Правильное освещение сельскохозяйственных культур в теплице способно увеличить урожайность и пищевую ценность продукции, а также снизить ее стоимость. Однако избыток света может оказаться столь же вредным для растений, как и его нехватка. Ученые Института биологии КарНЦ РАН занимаются исследованием оптимальных световых и темновых циклов для автоматизированных «растительных фабрик».
Во многих странах мира уже сейчас растения выращиваются в специально созданных условиях (освещение, температура, влажность) на так называемых "фабриках растений", а попросту говоря в теплицах.
Как увеличить урожай и снизить энергозатраты? Исследованием оптимальных параметров для производства растительной продукции в закрытых системах занимаются физиологи растений Института биологии Карельского научного центра РАН. В рамках гранта Российского научного фонда № 23-16-00160 группа ученых работает над подбором оптимальных условий освещения для таких автоматизированных комплексов, где не требуется учитывать 24-часовой суточный цикл.
Татьяна Шибаева, ведущий научный сотрудник лаборатории экологической физиологии растений Института биологии КарНЦ РАН, рассказала, что оптимальное освещение растений известно как фактор, способствующий увеличению урожайности. Однако использование света высокой интенсивности оказывается экономически невыгодным.
“Оказалось, что вместо этого для достижения тех же результатов можно увеличить продолжительность освещения, снизив при этом интенсивность. Однако, длительное непрерывное освещение даже при невысокой интенсивности может вызывать у растений стресс. Хотя и его можно обернуть на пользу, так как в ответ на стресс растения начинают вырабатывать антиоксидантные защитные вещества, что повышает пищевую ценность продукции, например, листовых овощей или микрозелени. Кроме того, даже два-три дня круглосуточного освещения приводят к снижению содержания нитратов в растениях, что повышает их биобезопасность”, – объяснила Татьяна Шибаева.
Тем не менее, не все растения способны выдерживать постоянное воздействие света. У некоторых из них может снижаться эффективность фотосинтеза, а определенные виды могут значительно страдать: наблюдаются пожелтения листьев (хлороз) и отмирание тканей.
– Для более глубокого понимания реакции растений на круглосуточное освещение нам было необходимо исследовать механизмы их реакций в естественной среде. Мы задумались, почему при постоянном искусственном освещении растения страдают, в то время как в природных условиях, например, во время полярного дня, когда они получают свет без перерыва более трех месяцев, этого не происходит, — объяснила физиолог.
Исследователи провели несколько экспедиций в Полярно-альпийский ботанический сад-институт КНЦ РАН, где изучили реакцию местных растений, которые веками растут на севере, а также интродуцированных видов, привезенных в Кировск из Гималаев и Балканского полуострова, на естественное круглосуточное освещение и позже на искусственное в климатических камерах.
Измерение устьичной проводимости — степени открытия устьиц — структур, через которые происходит газообмен у растений. В кадре Татьяна Шибаева
и Наталья Шмакова, главный научный сотрудник ПАБСИ КНЦ РАН. Фото: Карельский научный центр РАН.
Измерение устьичной проводимости — это оценка степени открытия устьиц, через которые осуществляется газообмен у растений.
Александра Рубаева, главный агроном лаборатории экологической физиологии растений ИБ КарНЦ РАН, и Наталья Шмакова исследуют уровень фотосинтетических пигментов в листьях растений. Фото: Карельский научный центр РАН.
В ходе исследования были выбраны два вида герани — лесная и гималайская, два вида гравилата — речной и коралловый, а также два вида лапчатки — прямостоячая и темно-кроваво-красная. Пары видов формировались по принципу: один вид из местной флоры и вид того же биологического рода, интродуцированный в условиях Субарктики.
Физиологи выдвинули гипотезу о том, что местные растения в процессе длительной эволюции сумели приспособиться к условиям полярного дня, тогда как интродуцированные виды не имеют таких адаптаций.
Результаты исследования были опубликованы в международном журнале Plants. Выяснено, что у обеих групп растений отсутствуют специфические механизмы защиты от круглосуточного освещения, и защитные реакции имеют общий неспецифический характер. Однако у аборигенных растений наблюдается более активная защита, связанная с выработкой фенольных соединений.
— В климатических камерах при стабильных условиях окружающей среды непрерывный искусственный свет приводит к повреждениям листьев из-за окислительного стресса. Мы пришли к выводу, что основной причиной этого является циркадная асинхрония — несоответствие между внутренними ритмами растения и внешними циклами света и темноты. Это напоминает ускоренное старение, когда в клетках накапливаются необратимые повреждения. В условиях климатических камер при постоянном освещении такие изменения стали заметны уже через две недели, — пояснила Татьяна Шибаева.
В природе растения не страдают от фотоповреждений в период полярного дня, так как их внутренние ритмы регулируются суточными изменениями факторов окружающей среды, таких как интенсивность солнечного излучения, спектральный состав света, температура и влажность воздуха.
Кроме того, спектр солнечного света более оптимален для гармоничного развития растений, чем свет от фитоламп, которые обычно настраиваются на максимизацию фотосинтетической активности.
Еще одна статья карельских исследователей в журнале Plants рассматривает влияние аномальных циклов света и темноты на рост и развитие растений из семейства Solanaceae (паслёновые).
Исследования показали, что удлиненные циклы "свет/темнота" (24/12 ч, 48/24 ч, 96/48 ч, 120/60 ч и 360/0 часов) оказывают влияние на рост, содержание пигментов и антиоксидантный статус растений. Воздействие этих циклов варьировалось в зависимости от вида растений и продолжительности световых/темных периодов. Например, выращивание рассады томатов и перца при режимах 48/24 ч, 96/48 ч и 120/60 ч способствовало увеличению урожайности плодов по сравнению с обычным фотопериодом (16/8 ч).
Исследователи считают, что удлиненные циклы светового и темного периодов могут улучшить эффективность использования света по сравнению с традиционным фотопериодом, что, в свою очередь, может снизить затраты на продукцию. Однако для практического применения необходимо провести более глубокое исследование этого эффекта для различных видов растений или даже сортов.
Источник и фото: Карельский научный центр РАН.