Światło jest podstawowym czynnikiem środowiskowym dla wzrostu i rozwoju roślin. Jest nie tylko podstawowym źródłem energii do fotosyntezy, ale także ważnym regulatorem wzrostu i rozwoju roślin. Wzrost i rozwój roślin są ograniczone nie tylko ilością światła lub natężeniem światła (gęstość strumienia fotonów, gęstość strumienia fotonów, PFD), ale także jakością światła, tj. różnymi długościami fal światła i promieniowania oraz różnym stosunkiem ich składu.
Widmo słoneczne można z grubsza podzielić na promieniowanie ultrafioletowe (ultrafiolet, 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="">
Rośliny mogą wykrywać subtelne zmiany w jakości, intensywności światła, długości światła i kierunku w środowisku wzrostu oraz inicjować zmiany fizjologiczne i morfologiczne niezbędne do przetrwania w tym środowisku. Światło niebieskie, czerwone i dalekie czerwone odgrywają kluczową rolę w kontrolowaniu fotomorfogenezy roślin. Fotoreceptory (fitochrom, Phy), kryptochrom (Cry) i fotoreceptory (fototropina, Phot) odbierają sygnały świetlne i indukują wzrost i rozwój roślin poprzez transdukcję sygnału.
Stosowane tu określenie „światło monochromatyczne” odnosi się do światła w określonym zakresie długości fal. Zakres długości fal tego samego światła monochromatycznego używanego w różnych eksperymentach nie jest całkowicie spójny, a inne światła monochromatyczne o podobnej długości fali często nakładają się na siebie w różnym stopniu, zwłaszcza przed pojawieniem się monochromatycznego źródła światła LED. W ten sposób naturalnie będą różne, a nawet sprzeczne wyniki.
Światło czerwone (R) hamuje wydłużenie międzywęzłów, sprzyja rozgałęzianiu i krzewieniu bocznemu, opóźnia różnicowanie kwiatów oraz zwiększa ilość antocyjanów, chlorofilu i karotenoidów. Czerwone światło może powodować pozytywny ruch światła w korzeniach Arabidopsis. Czerwone światło pozytywnie wpływa na odporność roślin na stresy biotyczne i abiotyczne.
Dalekie czerwone światło (FR) może w wielu przypadkach przeciwdziałać efektowi czerwonego światła. Niski stosunek R/FR powoduje zmniejszenie zdolności fotosyntetycznej fasoli. W komorze wzrostu jako główne źródło światła wykorzystywana jest biała świetlówka, a promieniowanie dalekiej czerwieni (szczyt emisji 734 nm) jest uzupełniane diodami LED w celu zmniejszenia zawartości antocyjanów, karotenoidów i chlorofilu oraz świeżej masy, wytwarza się suchą masę, długość łodygi, długość liścia i liść. Szerokość jest zwiększona. Wpływ suplementacji FR na wzrost może wynikać ze zwiększonej absorpcji światła ze względu na zwiększoną powierzchnię liści. Arabidopsis thaliana uprawiane w warunkach niskiego R/FR były większe i grubsze niż te uprawiane w warunkach wysokiego R/FR, z dużą biomasą i silną zdolnością adaptacji do niskich temperatur. Różne stosunki R/FR mogą również zmieniać tolerancję roślin na sól.
Ogólnie rzecz biorąc, zwiększenie udziału światła niebieskiego w świetle białym może skrócić międzywęźla, zmniejszyć powierzchnię liści, zmniejszyć względne tempo wzrostu i zwiększyć stosunek azotu do węgla (N/C).
Wysoka synteza chlorofilu roślinnego i tworzenie chloroplastów, a także chloroplasty o wysokim stosunku chlorofilu a/b i niskim poziomie karotenoidów wymagają niebieskiego światła. Pod czerwonym światłem tempo fotosyntezy komórek glonów stopniowo spadało, a tempo fotosyntezy szybko powróciło po przejściu na niebieskie światło lub dodaniu trochę niebieskiego światła przy ciągłym czerwonym świetle. Gdy ciemnorosnące komórki tytoniu przeniesiono na ciągłe światło niebieskie na 3 dni, całkowita ilość i zawartość chlorofilu w rubulozie-1, 5-karboksylazie/oksygenazie bisfosforanowej (Rubisco) gwałtownie wzrosła. Zgodnie z tym, sucha masa komórek w objętości roztworu hodowli jednostkowej również gwałtownie wzrasta, podczas gdy wzrasta bardzo powoli przy ciągłym czerwonym świetle.
Oczywiście do fotosyntezy i wzrostu roślin samo światło czerwone nie wystarczy. Pszenica może zakończyć swój cykl życia pod pojedynczym źródłem czerwonych diod LED, ale aby uzyskać wysokie rośliny i dużą liczbę nasion, należy dodać odpowiednią ilość niebieskiego światła (Tabela 1). Plon sałaty, szpinaku i rzodkiewki uprawianych pod pojedynczym światłem czerwonym był niższy niż roślin uprawianych pod kombinacją czerwonego i niebieskiego, natomiast plon roślin uprawianych pod kombinacją czerwonego i niebieskiego z odpowiednim światłem niebieskim był porównywalny z roślin uprawianych pod chłodnymi, białymi lampami fluorescencyjnymi. Podobnie Arabidopsis thaliana może wytwarzać nasiona w pojedynczym czerwonym świetle, ale rośnie w połączeniu czerwonego i niebieskiego światła, gdy proporcja światła niebieskiego spada (10 do 1 procent) w porównaniu z roślinami hodowanymi pod zimnymi białymi lampami fluorescencyjnymi. Pośpiechowatość roślin, kwitnienie i wyniki były opóźnione. Jednak plon nasion roślin uprawianych w kombinacji światła czerwonego i niebieskiego zawierającego 10 procent światła niebieskiego był tylko o połowę niższy niż w przypadku roślin uprawianych pod zimnymi białymi lampami fluorescencyjnymi. Nadmierne niebieskie światło hamuje wzrost roślin, skraca międzywęźla, zmniejsza rozgałęzienie, zmniejsza powierzchnię liści i zmniejsza całkowitą suchą masę. Rośliny mają znaczne różnice gatunkowe pod względem zapotrzebowania na niebieskie światło.
Należy zauważyć, że chociaż niektóre badania z wykorzystaniem różnych rodzajów źródeł światła wykazały, że różnice w morfologii i wzroście roślin są związane z różnicami w proporcji światła niebieskiego w widmie, wnioski są nadal problematyczne, ponieważ skład nieniebieskiego światło emitowane przez różne rodzaje stosowanych lamp jest różne. Na przykład, chociaż sucha masa roślin soi i sorgo wyhodowanych pod tą samą lampą fluorescencyjną oraz współczynnik fotosyntezy netto na jednostkę powierzchni liścia są znacznie wyższe niż tych uprawianych pod niskociśnieniowymi lampami sodowymi, wyników tych nie można w pełni przypisać niebieskiemu światłu pod niskoprężne lampy sodowe. Brak, obawiam się, że jest to również związane z żółtym i zielonym światłem pod lampą sodową niskoprężną i pomarańczowym światłem czerwonym.
Sucha masa sadzonek pomidorów uprawianych w świetle białym (zawierającym światło czerwone, niebieskie i zielone) była istotnie niższa niż sadzonek uprawianych w świetle czerwonym i niebieskim. Widmowa detekcja zahamowania wzrostu w hodowli tkankowej wykazała, że najbardziej szkodliwą jakością światła było światło zielone z pikiem przy 550 nm. Wysokość rośliny, świeża i sucha masa nagietka uprawianego w świetle zielonego światła wzrosła o 30 do 50 procent w porównaniu z roślinami uprawianymi w świetle o pełnym spektrum. Pełne spektrum światła zielonego wypełnionego światłem powoduje, że rośliny są niskie i suche, a świeża masa jest zmniejszona. Usunięcie zielonego światła wzmacnia kwitnienie nagietka, a uzupełnienie zielonego światła hamuje kwitnienie goździka i sałaty.
Istnieją jednak również doniesienia o promowaniu wzrostu przez zielone światło. Kim i in. doszli do wniosku, że zielone światło uzupełnione czerwono-niebieskim światłem (LED) prowadzi do wniosku, że wzrost roślin jest zahamowany, gdy zielone światło przekracza 50 procent, podczas gdy wzrost roślin jest wzmocniony, gdy stosunek zielonego światła jest mniejszy niż 24 procent. Chociaż sucha masa górnej części sałaty jest zwiększona przez zielone światło dodane przez zielone światło fluorescencyjne na tle czerwonego i niebieskiego światła połączonego z diodą LED, wniosek, że dodanie zielonego światła wspomaga wzrost i daje więcej biomasa niż chłodne białe światło jest problematyczne: (1) Sucha masa obserwowanej biomasy to tylko sucha masa części nadziemnej. Jeśli uwzględni się suchą masę podziemnego systemu korzeniowego, wynik może być inny; (2) górna część sałaty uprawianej pod czerwonym, niebieskim i zielonym światłem Rośliny, które rosną znacznie pod zimnymi białymi lampami fluorescencyjnymi, prawdopodobnie będą miały zielone światło (24%) zawarte w lampie trójkolorowej znacznie mniej niż wynik zimnej białej lampy fluorescencyjnej (51 procent), co oznacza, że efekt tłumienia zielonego światła zimnej białej lampy fluorescencyjnej jest większy niż trzy kolory. Wyniki lampy; (3) Szybkość fotosyntezy roślin uprawianych w kombinacji światła czerwonego i niebieskiego jest znacznie wyższa niż w przypadku roślin uprawianych w świetle zielonym, co potwierdza poprzednie spekulacje.
Jednak traktowanie nasion zielonym laserem może sprawić, że rzodkiewki i marchewki będą dwa razy większe niż kontrola. Ciemnozielony puls może przyspieszyć wydłużanie się sadzonek rosnących w ciemności, czyli sprzyjać wydłużeniu łodygi. Traktowanie sadzonek Arabidopsis thaliana pojedynczym impulsem zielonego światła (525 nm ± 16 nm) (11,1 μmol·m-2·s-1, 9 s) ze źródła LED spowodowało spadek transkryptów plastydów oraz wzrost tempa wzrostu łodygi.
Na podstawie danych z ostatnich 50 lat badań fotobiologii roślin omówiono rolę zielonego światła w rozwoju roślin, kwitnieniu, otwarciu aparatów szparkowych, wzroście łodygi, ekspresji genów chloroplastów i regulacji wzrostu roślin. Uważa się, że system percepcji zielonego światła jest w harmonii z czujnikami czerwonym i niebieskim. Reguluj wzrost i rozwój roślin. Zauważ, że w tym przeglądzie zielone światło (500~600nm) zostało rozszerzone na żółtą część widma (580~600nm).
Żółte światło (580~600nm) hamuje wzrost sałaty. Wyniki zawartości chlorofilu i suchej masy dla różnych proporcji odpowiednio czerwonego, dalekiej czerwieni, niebieskiego, ultrafioletowego i żółtego wskazują, że tylko żółte światło (580 ~ 600 nm) może wyjaśnić różnicę w efektach wzrostu między wysokoprężną lampą sodową a metalohalogenkiem lampa. Oznacza to, że żółte światło hamuje wzrost. Ponadto światło żółte (szczyt przy 595 nm) hamowało wzrost ogórka silniej niż światło zielone (szczyt przy 520 nm).
Niektóre wnioski dotyczące sprzecznych skutków żółtego/zielonego światła mogą wynikać z niespójnego zakresu długości fal światła stosowanych w tych badaniach. Co więcej, ponieważ niektórzy badacze klasyfikują światło od 500 do 600 nm jako światło zielone, niewiele jest literatury na temat wpływu światła żółtego (580-600 nm) na wzrost i rozwój roślin.
Promieniowanie ultrafioletowe zmniejsza powierzchnię liści roślin, hamuje wydłużenie hipokotylu, zmniejsza fotosyntezę i produktywność oraz czyni rośliny podatnymi na atak patogenów, ale może indukować syntezę flawonoidów i mechanizmy obronne. UV-B może zmniejszyć zawartość kwasu askorbinowego i -karotenu, ale może skutecznie promować syntezę antocyjanów. Promieniowanie UV-B skutkuje karłowatym fenotypem rośliny, małymi, grubymi liśćmi, krótkim ogonkiem liściowym, zwiększonymi gałęziami pachowymi i zmianami stosunku korzeni do korony.
Wyniki badań na 16 odmianach ryżu z 7 różnych regionów Chin, Indii, Filipin, Nepalu, Tajlandii, Wietnamu i Sri Lanki w szklarni wykazały, że dodanie UV-B spowodowało wzrost całkowitej biomasy. Odmiany (z których tylko jedna osiągnęła znaczący poziom, ze Sri Lanki), 12 odmian (z których 6 było znaczących) oraz te z wrażliwością na promieniowanie UV-B były istotnie zmniejszone pod względem powierzchni liści i wielkości pędów. Istnieje 6 odmian o podwyższonej zawartości chlorofilu (2 z nich osiągają znaczne poziomy); 5 odmian o istotnie obniżonym współczynniku fotosyntezy liści oraz 1 odmiana o istotnie poprawionej (istotny jest również jej całkowity wzrost biomasy).
Stosunek UV-B/PAR jest ważnym wyznacznikiem odpowiedzi roślin na UV-B. Na przykład promieniowanie UV-B i PAR razem wpływają na morfologię i wydajność olejku mięty, co wymaga wysokiego poziomu niefiltrowanego naturalnego światła.
Należy zauważyć, że badania laboratoryjne efektów UV-B, chociaż przydatne w identyfikacji czynników transkrypcyjnych oraz innych czynników molekularnych i fizjologicznych, wynikają z zastosowania wyższych poziomów UV-B, braku współistnienia UV-A i często niskiego tła PAR, wyniki zwykle nie są mechanicznie ekstrapolowane na środowisko naturalne. W badaniach terenowych zwykle stosuje się lampy UV do podniesienia lub stosowanie filtrów w celu zmniejszenia poziomu UV-B.
