Освещение

- Физиологические потребности растений

Световой сигнал является внешним индуктором, приводящим к экспрессии светозависимых генов, которые включают программы фотоморфогенеза растений. Регуляция таких генов контролируется различными классами фоторецепторов, в том числе фитохромами и,  возможно, фототропинами.

Множественные сигналы системы растительных клеток, включаемые как внешними, так и внутренними факторами, находятся в сложном взаимодействии и имеют различные интермедианы, среди которых могут быть и общие.

Влияние различных спектров света на рост и развитие растений

Для светокультуры растений необходимо знание теоретических основ и методов выращивания растений с помощью искусственного облучения. Источниками излучения в светокультуре растений служат электрические лампы различных типов. Необходимо, чтобы в их спектре были все участки видимого излучения с преобладанием красных, зеленых, синих и фиолетовых лучей, а также небольшая доля длинного ультрафиолетового и короткого инфракрасного света. Известно различное действие красного, синего или зеленого света на морфогенетические и метаболические процессы растений (Клешнин А. Ф., 1959.). В растениях, выращенных под красным или синим светом, обнаруживаются изменения метаболизма углерода, происходящие уже за секундные экспозиции. При этом синий свет активирует включение СО₂ в амино- и органические кислоты, а красный – в углеводы и, в особенности, в крахмал (Ничипорович А. А.,1972). Известно, что присутствие синего света в светопотоке предохраняет аппарат фотосинтеза от преждевременного старения, что благоприятно сказывается на биологическом и хозяйственном урожае (Ничипорович А. А.,1972) . Детальные исследования роли красных лучей в излучении ФАР показывают, что их доля должна обосновываться с учетом видовой специфики растений. Так для обеспечения наибольшей продукционной деятельности томатов предельная доза красных лучей должна быть выше, чем для огурца (Протасова Н. Н.,1982). Приводятся данные, что для выращивания растений в закрытом грунте наиболее эффективным является следующее соотношение отдельных участков спектра в излучении ламп: 25-30 % в синей области (380-490 нм), 20 % в зеленой (490-590 нм) и 50 % – в красной (600-700 нм), которое обеспечивает оптимальные условия развития аппарата фотосинтеза, рост, морфогенез и продуктивность растений (Куперман И. А., 1972).

В настоящее время для освещения рассадных компонентов теплиц и светокультуры растений все более широко используются светильники с высокоэффективными газоразрядными лампами высокого давления (металлогалогеновыми – МГЛ и натриевыми - ДНаТ) мощностью 400-200 Вт. Только оптимальное соотношение спектральных участков ФАР в общем светопотоке, наряду с другими факторами, может определять максимальную фотосинтетическую продуктивность растений.

-     Люминесцентные лампы

Именно в наших универсальных аэропонных установках возможно создание условий жизни растений, близких к идеальным: наличие необходимого количества растворенных питательных веществ в наиболее легкодоступной для растений форме, которые подаются непосредственно к корням; необходимое количество света за счет использования люминесцентных фитоламп, свет которых наиболее приближен к спектру солнечного света, и удобного подъемного механизма, позволяющего регулировать интенсивность освещенности по мере роста растений; регулируемая газовая среда, коррекцию состава которой можно осуществлять благодаря баллонной подаче углекислого газа в нужном для растений количестве.

-     Светодиоды

РЕГУЛЯТОРНОЕ ДЕЙСТВИЕ КРАСНОГО И СИНЕГО СВЕТА НА СО₂

ГАЗООБМЕН И РОСТОВЫЕ ПРОЦЕССЫ КАРТОФЕЛЯ

ПРИ ОБЛУЧЕНИИ РАСТЕНИЙ СВЕТОДИОДАМИ

Regulatory influence of the red and blue light on CO₂ gas exchange and growth of potato under diodes irradiation

Кособрюхов А.А.** *,  Полякова М.Н.*, Диловарова Т. А*, Мартиросян Ю.Ц.*

*ГНУ ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии; ул. Тимирязевская, д.42., индекс, Москва, тел.: (495) 977-59-49, факс: (495) 977-09-47

**Институт фундаментальных проблем биологии РАН, 142290, г. Пущино, Московской области, тел.: (496) 773-29-88, факс: (496) 733-05-32

В последние годы во многих странах и научных учреждениях нашей страны широко ведутся работы по оздоровлению и микроразмножению важнейших сельскохозяйственных культур, редких и ценных видов растений. Разрабатываются установки, позволяющие значительно увеличить выход оздоровленных растений, а также семенного материала. Для ускоренного получения миниклубней картофеля в институте сельскохозяйственной биотехнологии был разработан метод бессубстратной аэропоники,  позволяющий также исследовать оздоровленные растения на разной стадии их развития. При этом, наряду с использованием традиционный источников освещения, проводится изучение действия светодиодных облучателей с максимумами в области красного (λмакс = 630±5 нм, 660±5 нм) и синего (λмакс = 450±5нм и 470±5 нм) света на растения. Действие широкополосного КС и СС на фотосинтетический аппарат изучено, несмотря на это, метаболические процессы в растениях, а в ряде работ, и влияние светодиодного облучения на растения, остается малоизученным. Много невыясненных вопросов касается регуляторного влияния  различных участков КС и СС на фотосинтетический аппарат и морфогенез растений. Последнее затрудняет использование светодиодных источников в практических целях.

В задачу нашей работы входило изучение активности фотосинтетического аппарата, а также ростовых процессов картофеля в начальный период вегетации растений, выращиваемых только при светодиодном облучении. Оздоровленные миниклубни картофеля сорта Невский, полученные в аэропонной установке, высаживали в 5-литровые сосуды, наполненные почвенным субстратом, после чего помещали под различные источники света. Использовали лампы ДНАТ-600 и светодиодные облучатели: КС 660+СС 450 в соотношении 40:20 (1 Вт/1 СД) и КС 630+СС 470 в соотношении 48:24 (1 Вт/1 СД) с уровнями интенсивности света  на высоте верхних листьев: 260-270, 260-270 и 130-135 мкмоль фотонов м^-2с^-1, соответственно.

Более высокое накопление биомассы и скорости ростовых процессов под лампами ДНАТ и СД 630+470 по сравнению с СД 660+450 могло быть обусловлено несколькими причинами: уровнем интенсивности света, спектральным составом источников облучения, работой фотосинтетического аппарата, гормональным балансом в системе целого растения. Определение скорости фотосинтеза по СО₂ газообмену показало, что для растений, выращиваемых под лампами ДНАТ и СД 660+450, поглощение углекислоты единицей листовой поверхности практически не различалось и составляло 10,97±0,34 и 10,20±0,22 мкмоль СО₂ м^-2с^-1. Более низкий уровень интенсивности света под светодиодами 630+470 вызывал уменьшение поглощения углекислоты до 6,92±0,20 мкмоль СО₂ м^-2с^-1. Низкие значения скорости фотосинтеза при облучении СД 630+470 связаны с менее эффективной работой фотосинтетического аппарата. Действительно, потенциальная скорость СО₂ поглощения единицы листовой поверхности, при световом насыщении, составляла для этих растений 23,9±1,1 мкмоль м^-2с^-1, а при облучении светодиодами 660+450 – 59,7±2,4 мкмоль м^-2с^-1. Квантовая эффективность, соответственно, 0,040±0,001 и 0,090±0,001. При уровнях интенсивности света, соответствующих условиям выращивания, максимальная скорость фотосинтеза составляла для СД 630+470 – 24,8±3,6 и для СД 660+450 – 37,9±1,1 мкмоль м^-2с^-1. Для растений, выращенных при СД 630+470, характерны более низкие уровни скорости реакции карбоксилирования, скорости электронного транспорта и использования триозофосфатов в цикле Бенсона-Кальвина. Вместе с тем, накопление биомассы растениями было выше по сравнению с вариантом СД 660+450. Наблюдаемое несоответствие активности фотосинтетического аппарата и скорости ростовых процессов может быть связано с изменением гормонального баланса при изменении соотношения красного и синего света в источниках облучения. Действительно, в варианте со светодиодными источниками, имеющими максимумы излучения в области 660 и 450 нм, это отношение составляло 1,43, а в варианте СД 630+470 – 2,09. По литературным  данным, в случае увеличения красной составляющей в спектре облучения происходит повышение накопления гиббереллинов в надземной части, что приводит к большей скорости нарастания площади листовой поверхности. Последнее важно в начальный период роста растений. В варианте с СД 630+470 площадь листьев была выше по сравнению с СД 660+450 в 2,1 раза. Напротив, действие синей составляющей источников облучения, вызывая накопление цитокининов в подземных органах, становится важным в конце вегетации, способствуя увеличению клубнеобразования у растений. Таким образом, проведенная работа показывает возможность использования светодиодных облучателей при выращивании растений картофеля в контролируемых условиях фитотрона. Последующие исследования должны более детально прояснить соотношение фотосинтетической, метаболитной и гормональной составляющей в продукционном процессе растений, в условиях аэропонного выращивания.