верхушки. Параллельно с этим увеличивается площадь листьев с уменьшением их толщины и биомассы. На примере томатов видно, что масса плодов также была меньше в условиях, где красный свет составлял более 90% от общей фотоактивной радиации.
Дальний красный
Фитохромы регистрируют соотношение красного к дальнему красному. И если доля красного уменьшается, значит что-то сверху забирает часть световой энергии. Запускается программа избегания затенения. Это приводит к сильному удлинению стебля, и у растения появляется возможность обогнать в росте соседей-конкурентов. Если такие световые условия сохраняются и дальше, растение делает вывод о том, что соседей перегнать не удалось. После чего запускается другая программа — по ускорению цветения, что позволяет получить семена в неблагоприятных условиях. Таким образом и на практике появляется возможность сократить период до начала цветения, но уже в благоприятных условиях.
Красный спектр ответственен за синтез углеводов. В статье про синий свет был упомянут эксперимент, в котором выращивали кок-сагыз (одуванчик). В нем исследователи пришли к выводу, что освещение с преобладающим красным светом лучше стимулирует синтез сахарозы, то есть углевода. Это впоследствии благоприятно сказывается на производстве растением каучука, основой для которого и служит сахароза. Эти данные подтверждает другой опыт, проведенный на кресс-салате. В исследовании было 2 варианта со светодиодами, где соотношение красного к синему составляло 90:10, 60:40 и контроль с естественным освещением. Больше всего углеводов, 5.5 мг г, накопил салат на варианте с преобладающим красным 90:10. Это в 2 раза больше того, что можно получить при естественном освещении.
Тонкая настройка
Некоторые виды растений нуждаются в световой обработке, чтобы их семена проросли. Интересный эффект дает облучение семян красным и дальним красным светом. Впервые такой опыт был проведен еще в 1952 году Гарри Бортвиком. В этой работе семена салата Гранд-Рапидс обрабатывали чередующимися потоками красного и дальнего красного, после чего была проанализирована всхожесть. Занимательно, что у семян, облученных красным светом последними, было достигнуто почти 100% всхожести.
Заметно иная реакция наблюдалась у семян, обработанных дальним красным в последнюю очередь. Это приводило к гораздо меньшему проценту всхожести. В естественной среде важно правильно оценить окружающие условия. Растение уже на этапе семени делает это постоянно, корректируя программу выживания. Так, при последней обработке дальним красным у организма появляется информация о загущенном фитоценозе, где мало света для нормального развития. Поэтому часть семян в эксперименте отказалась от прорастания в потенциально неблагоприятных условиях.
Гарри Бортвик продемонстрировал, что красный спектр воспринимается растением уже на этапе семян. Команда ученых из Испании в недавнем исследовании пошла дальше. Они также обрабатывали семена красным спектром, но не остановились на этапе прорастания. Семена дыни и огурца после 12 часового замачивания облучались длиной волны в диапазоне 650-670 нм. Варианты отличались продолжительностью световой обработки: 0, 5, 10, 15, 30, 60 мин. После этого семена в течение трех суток оставляли в темноте для предотвращения дополнительного воздействия света.
Обработка красным не повлияла на процент проросших семян дыни. Во всех случаях значения составляли 90-93%. Но биомасса и длина проростков показали значительные различия в сравнении с контролем. Облучение в течение 15 мин дало наибольшие результаты по этим двум параметрам. Масса увеличилась на 43%, а длина на 33% в сравнении с контролем.
Дальний красный спектр и его влияние на развитие растения
Введение
Восприятие дальнего красного света
Ответственность за анализ световых условий лежит на рецепторах фитохромах. Они воспринимают область излучения как в красной, так и дальней красной зонах. Это позволяет рецепторам измерять соотношение красного к дальнему красному и запускать ответные реакции.
Поглощение дальнего красного света (710—800 нм) переводит фитохром в краснопоглощающую форму (Pr), то есть в стадию, где фитохром абсорбирует красное излучение (600-700 нм). Поглощение же обычного красного света переводит его обратно в форму, где фитохром поглощает дальний красный (Pfr). Это динамический процесс.
Форма Pfr при наступлении темноты мигрирует обратно в форму Pr. Так как происходит это медленно, растения используют систему миграции фитохрома для определения продолжительности ночи. Фитохромы в данном случае работают как тумблер, включающий и выключающий биологические процессы в организме.
Интенсивность фотосинтеза
Выше было сказано, что дальний красный не входит в область ФАР и его роль в фотосинтезе относительно других спектров скромна. Здесь стоит уточнить, что несмотря на невысокую эффективность, данный спектр все же способствует выделению кислорода.
В эксперименте эстонских ученых проводились замеры на листьях подсолнечника. Их облучали длинами волн от 650 нм до 790 нм. Начиная с 685 нм эффективность фотосинтеза быстро уменьшалась по мере увеличения доли дальнего красного в спектре. Однако тенденция не была линейной. После 720 нм наблюдался небольшой скачок эффективности, который достиг пика при 745 нм и окончательно упал на 770 нм. Важно заметить, что на пике фотосинтетическая активность составляла 20% от полученных значений при обработке 650нм. Те же результаты были получены при облучении другого растения — фасоли.
Эффект Эмерсона
Дальний красный и морфология стебля
В эксперименте из университета Вагенинген можно наблюдать, как меняется морфология растений томата в зависимости от интенсивности воздействия дальнего красного. Рассаду, возраст которой составлял 15 дней, разбили на группы и поместили в светоизолированные камеры. На протяжении 4 недель растения облучались комбинацией синих (5%) и красных (95%) светодиодов с пиками 450 и 638 нм соответственно. Различия по группам проявлялись в добавлении дальнего красного спектра (730 нм) к основному освещению. В контроле были только красно-синие светодиоды. Также была дополнительная группа, где дальний красный включали на 15 минут в конце светового дня отдельно от основного освещения.
После завершения опыта были получены данные, где прослеживалась четкая корреляция между высотой растения и интенсивностью дальнего красного света. Важно отметить, что это не повлияло на количество листьев.
С большей или меньшей силой дальний красный способствует вытягиванию стебля и на других культурах. В опытах с цветочными растениями бархатцы были выше на 11%, петунии на 22%, калибрахоа на 32%.
Дальний красный и морфология листьев
Регуляторная роль ДК в цветении
В том же эксперименте на томатах сообщается о положительном влиянии дальнего красного на скорость перехода к цветению. После 4 недель роста все растения, обработанные дальним красным, имели по крайней мере две открытые цветочные почки. Напротив, у необработанных растений не было ни одного открытого цветка. Авторы исследования также ссылаются на то, что их данные согласуются с влиянием дальнего красного на время цветения у арабидопсиса.
Еще одним подтверждением положительного влияния ДК на скорость перехода к цветению может послужить реакция бархатцев из упомянутого ранее опыта. Соотношение К:ДК было достаточно низким ( 0,7) и это привело к ускорению появления первых бутонов в среднем на 2 дня. Незначительные, но положительные результаты были также получены на календуле и петунии. Исследователи также обращают внимание на возможную задержку цветения у растений, которые не облучались дальним красным спектром. И в большей степени это касается длиннодневных растений.
Продуктивность под влиянием ДК
Ускорение цветения не единственное, чего удалось добиться благодаря воздействию дальнего красного. У томатов из Вагенингена также сравнивали уровень фотосинтеза между группами. И самый высокий показатель был у варианта с PSS 0.80, что примерно соответствует соотношению К:ДК 3:1. Исследователи отметили связь такого результата с эффектом Эмерсона. И важно то, что синергетический эффект оказался возможен между волнами с пиками в 638 и 720 нм, а не только между 650 и 700 нм, как говорилось ранее.
Благодаря усиленному фотосинтезу и тому, что цветение наступило раньше, плоды сформировали большую массу как в целом, так и по отдельности.