Фотосинтез и продуктивность растений картофеля в условиях различного спектрального облучения

В естественных условиях произрастания растений интенсивность света и его спектральный состав претерпевают значительные изменения. В контролируемых условиях, когда световые параметры можно задавать и регулировать в соответствии с планом эксперимента, повышение эффективности выращивания растений может быть достигнуто за счет создания оптимального светового режима облучения.

В светокультуре источниками света чаще всего служат электрические лампы различных типов. Необходимо, чтобы в их спектре были представлены все области видимого света с преобладанием красных, зеленых, синих и фиолетовых лучей, а также небольшая доля ультрафиолетового и инфракрасного света. В настоящее время наиболее широко используются светильники с высокоэффективными газоразрядными лампами высокого давления — металлогалогенными (МГЛ, максимум излучения в области 450 нм) и натриевыми (ЦНАТ, максимум излучения в области 590 нм) с мощностью 400 и 600 Вт. Однако выращивание растений с использованием газоразрядных ламп связано со значительными энергозатратами и ограниченными спектральными характеристиками излучателей. Решением проблемы может быть использование в светокультуре низкоэнергетических светоизлучающих диодов (СЦ).

Светодиоды могут применяться как дополнительные облучатели, но в перспективе способны полностью заменить традиционные источники освещения при выращивании растений (3, 4), особенно в закрытых культивационных сооружениях. В настоящее время нами разрабатываются новые подходы к получению оздоровленного посадочного материала картофеля при использовании светодиодных источников облучения в условиях аэропоники.

Несмотря на то, что данные об основных закономерностях действия широкополосного красного и синего света (КС и СС) на фотосинтетический аппарат и метаболические процессы в растениях были получены еще в 1960-1980 годы, остается много невыясненных вопросов относительно механизма влияния узкополосных участков КС и СС на базовые составляющие продукционного процесса и фотосинтез. Имеющиеся в научной литературе сведения по изучению эффектов светодиодного облучения касаются первичных стадий работы фотосинтетического аппарата растений или характеризуют влияние СЦ на ростовые процессы.

Нашей целью было изучение роста и развития оздоровленных от фитопатогенов растений картофеля в течение вегетации при использовании светодиодных облучателей, а также исследование активности фотосинтетического аппарата и отдельных звеньев реакции карбоксилирования.

Методика. Эксперименты проводили на растениях, выращиваемых в факторостатных условиях при температуре 18-20 °С и 16-часовом фотопериоде. Оздоровленные миниклубни картофеля сорта Невский высаживали в 5-литровые вегетационные сосуды, наполненные почвенным субстратом, которые помещали под различные источники света. Использовали лампы ДНАТ-600 («Phillips», Нидерланды) и светодиодные облучатели (разработаны во Всероссийском НИИ сельскохозяйственной биотехнологии совместно с ООО «Фокус», Россия; мощность одного СД — 1 Вт) с максимумами излучения 660 + 450 (КС 660 нм + СС 450 нм в соотношении 40:20), а также 630 + 470 (КС 630 нм + СС 470 нм в соотношении 48:24); интенсивность освещения на высоте верхних листьев по вариантам — соответственно 240-260, 260-280 и 130-140 мкмоль фотонов • м-2 • с-1.

Газообмен измеряли с помощью переносного инфракрасного газового анализатора LCPro+ («ADC BioScientific Ltd.», Великобритания), соединенного с листовой камерой-прищепкой (площадь 6,25 см2). Для определения световой зависимости СО2-газообмена листьев последовательно повышали освещенность с 0 до 1200 мкмоль фотонов • м-2 • с-1. Световую кривую аппроксимировали моделью J.L. Priol и P. Chartier. Для построения углекислотных кривых с помощью микропроцессора газоанализатора устанавливали концентрацию углекислоты в воздухе от 0 до 2400 мкмоль СО2*моль-1. Анализ углекислотной кривой СО2-газообмена проводили по модели G.D Farquhar с соавт. в модификации. Модель позволяет определить максимальную скорость карбоксилирования рибулозобис-фосфаткарбоксилазы/оксигеназы (РБФК/О), скорость электронного транспорта при световом насыщении, а также скорость утилизации триозофосфатов, что характеризует доступность неорганического фосфата для цикла Кальвина. При расчете этих параметров, согласно модели, использовали уравнения, отражающие различные этапы лимитирования углекислотной зависимости СО2-газообмена.

Содержание пигментов оценивали после гомогенизации листьев в фарфоровой ступке с добавлением CaCO3 и экстракции пигментов 80 % ацетоном. Поглощение хлорофиллов регистрировали на спектрофотометре Spekol-11 («Carl Zeiss», Германия), расчеты выполняли по Нибому.

В начальный период вегетации определяли накопление биомассы растениями по вариантам опыта. В конце опыта регистрировали количество и массу клубней. Далее представлены среднеарифметические результаты типичного опыта и их стандартные отклонения.

Результаты. Растения, выращиваемые под лампами ДНАТ-600, показали наиболее высокую скорость роста (по накоплению биомассы в надземной части) через 3 нед после начала вегетации (59,5±4,2 г/растение). Под облучателями с СД 630 + 470 и СД 660 + 450 биомасса составила соответственно 66,0±2,4 и 26,6±1,5 г/растение. Под лампами ДНАТ-600 и СД 630 + 470, кроме большего накопления биомассы, растения характеризовались более высокой скоростью роста стебля в высоту, чем в варианте с СД 660 + 470. Для ДНАТ-600 и СД 630 + 470 этот показатель равнялся соответственно 35,0±3,4 и 20,2±2,2 см, тогда как в варианте с СД 660+450 — 14,0±1,3 см.

Следует отметить, что большая скорость роста растений, выращиваемых под светодиодными облучателями СД 630 + 470, по сравнению с таковой в варианте с СД 660 + 450 не была связана со скоростью ассимиляции СО2 как характеристикой активности единицы площади листовой поверхности. Поглощение углекислоты растениями для СД 630 + 470 составляло 6,92±0,20 мкмоль СО2*м-2*с-1. При выращивании под лампами ДНАТ-600 и СД 660 + 450 скорость фотосинтеза была выше — соответственно 10,97±0,34 и 10,20±0,22 мкмоль СО2 • м-2 • с-1. Низкие значения скорости фотосинтеза при облучении СД 630 + 470 обусловливала менее эффективная работа фотосинтетического аппарата. Так, в варианте с СД 630 + 470 квантовая эффективность фотосинтеза и скорость поглощения СО2 при световом насыщении оказались ниже, чем в других вариантах (табл. 1). Анализ углекислотной кривой фотосинтеза, полученной при интенсивности света, соответствующей условиям выращивания растений, показал, что скорость фотосинтеза при насыщающей концентрации СО2 для СД 630 + 470 также была ниже, чем в других вариантах (табл. 2).

1. Параметры световых кривых С02-газообмена листьев оздоровленных растений картофеля сорта Невский, выращенных при искусственном облучении светом разного спектрального состава (X±x)

Параметры световых кривых

2. Параметры аппроксимации кривых С02-газообмена листьев оздоровленных растений картофеля сорта Невский при интенсивности искусственного облучения, соответствующей условиям выращивания (X±x)

Параметры аппроксимации кривых

Наблюдаемые эффекты могли быть связаны с более высоким содержанием хлорофиллов в расчете на единицу сырой биомассы листьев у растений в варианте с СД 660 + 450 (1,550 мг/г) по сравнению с таковым для СД 630 + 470 (1,260 мг/г), а также с высокой скоростью процессов световой стадии фотосинтеза (в частности, электронного транспорта) при облучении СД 660 + 450 и, таким образом, с большей скоростью регенерации рибулозобисфосфата. Тем не менее, высокая активность фотосинтетического аппарата в варианте с СД 660 + 450 не реализовывалась растениями и не приводила к большему накоплению биомассы в надземной части в начальный период выращивания, чем наблюдаемое в варианте с СД 630+470.

Отмеченное несоответствие интенсивности работы фотосинтетического аппарата растений и накопления биомассы в варианте СД 630 + 470 в начальный период выращивания по сравнению с показателями для СД 660 + 450 связано с развитием большего ассимиляционного аппарата в первом случае (площадь листовой поверхности по вариантам различалась в 2,1 раза). Полученные результаты сопоставимы с данными литературы об усиленном формировании ассимиляционной поверхности у растений в условиях более низкой интенсивности света.

Используемые в нашем эксперименте уровни интенсивности света были обусловлены, с одной стороны, техническими характеристиками источников светодиодного излучения, выпускаемых в настоящее время, с другой — необходимостью поддерживать относительно низкую интенсивность облучения в период адаптационного выращивания в аэропонной усановке при помещении в нее растений, выращиваемых in vitro.

Оптимальной для растений картофеля в светокультуре считается интенсивность порядка 200-250 Вт/м2 ФАР (16), что соответствует 8001000 мкмоль фотонов • м-2 • с-1 в области фотосинтетически активной радиации. С целью выявления лимитирующих звеньев в работе фотосинтетического аппарата растений в условиях насыщающей интенсивности света (то есть для характеристики его потенциала) были проанализированы кривые СО2-газообмена растений при 1200 мкмоль фотонов • м-2 • с-1. Как оказалось, низкие значения скорости фотосинтеза при использовании режима СД 630 + 470 связаны с невысокой активностью РБФК/О, а также с ограничениями процессов световой стадии фотосинтеза — электронного транспорта и регенерации РБФ (табл. 3). Так, скорость поглощения СО2 единицей листовой поверхности при световом насыщении и облучении СД 630 + 470 составляла 23,9±1,1, в варианте СД 660 + 450 — 59,7±2,4 мкмоль • м-2 • с-1. Полученные значения объяснимы, поскольку максимумы поглощения пигментов лежат ближе к 660 и 450 нм, характерным для второго СД-облучателя.

3. Параметры аппроксимации кривых С02-газообмена листьев у оздоровленных растений картофеля сорта Невский ранний при насыщающей интенсивности искусственного облучения (X±x)

Параметры аппроксимации кривых


Максимальная скорость поглощения СО2, мкмоль СО2 -м-2 • с-1 Максимальная скорость карбоксилирования, мкмоль СО2 • м-2 • с Эффективность карбоксилирования, мкмоль СО2 • м-2 • с-1 • Па-1 Скорость электронного транспорта, мкмоль • м-2 • с-1 Скорость утилизации триозофосфатов, мкмоль • м-2 • с-1 Скорость темнового выделения СО2, мкмоль СО2 • м-2 • с-1 Углекислотный компенсационный пункт, мкмоль СО2_

П р и м е ч а н и е. Для светодиодов приведены характеристики максимумов излучения соответственно в красной (КС) и синей (СС) областях спектра.

В конце вегетации в условиях светодиодного облучения в режиме 630 + 470 нм масса клубней с одного растения составляла 18,6 г, в режиме 660 + 450 нм — 176,1 г. Под лампами ДНАТ-600 выход клубней был равен 183,6 г. Отмеченное изменение влияния светодиодных облучателей на продукционный процесс в онтогенезе может быть связано с гормональным балансом в растении. По данным литературы (17), в случае преобладания красного света в спектре облучения усиливается накопление гибберелли-нов в надземной части растений, что приводит к увеличению площади листовой поверхности. Последнее важно в начальный период роста, что мы и наблюдали в варианте с СД 630 + 470, где отношение КС/СС составляло 2,09 и площадь поверхности листьев была выше по сравнению таковой для СД 660 + 450 в 2,1 раза. Действие синей составляющей источников облучения (вариант СД 660 + 450 при соотношении КС/СС = 1,43), которое вызывает накопление цитокининов в подземных органах растений, становится важным в конце вегетации, способствуя усилению клубнеобразования.

Итак, полученные результаты свидетельствуют о различном влиянии облучения растений светодиодами и лампами ДНАТ на ростовые процессы и активность фотосинтетического аппарата у картофеля в течение онтогенеза. Высокая скорость поглощения СО2 растениями в варианте с СД 660 + 450 нм в условиях эксперимента, а также при повышенной концентрации углекислоты или насыщающей интенсивности света обусловлена более эффективной работой отдельных звеньев реакции карбокси-лирования и отражает более высокую потенциальную активность фотосинтетического аппарата по сравнению с показателем у растений, выращенных под СД 630 + 470 нм. В конечном итоге урожайность растений под СД 660 + 450 сопоставима с таковой под лампами ДНАТ, что указывает на возможность использования светодиодных облучателей при выращивании растений картофеля в контролируемых условиях аэропоники. Однако отсутствие в спектре облучения других участков видимого света, выполняющих важные регуляторные функции, ограничивает реализацию фотосинтетического потенциала растений. Для оптимизации роста и развития, получения максимального урожая необходимо, чтобы в спектре светодиодных облучателей были представлены все области видимого света с преобладанием красных, зеленых, синих и фиолетовых лучей, а также небольшая доля ультрафиолетового и инфракрасного света. Роль каждого из них в отдельности и в различных сочетаниях предстоит исследовать в дальнейших экспериментах.

Ю.Ц. МАРТИРОСЯН1, М.Н. ПОЛЯКОВА1, Т.А. ДИЛОВАРОВА1, А.А. КОСОБРЮХОВ