Свет по расписанию

Растениям тоже нужен режим дня

Мы уже давно не удивляемся тому, что в любой сезон в супермаркетах нас встречают полки со свежей зеленью, и не задумываемся над тем, благодаря чему это стало возможно. «Фабрики растений», используя современные технологии, получают продукцию круглогодично прямо в мегаполисах, в непосредственной близости от потребителя. Но представляете, какое количество, скажем, салата, лука, укропа, петрушки и т. д. надо срезать для этого ежедневно?! Увеличение урожайности при сохранении экономической эффективности производства - непростая задача.

В последние годы во всем мире постоянно растет интерес к выращиванию растений либо полностью без дневного света, либо с использованием досветки. Такие режимы начали изучать еще в конце прошлого века, в частности, для создания технологий выращивания в условиях защищенного грунта и в закрытых системах (последнее было актуально для будущих длительных полетов в космос). Использование круглосуточного освещения невысокой интенсивности привлекательно своими экономическими преимуществами. Оно позволяет снизить затраты электроэнергии. Продлевается срок жизни ламп: их не приходится по много раз включать и выключать. Уменьшается нагревание воздуха внутри системы, а значит, кондиционеры требуются уже не такие мощные или в меньшем количестве.

Вопрос: как к этому отнесутся сами растения? Оказалось, реагируют они по-разному. Одни виды отвечают позитивно и свою урожайность повышают (салат, редис, картофель, розы). Другие, напротив, страдают от этого и начинают болеть. Так, у некоторых растений, имеющих тропическое происхождение (томат, баклажан, огурец), возникают хлороз и некроз листьев. Более глубоко этот вопрос изучали ученые ФИЦ «Карельский научный центр РАН» (КарНЦ РАН) в рамках проекта «Физиолого-биохимические механизмы устойчивости растений к круглосуточному освещению» под руководством главного научного сотрудника Института биологии КарНЦ РАН члена-корреспондента РАН Александра Титова. В его исследовательской команде - сотрудники лаборатории экологической физиологии растений Института биологии КарНЦ РАН. Проект выполнялся при грантовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (ныне - РЦНИ).

- Сегодня большинство работ, связанных с изучением влияния световых условий на продуктивность и эффективность производства, нацелено на подбор оптимального спектрального состава света и его интенсивности, - рассказала доктор биологических наук Татьяна Шибаева. - Влиянию фотопериода, то есть длительности светового дня, уделяется внимания гораздо меньше. Между тем это, а если еще точнее, то длина ночи, играет важную роль в регулировании процессов роста и развития растений. В частности, продолжительность фотопериода оказывает влияние на некоторые молекулярные механизмы, связанные с восприятием и передачей светового сигнала листьями, с циркадными ритмами, которые регулируют рост, время цветения, реакцию растений на различные стрессы и в целом их метаболизм.

Физиолого-биохимические механизмы устойчивости растений к круглосуточному освещению также остаются пока недостаточно изученными. Почему, в частности, развиваются хлороз и некроз листьев? Почему иногда они спонтанно исчезают? В отличие от обычных природных условий, когда дни и ночи сменяют друг друга, при круглосуточном освещении в закрытых системах световая энергия для фотосинтеза поступает непрерывно, оказывая воздействие на фоторецепторы растения и вызывая у него фотоокислительный стресс. Нарушается соответствие между частотой внутренних (циркадных) биоритмов и внешним циклом «свет - темнота». Но вот что интересно, аборигенные растения Арктического региона, где полярный день длится многие недели, переносят долгие светлые периоды года совершенно спокойно, их листья не повреждаются. Возможно, в этом случае неблагоприятное действие круглосуточного освещения нивелируется другими изменяющимися природными факторами (температура, влажность, интенсивность света), которые и задают растениям необходимый ритм. А в закрытых системах в течение суток поддерживается относительно постоянная температура. И влажность, и интенсивность освещения также не меняются.

Повышение производительности «фабрик растений» связано с решением целого комплекса научных задач. Так, например, если бы удалось создать идеальный, устойчивый к круглосуточному освещению генотип томата, круглосуточное освещение дало бы прирост урожая более чем на четверть (26%) по сравнению с выращиванием в условиях 18-часового фотопериода. Так показывают расчеты. И это вовсе не фантастика, ведь дикий томат круглосуточное освещение переносит неплохо. Вывести культурный сорт, пригодный в пищу, - задача генных инженеров, и работа в этом направлении уже идет. В то же время физиологи изучают, как можно защитить листья от световых повреждений. Например, обработать их теми или иными биологически активными веществами, повышающими активность антиоксидантов.

Благодаря гранту РФФИ (ныне - РЦНИ) удалось закупить некоторое научное оборудование и совершить две экспедиции в Полярно-альпийский ботанический сад Кольского НЦ РАН. В рамках проекта карельские ученые провели широкий комплекс разноплановых исследований, используя как традиционные, так и новые экспериментальные подходы. Работали с различными группами растений, качественно отличающимися своей реакцией на круглосуточное освещение, что, возможно, связано с их происхождением и эволюцией. Экспериментировали с изменением ИДО - интеграла дневного освещения (интенсивность, умноженная на продолжительность), изучая реакцию растений на разные режимы светового воздействия. Смотрели, как возникающие в листьях изменения зависят от их возраста.

В специальной серии экспериментов с микрозеленью ученые исследовали, как круглосуточное освещение влияет на урожайность и качество продукции нескольких видов семейства Brassicaceae - это брокколи, мизуна (ее еще называют японской капустой), редис и руккола. Заметим, что микрозелень сейчас во всем мире считается очень перспективным функциональным продуктом для здорового питания, ее выращивание становится популярным видом агробизнеса. Сначала ростками только украшали готовые блюда, но потом была доказана их исключительная ценность для организма человека: концентрация питательных веществ в них больше, чем в зрелых листьях. Теперь сторонники здорового образа уверенно включают их в свое меню. Спрос растет, несмотря на относительно высокую рыночную стоимость.

В экспериментах с микрозеленью ученые установили, что в условиях круглосуточного освещения растения всех четырех видов дают бÓльшую сырую и сухую биомассу побегов и массу листа на единицу площади (по сравнению с 16-часовым «днем»), а также более высокий индекс робастности (от англ. robust - «крепкий»). При этом ни на одной из культур не наблюдалось признаков фотоповреждений листьев. Более того, полученные результаты показали, что растения, подвергавшиеся легкому окислительному стрессу в условиях КО, накапливали больше низкомолекулярных антиоксидантов (антоцианы, флавоноиды, каротиноиды, пролин) и отличались более высокой активностью антиоксидантных ферментов. То есть пищевая ценность микрозелени, выращиваемой при круглосуточном освещении, повысилась. Обнаружился и еще один любопытный результат: выросла и ее биобезопасность, так как КО привело к снижению содержания нитратов в растениях! Этот эффект в большинстве случаев проявлялся при светодиодном, а не флуоресцентном освещении, а также более высоком ИДО.

Сегодня самыми эффективными источниками света при выращивании растений в закрытом пространстве являются светодиоды. С появлением программируемых систем управления можно с большей точностью, чем раньше, управлять временем и интенсивностью освещения. Однако вопрос выбора оптимальной схемы световых условий для выращивания растений еще далек от решения, считает член-корреспондент РАН А.Титов. При этом именно на обеспечение искусственного освещения в закрытом пространстве расходуются до 70-80% всей потребляемой для производства энергии. Исследования продолжаются. Новый проект ученых Карельского научного центра РАН называется «Возможности и перспективы применения аномальных свето-темновых циклов для повышения энергоэффективности производства растений сельхозпродукции в закрытых системах с искусственным освещением».

Наталия БУЛГАКОВА

Фото предоставлено Т.Шибаевой