Valo on kasvien kasvun ja kehityksen perusympäristötekijä. Se ei ole vain fotosynteesin perusenergialähde, vaan myös tärkeä kasvien kasvun ja kehityksen säätelijä. Kasvien kasvua ja kehitystä ei rajoita ainoastaan valon määrä tai valon intensiteetti (fotonivuon tiheys, fotonivuon tiheys, PFD), vaan myös valon laatu eli valon ja säteilyn erilaiset aallonpituudet ja niiden erilaiset koostumussuhteet.
Auringon spektri voidaan karkeasti jakaa ultraviolettisäteilyyn (ultravioletti, UV<400nm, including="" uv-a320~400nm;="" uv-b280~320nm;=""><280nm, 100~280nm),="" visible="" light="" or="" photosynthetically="" active="" radiation="" (par,="" 400~700nm,="" including="" blue="" light="" 400~500nm;="" green="" light="" 500~600nm;="" red="" light="" 600~700nm)="" and="" infrared="" radiation="" (700~800nm).="" due="" to="" the="" absorption="" of="" ozone="" in="" the="" stratosphere="" (the="" stratosphere),="" uv-c="" and="" most="" of="" the="" uv-b="" do="" not="" reach="" the="" earth's="" surface.="" the="" intensity="" of="" uv-b="" radiation="" reaching="" the="" ground="" changes="" due="" to="" geographic="" (altitude="" and="" latitude),="" time="" (day="" time,="" seasonal="" variation),="" meteorological="" (cloud="" presence,="" thickness,="" etc.)="" and="" other="" environmental="" factors="" such="" as="" air="">
Kasvit voivat havaita hienovaraisia muutoksia valon laadussa, valon voimakkuudessa, valon pituudessa ja suunnassa kasvuympäristössä ja käynnistää fysiologisia ja morfologisia muutoksia, joita tarvitaan selviytyäkseen tässä ympäristössä. Sinisellä, punaisella valolla ja kaukopunaisella valolla on keskeinen rooli kasvien fotomorfogeneesin säätelyssä. Fotoreseptorit (fytokromi, Phy), kryptokromi (Cry) ja fotoreseptorit (fototropiini, Phot) vastaanottavat valosignaaleja ja indusoivat kasvien kasvua ja kehitystä signaalinsiirron kautta.
Monokromaattinen valo tässä käytettynä viittaa valoon tietyllä aallonpituusalueella. Eri kokeissa käytetty saman monokromaattisen valon aallonpituusalue ei ole täysin yhtenäinen, ja muut aallonpituudeltaan samanlaiset monokromaattiset valot menevät usein päällekkäin eri määrin, varsinkin ennen monokromaattisen LED-valonlähteen ilmestymistä. Tällä tavalla syntyy luonnollisesti erilaisia ja jopa ristiriitaisia tuloksia.
Punainen valo (R) estää nivelten välistä pidentymistä, edistää sivusuunnassa haaroittumista ja kasvamista, hidastaa kukkien erilaistumista ja lisää antosyaanien, klorofyllin ja karotenoidien määrää. Punainen valo voi aiheuttaa positiivista valoliikettä Arabidopsis-juurissa. Punaisella valolla on positiivinen vaikutus kasvien vastustuskykyyn bioottisia ja abioottisia rasituksia vastaan.
Far red light (FR) voi monissa tapauksissa estää punaisen valon vaikutuksen. Alhainen R/FR-suhde johtaa munuaispapujen fotosynteesikapasiteetin laskuun. Kasvukammiossa päävalonlähteenä käytetään valkoista loistelamppua ja kaukopunaista säteilyä (emissiohuippu 734 nm) täydennetään LEDeillä antosyaani-, karotenoidi- ja klorofyllipitoisuuden sekä tuorepainon vähentämiseksi. kuivapaino, varren pituus, lehden pituus ja lehti tehdään. Leveyttä kasvatetaan. Täydentävän FR:n vaikutus kasvuun voi johtua valon absorption lisääntymisestä lisääntyneen lehtipinta-alan vuoksi. Arabidopsis thaliana, jota kasvatettiin alhaisessa R/FR-olosuhteissa, oli suurempi ja paksumpi kuin korkeassa R/FR-olosuhteissa kasvatetut, ja niillä oli suuri biomassa ja vahva kylmäsopeutumiskyky. Erilaiset R/FR-suhteet voivat myös muuttaa kasvien suolansietokykyä.
Yleisesti ottaen sinisen valon osuuden lisääminen valkoisessa valossa voi lyhentää solmuväliä, pienentää lehtien pinta-alaa, vähentää suhteellisia kasvunopeuksia ja lisätä typpi/hiili (N/C) -suhdetta.
Kasvien korkea klorofyllin synteesi ja kloroplastien muodostuminen sekä kloroplastit, joissa on korkea klorofylli-a/b-suhde ja alhaiset karotenoiditasot, vaativat sinistä valoa. Punaisessa valossa leväsolujen fotosynteesinopeus laski vähitellen ja fotosynteesinopeus palautui nopeasti siniseen valoon siirtymisen tai sinistä valoa lisäämisen jälkeen jatkuvassa punaisessa valossa. Kun tummaksi kasvavat tupakkasolut siirrettiin jatkuvaan siniseen valoon 3 vuorokaudeksi, rubuloosin-1, 5-bisfosfaattikarboksylaasi/oksigenaasin (Rubisco) kokonaismäärä ja klorofyllipitoisuus kasvoivat jyrkästi. Tämän mukaisesti myös solujen kuivapaino yksikköviljelyliuoksen tilavuudessa kasvaa jyrkästi, kun taas se kasvaa erittäin hitaasti jatkuvassa punaisessa valossa.
Ilmeisesti vain punainen valo ei riitä kasvien fotosynteesiin ja kasvuun. Vehnä voi suorittaa elinkaarensa yhden punaisen LED-lähteen alla, mutta korkeiden kasvien ja suuren siemenmäärän saamiseksi on lisättävä sopiva määrä sinistä valoa (taulukko 1). Yhdellä punaisella valolla kasvatetun salaatin, pinaatin ja retiisin sato oli pienempi kuin punaisen ja sinisen yhdistelmässä kasvatettujen kasvien sato, kun taas punaisen ja sinisen yhdistelmässä asianmukaisella sinisellä valolla kasvatettujen kasvien sato oli verrattavissa viileiden valkoisten loistelamppujen alla kasvatetuista kasveista. Samoin Arabidopsis thaliana voi tuottaa siemeniä yhden punaisen valon alla, mutta se kasvaa punaisen ja sinisen valon yhdistelmässä, kun sinisen valon osuus laskee (10 prosentista 1 prosenttiin) verrattuna kasveihin, joita kasvatetaan viileän valkoisen loistelamppujen alla. Kasvien pulttaus, kukinta ja tulokset viivästyivät. Punaisen ja sinisen valon yhdistelmässä 10 prosenttia sinistä valoa sisältävien kasvien siemensato oli kuitenkin vain puolet kylmävalkoisten loistelamppujen alla kasvatettujen kasvien siemensato. Liiallinen sininen valo estää kasvien kasvua, lyhentää solmuväliä, vähentää haaroittumista, pienentää lehtien pinta-alaa ja pienentää kokonaiskuivapainoa. Kasveilla on merkittäviä lajieroja sinisen valon tarpeessa.
On huomattava, että vaikka jotkin erityyppisiä valonlähteitä käyttävät tutkimukset ovat osoittaneet, että erot kasvien morfologiassa ja kasvussa liittyvät eroihin sinisen valon osuudessa spektrissä, johtopäätökset ovat silti ongelmallisia, koska ei-sininen koostumus käytettävien erityyppisten lamppujen lähettämä valo on erilainen. Esimerkiksi vaikka samassa valoloistelampussa kasvatettujen soijapapu- ja durrakasvien kuivapaino ja nettofotosynteesinopeus lehtipinta-alayksikköä kohti ovat huomattavasti korkeammat kuin matalapaineisissa natriumlampuissa kasvatettujen kasvien, näitä tuloksia ei voida katsoa kokonaan sinisen valon ansioksi. matalapaineiset natriumlamput. Puute, pelkään, että se liittyy myös matalapaineisen natriumlampun alla olevaan keltaiseen ja vihreään valoon ja oranssiin punaiseen valoon.
Valkoisessa valossa (sisältäen punaista, sinistä ja vihreää valoa) kasvatettujen tomaatintaimien kuivapaino oli merkittävästi pienempi kuin punaisessa ja sinisessä valossa kasvatettujen taimien kuivapaino. Kasvun eston spektraalinen havaitseminen kudosviljelmässä osoitti, että haitallisin valon laatu oli vihreä valo, jonka huippu oli 550 nm:ssä. Vihreässä valossa kasvatetun kehäkukan kasvin korkeus, tuore- ja kuivapaino nousivat 30 prosentista 50 prosenttiin verrattuna täyden spektrin valossa kasvatettuihin kasveihin. Täysspektrin valontäyteinen vihreä valo saa kasvit olemaan lyhyitä ja kuivia, ja tuorepaino vähenee. Vihreän valon poistaminen vahvistaa kehäkukan kukintaa, kun taas vihreän valon lisääminen estää Dianthuksen ja salaatin kukinnan.
Kuitenkin on myös raportteja vihreästä valosta, joka edistää kasvua. Kim et ai. päätteli, että puna-sininen yhdistetty valo (LED) täydentää vihreää valoa johtaa siihen johtopäätökseen, että kasvien kasvu estyy, kun vihreä valo ylittää 50 prosenttia, kun taas kasvien kasvu tehostuu, kun vihreän valon suhde on alle 24 prosenttia. Vaikka salaatin yläosan kuivapainoa lisää vihreän loistevalon lisäämä vihreä valo LEDin tarjoamaan punaiseen ja siniseen yhdistettyyn valotaustaan, päätelmä, että vihreän valon lisääminen tehostaa kasvua ja tuottaa enemmän. biomassa kuin viileä valkoinen valo on ongelmallista: (1) Heidän havaitseman biomassan kuivapaino on vain maanpäällisen osan kuivapaino. Jos maanalaisen juurijärjestelmän kuivapaino otetaan mukaan, tulos voi olla erilainen; (2) punaisen, sinisen ja vihreän valon alla kasvatetun salaatin yläosa Kasveissa, jotka kasvavat merkittävästi kylmän valkoisten loistelamppujen alla, on todennäköisesti kolmivärisen lampun sisältämä vihreä valo (24 prosenttia) paljon vähemmän kuin tulos. viileän valkoisen loistelampun (51 prosenttia), eli viileän valkoisen loistelampun vihreää valoa vaimentava vaikutus on suurempi kuin kolme väriä. lampun tulokset; (3) Punaisen ja sinisen valon yhdistelmässä kasvatettujen kasvien fotosynteesinopeus on huomattavasti korkeampi kuin vihreässä valossa kasvatettujen kasvien fotosynteesinopeus, mikä tukee aikaisempaa spekulaatiota.
Siementen käsitteleminen vihreällä laserilla voi kuitenkin tehdä retiisistä ja porkkanoista kaksi kertaa kontrolliin verrattuna. Himmeä vihreä pulssi voi nopeuttaa pimeässä kasvavien taimien venymistä eli edistää varren pidentymistä. Arabidopsis thaliana -taimien käsittely yhdellä vihreän valon (525 nm ± 16 nm) pulssilla (11,1 μmol·m-2·s-1, 9 s) LED-lähteestä johti plastiditranskriptien vähenemiseen ja varren kasvunopeuden lisääntyminen.
Viimeisen 50 vuoden kasvien fotobiologian tutkimusaineiston pohjalta pohdittiin vihreän valon roolia kasvien kehityksessä, kukinnassa, stomatalissa, varren kasvussa, kloroplastigeenin ilmentymisessä ja kasvien kasvun säätelyssä. Vihreän valon havaitsemisjärjestelmän uskotaan olevan sopusoinnussa punaisen ja sinisen anturien kanssa. Säätelee kasvien kasvua ja kehitystä. Huomaa, että tässä katsauksessa vihreää valoa (500–600 nm) laajennetaan kattamaan spektrin keltainen osa (580–600 nm).
Keltainen valo (580-600 nm) estää salaatin kasvua. Klorofyllipitoisuuden ja kuivapainon tulokset punaisen, kaukopunaisen, sinisen, ultraviolettivalon ja keltaisen valon eri suhteilla osoittavat, että vain keltainen valo (580-600 nm) voi selittää eron korkeapaineisen natriumlampun ja metallihalogenidin kasvuvaikutuksissa. lamppu. Eli keltainen valo estää kasvua. Myös keltainen valo (huippu 595 nm:ssä) esti kurkun kasvua voimakkaammin kuin vihreä valo (huippu 520 nm:ssä).
Jotkut johtopäätökset keltaisen/vihreän valon ristiriitaisista vaikutuksista voivat johtua näissä tutkimuksissa käytetystä valon aallonpituuksien epäjohdonmukaisuudesta. Lisäksi, koska jotkut tutkijat luokittelevat 500–600 nm:n valon vihreäksi valoksi, keltaisen valon (580-600 nm) vaikutuksista kasvien kasvuun ja kehitykseen on vain vähän kirjallisuutta.
Ultraviolettisäteily pienentää kasvin lehtien pinta-alaa, estää hypovarsien pidentymistä, vähentää fotosynteesiä ja tuottavuutta ja tekee kasveista alttiita patogeenien hyökkäyksille, mutta voi indusoida flavonoidisynteesiä ja puolustusmekanismeja. UV-B voi vähentää askorbiinihapon ja -karoteenin pitoisuutta, mutta voi tehokkaasti edistää antosyaanisynteesiä. UV-B-säteily johtaa kääpiökasvin fenotyyppiin, pieniin, paksuihin lehtiin, lyhyisiin lehtilehtiin, lisääntyneisiin kainalohaaroihin ja juuren/kruunun suhteen muutoksiin.
Tutkimustulokset 16 riisilajikkeesta 7 eri alueelta Kiinasta, Intiasta, Filippiineiltä, Nepalista, Thaimaasta, Vietnamista ja Sri Lankasta kasvihuoneessa osoittivat, että UV-B:n lisääminen johti kokonaisbiomassan kasvuun. Lajikkeiden (joista vain yksi saavutti merkittävän tason, Sri Lankasta), 12 lajikkeella (joista 6 oli merkittäviä) ja UV-B-herkkyyden omaavien lajikkeiden lehtipinta-ala ja varsikoko pienenivät merkittävästi. On 6 lajiketta, joilla on lisääntynyt klorofyllipitoisuus (joista 2 saavuttaa merkittävän tason); 5 lajiketta, joiden lehtien fotosynteesinopeus on merkittävästi alentunut, ja 1 lajike, jossa on merkittävästi parantunut (sen kokonaisbiomassa on myös merkittävä) lisääntyminen).
UV-B/PAR-suhde on tärkeä tekijä kasvien vasteessa UV-B:lle. Esimerkiksi UV-B ja PAR yhdessä vaikuttavat mintun morfologiaan ja öljyn saantoon, mikä vaatii paljon suodattamatonta luonnonvaloa.
On huomattava, että vaikka UV-B-vaikutusten laboratoriotutkimukset ovat hyödyllisiä transkriptiotekijöiden ja muiden molekyyli- ja fysiologisten tekijöiden tunnistamisessa, ne johtuvat korkeampien UV-B-tasojen käytöstä, ei samanaikaista UV-A:ta ja usein matala tausta-PAR. tuloksia ei yleensä ekstrapoloida mekaanisesti luonnolliseen ympäristöön. Kenttätutkimuksissa käytetään tyypillisesti UV-lamppuja UV-B-tasojen nostamiseen tai suodattimien avulla.
