Фабрика растений. Как круглосуточное освещение влияет на рост сельхозкультур

Правильное освещение сельскохозяйственных культур может повысить урожайность и пищевую ценность продукции, а также снизить ее стоимость. При этом избыток света может быть вреден для растений не меньше, чем его недостаток. Поиском оптимальных свето-темновых циклов для автоматизированных «фабрик растений» занимаются ученые Института биологии КарНЦ РАН.

Многие культуры по всему миру уже сейчас выращиваются при определенных заданных условиях среды (освещении, температуре, влажности) на так называемых “фабриках растений”. Как получить больший урожай и оптимизировать энергозатраты? Поиском 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 коллектив ученых подбирает оптимальные условия освещения для таких автоматизированных комплексов, где не обязательно учитывать 24-часовой суточный цикл.

Известно, что оптимальное освещение растений способствует повышению урожайности. Но освещать растения светом высокой интенсивности невыгодно экономически. 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.

• Татьяна Шибаева, ведущий научный сотрудник лаборатории экологической физиологии растений Института биологии КарНЦ РАН

Однако не все культуры хорошо переносят непрерывное световое воздействие. У растений может снижаться интенсивность фотосинтеза, часть видов заметно повреждается: наблюдается пожелтение листьев (хлороз) и отмирание тканей.

Чтобы лучше понимать реакцию растений на круглосуточное освещение, нам было важно изучить механизмы реакций растений в природе. Мы задались вопросом, почему в условиях постоянного искусственного освещения растения повреждаются, но этого не происходит в естественных условиях во время полярного дня, когда они подвергаются постоянному воздействию света в течение более чем трех месяцев.

• Татьяна Шибаева

Ученые совершили ряд экспедиций в Полярно-альпийский ботанический сад-институт КНЦ РАН, где изучили реакцию на естественное круглосуточное освещение, а впоследствии и на искусственное в климатических камерах, у растений-аборигенов, издавна произрастающих на севере, и интродуцированных растений, завезенных в Кировск из Гималаев и с Балканского полуострова.

Объектами исследования стали два вида герани — лесная и гималайская, два вида гравилата — речной и коралловый, два вида лапчатки — прямостоячая и темно-кроваво-красная. Пары видов подбирали по принципу: один вид из местной флоры и вид того же биологического рода, интродуцированный в условиях Субарктики.

Физиологи предположили, что местные растения в ходе длительной эволюции смогли адаптироваться к условиям полярного дня, а интродуценты не должны быть адаптированы.

Результаты работы опубликованы в международном журнале Plants. Установлено, что у обеих групп растений отсутствуют специфические механизмы устойчивости к воздействию круглосуточного освещения и защитные реакции носят общий неспецифический характер. Хотя у аборигенных растений активнее работает защита за счет выработки фенольных соединений.

В климатических камерах при постоянных условиях среды искусственный непрерывный свет вызывает повреждения листьев вследствие окислительного стресса. Мы пришли к выводу, что его основной причиной является циркадная асинхрония — несоответствие между внутренними ритмами растения и внешними свето-темновыми циклами. Это похоже на ускоренное старение, когда в клетках накапливаются необратимые повреждения. В условиях климатических камер при непрерывном освещении такие изменения были заметны уже через две недели.

• Татьяна Шибаева

В природе растения не подвергаются фотоповреждению в течение полярного дня, поскольку внутренние ритмы поддерживаются за счет суточных колебаний факторов окружающей среды: интенсивности солнечного излучения, спектрального состава света, температуры и влажности воздуха. Кроме того, спектральный состав солнечного света растениям подходит лучше для гармоничного развития по сравнению со светом фитоламп, который чаще всего настроен на максимизацию интенсивности фотосинтеза.

Еще одна статья карельских ученых в журнале Plants посвящена влиянию аномальных свето-темновых циклов на рост и развитие растений семейства Solanaceae (Пасленовые).

Показано, что удлиненные циклы “свет/темнота” (24/12 ч, 48/24 ч, 96/48 ч, 120/60 ч и 360/0 часов) влияют на рост, содержание пигментов и антиоксидантный статус растений. Эффекты варьировали в зависимости от вида растений и продолжительности светового/темного циклов. Так, выращивание рассады томатов и перца при 48/24 ч, 96/48 ч и 120/60 ч привели впоследствии к повышению урожайности плодов по сравнению с обычным фотопериодом (16/8 ч).

Ученые предполагают, что удлиненные циклы свет/темнота могут повысить эффективность использования света по сравнению с обычным фотопериодом и, следовательно, снизить стоимость продукции, но для практического применения необходимо более детально изучить эффект для отдельных видов растений или даже сортов.

Изображение на обложке: физиологи растений КарНЦ РАН в Полярно-альпийском ботаническом саду КНЦ РАН