Дальний красный спектр и его влияние на развитие растения

Дальний красный свет (ДК) — длинноволновая радиация в диапазоне 700-800 нм. Она не входит в область фотосинтетически активной радиации (ФАР), потому принято считать, что ДК не оказывает существенного влияния на фотосинтез. Но дальний красный спектр дает растениям информацию об окружающей среде. Если соотношение красного к дальнему красному уменьшилось, значит появились конкуренты за свет и растению пора запускать генетическую программу по избеганию тени.

Ответственность за анализ световых условий лежит на рецепторах фитохромах. Они воспринимают область излучения как в красной, так и дальней красной зонах. Это позволяет рецепторам измерять соотношение красного к дальнему красному и запускать ответные реакции.

Поглощение дальнего красного света (710—800 нм) переводит фитохром в краснопоглощающую форму (Pr), то есть в стадию, где фитохром абсорбирует красное излучение (600-700 нм). Поглощение же обычного красного света переводит его обратно в форму, где фитохром поглощает дальний красный (Pfr). Это динамический процесс.

Форма Pfr при наступлении темноты мигрирует обратно в форму Pr. Так как происходит это медленно, растения используют систему миграции фитохрома для определения продолжительности ночи. Фитохромы в данном случае работают как тумблер, включающий и выключающий биологические процессы в организме.

Выше было сказано, что дальний красный не входит в область ФАР и его роль в фотосинтезе относительно других спектров скромна. Здесь стоит уточнить, что несмотря на невысокую эффективность, данный спектр все же способствует выделению кислорода. 

В эксперименте эстонских ученых проводились замеры на листьях подсолнечника. Их облучали длинами волн от 650 нм до 790 нм. Начиная с 685 нм эффективность фотосинтеза быстро уменьшалась по мере увеличения доли дальнего красного в спектре. Однако тенденция не была линейной. После 720 нм наблюдался небольшой скачок эффективности, который достиг пика при 745 нм и окончательно упал на 770 нм. Важно заметить, что на пике фотосинтетическая активность составляла 20% от полученных значений при обработке 650нм. Те же результаты были получены при облучении другого растения — фасоли.

С другой стороны, науке уже более полувека известно такое явление, как эффект Эмерсона. Суть его в том, что можно добиться увеличения эффективности фотосинтеза, если дополнить длинноволновой красный свет (700 нм) коротковолновым (650 нм). При этом вместе они будут иметь большую силу воздействия, чем сумма их воздействий по отдельности. И несмотря на то, что излучение 700 нм еще остается областью ФАР, эффект Эмерсона работает и в более длинноволновых зонах.

Типичная реакция растения в ответ на низкое соотношение красного и дальнего красного (К:ДК) заключается в синдроме избегания тени. То есть стебель резко вытягивается по направлению к источнику света. О том, почему именно этот спектр провоцирует такой ответ говорилось в статье про красный свет. 

В эксперименте из университета Вагенинген можно наблюдать, как меняется морфология растений томата в зависимости от интенсивности воздействия дальнего красного. Рассаду, возраст которой составлял 15 дней, разбили на группы и поместили в светоизолированные камеры. На протяжении 4 недель растения облучались комбинацией синих (5%) и красных (95%) светодиодов с пиками 450 и 638 нм соответственно. Различия по группам проявлялись в добавлении дальнего красного спектра (730 нм) к основному освещению. В контроле были только красно-синие светодиоды. Также была дополнительная группа, где дальний красный включали на 15 минут в конце светового дня отдельно от основного освещения.

Другой реакцией в ответ на увеличенную долю дальнего красного является изменение угла отхождения листа. Чем ниже соотношение К:ДК было у томата, тем более горизонтально ориентированными становятся листья. Таким образом это позволяет увеличить светособирающую поверхность без дополнительных затрат ресурсов. Вместе с этим происходит небольшое увеличение площади листьев до определенного уровня облучения дальним красным.

В том же эксперименте на томатах сообщается о положительном влиянии дальнего красного на скорость перехода к цветению. После 4 недель роста все растения, обработанные дальним красным, имели по крайней мере две открытые цветочные почки. Напротив, у необработанных растений не было ни одного открытого цветка. Авторы исследования также ссылаются на то, что их данные согласуются с влиянием дальнего красного на время цветения у арабидопсиса.

Еще одним подтверждением положительного влияния ДК на скорость перехода к цветению может послужить реакция бархатцев из упомянутого ранее опыта. Соотношение К:ДК было достаточно низким ( 0,7) и это привело к ускорению появления первых бутонов в среднем на 2 дня. Незначительные, но положительные результаты были также получены на календуле и петунии. Исследователи также обращают внимание на возможную задержку цветения у растений, которые не облучались дальним красным спектром. И в большей степени это касается длиннодневных растений.

Ускорение цветения не единственное, чего удалось добиться благодаря воздействию дальнего красного. У томатов из Вагенингена также сравнивали уровень фотосинтеза между группами. И самый высокий показатель был у варианта с PSS 0.80, что примерно соответствует соотношению К:ДК 3:1. Исследователи отметили связь такого результата с эффектом Эмерсона. И важно то, что синергетический эффект оказался возможен между волнами с пиками в 638 и 720 нм, а не только между 650 и 700 нм, как говорилось ранее.

Благодаря усиленному фотосинтезу и тому, что цветение наступило раньше, плоды сформировали большую массу как в целом, так и по отдельности.

Дальний красный спектр вносит большой вклад в жизнь растения, что контрастирует с общепринятым мнением. Он регулирует развитие организма, позволяя ему выживать в растительном сообществе. Одна из самых значимых функций данного спектра — запуск программы по избеганию тени. Несмотря на отсутствие дальнего красного в области ФАР, он может существенно влиять на фотосинтез. Также небольшое добавление длинноволнового красного в общий спектр ускоряет цветение и увеличивает количество урожая. Обработка растения ДК в конце дня тоже имеет положительные, но менее выраженные результаты.