Значение ультрафиолета для растений

Значение ультрафиолета для растений

Зачем нужен растениям и животным ультрафиолет

Солнечный свет является одним из ключевых факторов поддержания жизни на Земле. Однако Солнце – это не только видимый свет и тепло, но и лежащие за пределами видимого человеческим глазом диапазона электромагнитного излучения — ультрафиолетовые лучи, которые способны оказывать воздействие на все живые организмы, включая растения, животных и даже человека.

Принцип воздействия ультрафиолета на растения

Отвечая на вопрос о том, нужен ли ультрафиолет растениям, стоит отметить, что, как и видимый человеку солнечный свет, ультрафиолет имеет различную длину волны: от 180 до 395 нанометров. Так, называемый короткий УФ свет (180-280 нм) вреден для клеток любых живых организмов, поскольку способен вызывать структурные изменения в их клетках и ДНК. И растения в данном случае не являются исключением. Но такой ультрафиолет не долетает с солнечными лучами до поверхности земли, задерживаясь в верхних слоях атмосферы, выступающих в качестве защиты от жесткого УФ излучения.

Что же касается средне- и длинноволнового UV излучения, то вмести с видимым красным и синим цветом он является одним из основных катализаторов процесса фотосинтеза в клетках растений. Так, СУФ (280-320 нм) оказывает влияние на рост растений. Под его воздействием они вытягиваются, начинают вырабатывать некоторые витамины и становятся устойчивыми к перепадам температур. Что же касается длинноволновых ультрафиолетовых лучей, то его польза для растений обусловлена самым непосредственным участием в процессе фотосинтеза. Кроме того, такие лучи способствуют более раннему цветению растений.

Именно поэтому на сегодняшний день в сельском хозяйстве активно используются специализированные ультрафиолетовые лампы, с помощью которых в условиях недостаточного солнечного дня (ранняя весна и поздняя осень) растения получают необходимую им дозу УФ излучения. Кроме того, такие лампы широко используются в теплицах и зимой, обеспечивая высокую урожайность различных сельскохозяйственных культур.

Также досвечиваение ультрафиолетом может использоваться и в качестве одного из способов ухода за комнатными растениями. Особо полезно использование ультрафиолетовых led ламп для светолюбивых растений в зимнее время года. Достаточно всего лишь установить такую лампу над окном и регулярно облучать с ее помощью стоящие на подоконнике растения, чтобы они хорошо перенесли недостаток солнечного света.

Однако, как и видимый свет, ультрафиолет полезен для растений только в умеренном количестве. Вред чрезмерного нахождения под ультрафиолетом может выражаться в преждевременном увядании растений, малой урожайности и даже в отсутствии роста. При этом различные сельскохозяйственные культуры нуждаются я разных дозах UV излучения, что должно учитываться при их выращивании и селекции.

В ассортименте нашего интернет-магазина представлен широкий выбор ультрафиолетовых ламп и светильников для облучения комнатных и сельскохозяйственных растений, предназначенных для бытового и промышленного использования. Все световые приборы изготовлены на базе высококачественных светодиодов и комплектующих, а их стоимость будет выгодна для каждого покупателя.

Источник



Спектры в агрофотонике

Выращивание овощей и фруктов в искусственных условиях не является принципиально новой технологией. Однако, интенсивный рост населения планеты в последние годы приводит к повышению уровня потребления продуктов. Это делает актуальными вопросы повышения производительности и эффективности систем искусственного выращивания растений.

Введение

Производительность всей системы выращивания определяет количественный критерий оценки – например, полезная масса сухого вещества или объем целевого экстракта из листьев/корней. Для качественной оценки можно анализировать химический состав растений и морфология (отклонение формы и размеров стебля/листьев/плода).

Для большинства культур лучший урожай и качество продукции могут быть получены при обеспечении растениям комфортных условий, где все основные физиологические потребности максимально приближены к естественным уровням.

Таким образом, в большинстве практических задач за эталон для сравнения и оценки результатов искусственного выращивания можно брать растение, выращенное в естественных условиях. Естественные условия для конкретной культуры, как правило, соответствуют климату в регионе его изначального происхождения.

Основы

Рассматривая процесс выращивания растений как замкнутую систему, можно выделить следующие основные факторы, влияющие на результат (см. рис. 1):

— солнечный свет, основной источник энергии
— содержание диоксид углерода (СО2) в воздухе (углерод — основной элемент, используемый для формирования новых клеток)
— вода, в основном, как источник кислорода, входящего в ее состав, необходимого для реакции фотосинтеза
— температура окружающего воздуха.

спектр фитолампы

Оптимальная температура фотосинтеза для большинства растений средней полосы составляет примерно 20—25°С. Например, для подсолнечника повышение температуры в интервале от 9 до 19°С увеличивает интенсивность фотосинтеза в 2,5 раза. [1]

Так, при фотосинтезе за счет энергии света происходит образование органических веществ (углеводов) при участии хлорофилла. Хлорофилл (от греч. χλωρός, «зелёный» и φύλλον, «лист») — зелёный пигмент, окрашивающий хлоропласты растений в зелёный цвет [1].

Таким образом, количество света является важным фактором, влияющим на интенсивность роста растений. [2]

Также на протяжении многих лет эволюции этот процесс адаптировался к суточному циклу “день/ночь”. Днем под воздействием света вода разделяется на кислород и водород, а растение запасает энергию и питательные вещества. Ночью, в темноте углекислый газ под воздействием запасенной энергии соединяется с водородом, образуя молекулы углеводов, т.е. происходит собственно рост культуры.

Таким образом, при искусственном выращивании растений важно обеспечить не только высокую освещенность, но и правильную цикличность включения света, чтобы получить лучший результат.

О спектрах

Современные светодиодные технологии позволяют форматировать сложные спектры освещения растений. Рассмотрим, каким образом спектр влияет на процесс роста.

На рис. 2 детально показаны энергетические спектры поглощения базовых пигментов растения.

Рисунок 2.png

Видно, что помимо традиционно упоминаемых пигментов хлорофилла с пиками поглощения в диапазоне 400-500 нм и 650-700 нм, на процессы роста также влияют вспомогательные пигменты из семейства светособирающих фикобилипротеинов.

Читайте также:  Свекла как лекарственное растение

В некоторых исследованиях спектры поглощения основных пигментов суммируются для формирования “универсального” спектра, форма которого показана на рис. 3.

Рисунок 3.png

Для количественной оценки светового воздействия на растения используется фотосинтетически активная радиация (ФАР). В англоязычной литературе — Photosynthetic Photon Flux (PPF). Поток ФАР/PPF измеряется как число фотонов, излучаемых источником света, которые могут быть поглощены растением при фотосинтезе (диапазон длин волн от 400 до 700 нм).

Величина PPF рассчитывается без учета неравномерного поглощения растением различных энергии различных длин волн. Поэтому в дополнение к PPF иногда используется величина YPF – Yield Photon Flux — т.н. усваиваемый растением поток фотонов. Для расчета YPF используется взвешенное значение ФАР и спектр эффективности фотосинтеза как весовые коэффициенты.

Спектр эффективности фотосинтеза показан на рис. 4.

Рисунок 4.png

Кривая весового коэффициента для фотонов (Photon-weighted) позволяет перевести PPFD в YPF; кривая весового коэффициента энергии (energy-weighted) позволяет сделать то же самое для ФАР, выраженной в ваттах или джоулях.

Рассмотрим подробнее, как влияет на растения излучение в различных участках этого диапазона.

Ультрафиолет C (280 — 315 нм)

Облучение растений таким излучением имеет негативные последствия, может приводить к гибели клеток и обесцвечиванию листьев/плодов.

Ультрафиолет B (315- 380 нм)

Это излучение не имеет видимого эффекта на растения.

Ультрафиолет A (380 — 430 нм)

Передозировка ультрафиолетового излучения может быть опасна для листвы, однако малые дозы излучения поглощаются в процессе цветения и созревания плодов и влияют на цвет и биохимический состав (вкус). Как правило, дозы, получаемые растением под воздействием естественного света, достаточны для поддержания этих процессов.

Синий свет (430-450 нм)

Как показано выше, эта часть спектра хорошо поглощается большинством основных пигментов растения. Эта часть спектра может влиять на морфологию растения: размер и форму куста/листьев, длину стебля. Ряд исследований показывает лучшую эффективность синего цвета на раннем этапе развития растения (вегетативная фаза).
Синий свет способствует открытию устьиц, увеличению количества белка, синтезу хлорофилла, делению и функционированию хлоропластов, сдерживанию роста стебля.

Зеленый свет (500-550 нм)

Значительная часть этого диапазона отражается от листьев, однако нельзя недооценивать роль и этого участка спектра на полноценное развитие растений. Так, например зеленое излучение, отражаясь от верхних листьев растения, обладает лучшей проникающей способностью и способствует более равномерному развитию листьев, на нижних уровнях, находящихся в тени более крупных соседей (рис. 5) [5].

Рисунок 5.png

Также, управление уровнем зеленого в спектре облучения позволяет контролировать время наступления и длительность фаз прорастания и цветения.

Оранжевый свет (550-610 нм)

С точки зрения рассмотренных выше спектров поглощения хлорофиллов, этот диапазон имеет незначительный уровень отклик. Однако, успешный опыт применения натриевых ламп, излучение которых в основном лежит в этом диапазоне, подтверждает, что фактически растения способны развиваться даже при не оптимальном спектральном составе освещения.

Красный (610-720 нм)

Наиболее эффективный диапазон, с точки зрения количества фотонов, поглощаемых растением в процессе на всех этапах развития.
Красный свет способствует цветению, прорастанию почек, росту стеблевых листьев, опадению листьев, спячке почек, этиоляции и т.д.

Дальний красный (720-1000 нм)

Несмотря на незначительный отклик в спектрах поглощения основных пигментов, дальний красный диапазон выполняет своего рода “сигнальную” функцию – как и в случае с зеленым цветом, корректировка уровня дальнего красного позволяет повлиять на время наступления и длительность фазы цветения и плодоношения.

Инфракрасный (1000 нм и выше)

Все излучение в этом диапазоне конвертируется в тепло, дополнительно влияющее на температуру растения.

Следует помнить, что для естественного солнечного света более 50% энергии излучается именно в инфракрасном диапазоне. Если растение в искусственных условиях облучается только в диапазоне 400-700 нм, то нужно дополнительно предусмотреть запас мощности в системе отопления для поддержания комфортной температуры.

Потребности растения на разных этапах роста

Как было отмечено выше, свет является не только источником энергии, контролирующим фотосинтез. Различные участки спектра воспринимается растением как сигналы, влияющие на многие аспекты роста и развития (прорастания, деэтиоляция) Изменения в развитии растений, связанные со светом являются результатом фотоморфогенеза.

На схеме на рис.6 показаны основные эффекты, стимулируемые различными цветами на протяжении жизненного цикла растения.

Рисунок 6.png

Рассмотрим более подробно влияние света на различных этапах

Синтез хлорофилла

Самое большое количество хлорофилла вырабатывается при синем свете, меньшее – при белом и красном, самое меньшее — при зеленом свете и в тени. При разном свете, соотношение хлорофилла A и B также не одинаковое. Самая большая разница в соотношении А и B при желтом и синем свете. Красный свет способствует большой выработке хлорофилла типа A.

Для светолюбивых растений подходит синий свет, для тенелюбивых растений подходит красный свет.

Цветение

Соотношение между длительностью светового периода и периода темноты называется фотопериодом. Общая протяженность суток – 24 часа, однако в зависимости от разной широты и времени года, протяженность дня и ночи неодинаковая. В зависимости от разных климатических условий и места произрастания, фотопериод у разных растений неодинаков. Цветение, опадение листьев, спячка почек – всё это является реакцией растения на изменение фотопериода.

Растения, которые готовы начать цвести, зацветут при наступлении подходящего фотопериода. Количество дней до начала цветения определяется возрастом растения. Чем старше растение, тем оно быстрее зацветет. Под воздействием фотопериода оказываются листья растений. Чувствительность листьев к изменению фотопериода связана с возрастом растения. Чувствительность старых листьев и молодых листьев неодинаковая. Наиболее чувствительными к изменению фотопериода являются растущие листья.

Читайте также:  Растение алоэ народная медицина

Накопление питательных веществ и рост растений регулируются излучением в красном и дальним красном диапазоне. Размножение определяется, синим светом. Фитохром, содержащийся в листьях, может принимать сигналы красного света и дальнего света. Растение готовое к цветению, зацветет, если последнее излучение будет красным дальним светом.

На рис. 7 показаны спектры поглощения растений при синтезе хлорофилла, фотосинтезе и фотоморфогенезе.

Рисунок 7.png

Светодиоды

Современные мощные светодиоды, применяемые в искусственном освещении растений, позволяют сформировать монохромное излучение фактически в любой части спектра, рассмотренной выше.
Примеры спектров светодиодов показаны на рис. 8

Рисунок 8.png

Стоит отметить светодиоды с длиной волны 450 нм (“глубокий синий”) и 660 нм (“дальний красный”), как составляющие, совпадающие с пиками поглощения хлорофиллов. Как было отмечено выше, наличие светодиодов пиком излучения в других частях спектра, позволяет дополнительно стимулировать другие участки спектра поглощения. Белые люминофорные светодиоды (серая кривая на рис. 8) имеют в составе своего спектра относительно широкую область излучения люминофора, а также синий пик непоглощенного люминофором излучения синего кристалла.

Комбинация светодиодов различных цветов в одном светильнике с возможностью независимого управления позволяет сформировать фактически любой спектр для конкретной культуры и фазы ее развития.
Примеры спектров, используемых в различных сценариях освещения растений,показаны на рис. 9

спектры светодиодов фитосветильников и фитоламп

Отдельно стоит рассмотреть спектр облучения, получаемый растением, когда на него воздействует одновременно естественное излучение и излучение системы светодиодной досветки.
Предположим. что в светильнике для досветки используются синие и красные светодиоды в соотношении примерно 1:2 (по уровню энергии), для стимуляции хлорофиллов на стадии вегетативного роста.

Пример такого спектра показан на рис. 10

спектры фитосветильников и фитоламп

В реальности же на листья растений будет также воздействовать спектр солнечной радиации, и суммарный спектр облучения будет выглядеть следующим образом (рис. 11).

спектры фитосветильников и фитоламп

Видно, что в этом случае растение монохромная досветка в сочетании с широкополосным естественны излучением дает спектр, стимулирующий все основные зоны поглощения растений. Результирующий спектр по форме близок к суммарному спектру поглощения всех основных пигментов растения, рассмотренному выше.

Заключение

Подводя итоги данного обзора можно отметить следующее:

Спектральный состав света является важным фактором для продуктивного выращивания культур в искусственных условия, однако, не первичным. Получить прирост урожая за счет оптимизации спектра можно при обеспечении растению достаточного уровня базовых потребностей (температура, вода, CO2, вентиляция). Количество света также является более приоритетным параметром по сравнению с его спектральным составом.

Современные светодиоды позволяют эффективно сформировать излучение в спектральном диапазоне поглощения растений. Причем возможно применение т.н. монохромных светодиодов с различными цветами (длиной волны излучения) и традиционных белых “люминофорных” светодиодов, обеспечивающих равномерное широкополосное излучение.

Наличие в светильнике светодиодов с различными цветами и технологии независимого управления ими позволяет исследовать влияние спектра на эффективность выращивание отдельно взятой культуры в конкретных условиях и выработать оптимальный баланс цветов для лучшей урожайности.

Список литературы

Физиология растений. Н.И. Якушкина. Издательство: «Владос». Год: 2004

Исследования над образованием хлорофилла у растений. Монтеверде Н. А., Любименко В. Н. Известия Императорской Академии наук. VII серия. — СПБ., 1913. — Т. VII, № 17. — С. 1007–1028.

Создание эффективных светодиодных фитосветильников. Cакен Юсупов, Михаил Червинский, Екатерина Ильина, Владимир Смолянский. Полупроводниковая светотехника N6’2013

Contributions of green light to plant growth and development. Wang, Y. & Folta, K. M. Am. J. Bot. 100, 70-78 (2013).

Источник

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2020

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ РАСТЕНИЙ

Ультрафиолет — это лучи света с длиной волны от 10 до 400 нм, невидимые человеческим глазом. Лучи 10-200 называются дальним ультрафиолетом, или вакуумным, поскольку активно поглощаются воздухом и не применяются в быту. Ультрафиолет с длинами волн от 200 до 400 называется ближним и условно подразделяется на три категории:

1. Коротковолновое (200-290 нм)

2. Средневолновое (290-350 нм)

3. Длинноволновое (350-400 нм)

Рисунок 1- Ультрафиолет с длинами волн от 200 до 400

Физиологическое действие на любые организмы у них разное. В природе встречается только часть средне и длинноволнового света. Коротковолновое и часть средневолнового излучения поглощаются озоновым слоем атмосферы.

1. Коротковолновое излучение

Обладает высокой энергией и способностью повреждать биомолекулы. Белки активно поглощают излучение с максимумом 220-240нм, нуклеиновые кислоты — 260 нм. Возбуждение от этого поглощения напрямую вызывает изменение или разрыв химических связей, поэтому белки перестают выполнять свои функции, а нуклеиновые кислоты подвергаются мутациям. Также поглощение коротковолнового излучения пигментами может вызывать фотолиз воды с образованием активных свободных радикалов и перекиси водорода. Эти соединения разрушают и окисляют любые органические молекулы, в связи с чем клетка разрушается [1].

Именно коротковолновое излучение применяют в качестве бактерицидного. У человека эта часть спектра вызывает сильные ожоги даже в небольших дозах. Растения так же гибнут от такого излучения за очень небольшое время. Однако, в некоторые работах показана стимуляция развития растений при облучении коротковолновой частью спектра в низких дозах (несколько минут раз в две недели). Причем стимул был существенным и составлял до 50% увеличения роста (для злаковых сельскохозяйственных культур). Однако необходимые дозы такого облучения оказались строго специфичными для каждого вида растений. Небольшое повышение приводило к подавлению роста, а понижение приводило к снятию стимулирующего эффекта.

Можно сделать вывод, что в связи с высокой активностью и опасностью как для человека, так и для растений, в бытовых условиях полезное действие коротковолнового излучения малоприменимо. Однако в промышленности стоит задуматься о его использовании.

Читайте также:  Растение непарноперистый лист белые соцветия

2. Средневолновое излучение

Его можно подразделить на два типа. Первый — 290-310 нм вызывает ожоги у человека. Второй — 310-350 уже относительно безвреден. Для растений средневолновое излучение безопасно в средних кратковременных дозах, однако вызывает угнетение и гибель при постоянном воздействии. Постоянное действие малых доз усиливает пигментацию растений, но стимулирующего действия не наблюдается. При воздействиях порядка 20 минут каждый день эта часть спектра вызывает усиление роста у широкой группы растений.

Таким образом, можно рекомендовать периодическое облучение растений ультрафиолетовыми лучами среднего диапазона, как относительно безопасных и сохраняющих стимулирующее действие. В особенности это справедливо для высокогорных растений. Однако следует помнить, что превышение может даже привести к гибели цветов и ожогам у человека.

3. Длинноволновое излучение

Фактически эта часть спектра безвредна как для растений, так и для человека. Интересно, что стимулирующий эффект кратковременного сильного излучения так же отсутствует. Однако долговременное излучение относительно высокой интенсивности увеличивает рост высокогорных растений.

Его можно рекомендовать для использования в качестве одного из компонентов постоянного света при выращивании при искусственном освещении. Это безвредно, а для некоторых растений (высокогорных) вызывает усиление роста. Так же, ниже описывается его действие на растения “короткого” и “длинного” дня, что может иметь практическое значение.

Еще некоторые общие физиологические моменты действия УФ излучения:

Все его виды вызывают усиленный синтез каротиноидов и антоцианов. Простыми словами — он вызывает покраснение листьев. При длительных воздействиях синтез хлорофилла уменьшается, а при кратковременных (в физиологических дозах) — увеличивается. Так же в разы увеличивается синтез некоторых биологически- активных веществ (алкалоиды, терпены, эфирные масла). Но мы же не коноплю выращиваем, поэтому данное свойство бесполезно.

Многие растения активно фотосинтезируют во всей части УФ спектра. Однако некоторые (например, сосны) — нет.

Ультрафиолет влияет на фотопериодические реакции растений. Так, оптимальные дозы увеличивают количество заложенных цветовых почек. Во многом, дополнительная досветка ультрафиолетом при условиях длинного дня “действует подобно сокращению светового дня и стимулирует цветение короткодневных растений”! Это справедливо для длинноволнового ультрафиолета.

Интересно, что длиннодневные растения, выращиваемые на коротком дне с досветкой ультрафиолетом так же зацветали нормально.

Можно сделать вывод, что длинноволновый ультрафиолет при длительном воздействии сглаживает специфические фотопериодические реакции растений, что может найти применение, например, в культуре короткодневных растений.

Данильченко О.А. Значение ультрафиолетового излучения в жизнедеятельности растений / Д. М. Гродзинский, В. Н. Власов. // Физиология и биохимия культурных растений. –. 2002. – Т. 34, № 3. – С. 187–197.

Источник

Зачем нужен растениям и животным ультрафиолет

Зачем нужен растениям и животным ультрафиолет

Солнечный свет является одним из ключевых факторов поддержания жизни на Земле. Однако Солнце – это не только видимый свет и тепло, но и лежащие за пределами видимого человеческим глазом диапазона электромагнитного излучения — ультрафиолетовые лучи, которые способны оказывать воздействие на все живые организмы, включая растения, животных и даже человека.

Принцип воздействия ультрафиолета на растения

Отвечая на вопрос о том, нужен ли ультрафиолет растениям, стоит отметить, что, как и видимый человеку солнечный свет, ультрафиолет имеет различную длину волны: от 180 до 395 нанометров. Так, называемый короткий УФ свет (180-280 нм) вреден для клеток любых живых организмов, поскольку способен вызывать структурные изменения в их клетках и ДНК. И растения в данном случае не являются исключением. Но такой ультрафиолет не долетает с солнечными лучами до поверхности земли, задерживаясь в верхних слоях атмосферы, выступающих в качестве защиты от жесткого УФ излучения.

Что же касается средне- и длинноволнового UV излучения, то вмести с видимым красным и синим цветом он является одним из основных катализаторов процесса фотосинтеза в клетках растений. Так, СУФ (280-320 нм) оказывает влияние на рост растений. Под его воздействием они вытягиваются, начинают вырабатывать некоторые витамины и становятся устойчивыми к перепадам температур. Что же касается длинноволновых ультрафиолетовых лучей, то его польза для растений обусловлена самым непосредственным участием в процессе фотосинтеза. Кроме того, такие лучи способствуют более раннему цветению растений.

Именно поэтому на сегодняшний день в сельском хозяйстве активно используются специализированные ультрафиолетовые лампы, с помощью которых в условиях недостаточного солнечного дня (ранняя весна и поздняя осень) растения получают необходимую им дозу УФ излучения. Кроме того, такие лампы широко используются в теплицах и зимой, обеспечивая высокую урожайность различных сельскохозяйственных культур.

Также досвечиваение ультрафиолетом может использоваться и в качестве одного из способов ухода за комнатными растениями. Особо полезно использование ультрафиолетовых led ламп для светолюбивых растений в зимнее время года. Достаточно всего лишь установить такую лампу над окном и регулярно облучать с ее помощью стоящие на подоконнике растения, чтобы они хорошо перенесли недостаток солнечного света.

Однако, как и видимый свет, ультрафиолет полезен для растений только в умеренном количестве. Вред чрезмерного нахождения под ультрафиолетом может выражаться в преждевременном увядании растений, малой урожайности и даже в отсутствии роста. При этом различные сельскохозяйственные культуры нуждаются я разных дозах UV излучения, что должно учитываться при их выращивании и селекции.

В ассортименте нашего интернет-магазина представлен широкий выбор ультрафиолетовых ламп и светильников для облучения комнатных и сельскохозяйственных растений, предназначенных для бытового и промышленного использования. Все световые приборы изготовлены на базе высококачественных светодиодов и комплектующих, а их стоимость будет выгодна для каждого покупателя.

Источник