Сколько времени освещать растения: разбираемся в фотопериодах

Фотопериод — это относительное количество света и темноты в суточном цикле. Вместе с другими факторами внешней среды он передает растениям информацию об изменениях, происходящих в окружающем пространстве. Для организмов, ведущих прикрепленный образ жизни, трудно переоценить важность такой информации.

Фотопериод открыли (с. 443) В. Гарнер и Г. Аллард еще в 1920 году. Позже, существенный вклад в изучение вопроса внес советский ученый М. Х. Чайлахян. Вместе с коллегами он установил, что для многих растений фотопериод является важнейшим фактором, который влияет на процессы роста, развития и особенно цветения. Растения используют информацию о длине дня и ночи как своего рода часы, показывающие лучшее время для перехода к цветению, развитию клубней, луковиц или подготовки к сезонным неблагоприятным условиям.

Для понимания, почему растениям важна продолжительность дня и ночи, необходимо рассмотреть этот вопрос на глобальном уровне. И начнем с того, что фотопериод — это проявление космических законов. Постоянно меняющееся положение Земли относительно Солнца создает особый световой режим на планете.

Растения (с. 443), у которых цветение запускается «коротким днем», называют короткодневными (КДР). Например, просо, соя, рис требуют для своего развития длинной ночи и короткого дня. Они переходят к генеративной стадии при фотопериоде меньше определенной продолжительности. В том случае, когда зацветанию благоприятствуют «длинные дни», растения называют длиннодневными (ДДР). К этой группе относятся рожь, ячмень, пшеница. 

Еще есть нейтральнодневные растения. У томата и некоторых сортов хлопчатника длина дня не оказывает существенного влияния на цветение. Длиннодневные растения переходят к цветению при продолжительности фотопериода от 11 до 24 ч в сутки, короткодневные — от 6 до 15 ч. Интересно, что различные сорта в рамках одного вида могут иметь неодинаковую реакцию на световой период.

Реакция растений на фотопериод меняется в течении их жизни. Для большинства растений характерна ювенильная фаза, то есть фаза юности. И цветение невозможно до тех пор, пока организм не достигнет определенной стадии зрелости. Это будет гарантировать наличие достаточного количества ресурсов для успешного завершения цветения и плодоношения. В зависимости от жизненной формы растения, ювенильная фаза может длиться несколько дней или лет — самая короткая у травянистых, а самая длинная у древесных.

Иногда реакция на фотопериод срабатывает только в сочетаниями с другими стимулами окружающей среды. Наиболее распространенный стимул — температура. Двулетние растения, такие как белена черная, не будут цвести в первый год жизни, несмотря на подходящий фотопериод и окончание фазы юности. Все по причине того, что белена нуждается в длительном воздействии низких температур. Это явление называют яровизацией. После нее растение сможет реагировать на фотопериод и зацветет в конце весны второго года. И, возвращаясь к листопадным деревьям, стоит добавить, что им, наравне с фотопериодом, также нужен температурный стимул для подготовки к зимнему покою.

Фотопериодическая реакция растений наиболее успешно проходит на красном свету (с. 444), за восприятие которого отвечает пигмент фитохром. В этом процессе участвует две формы пигмента, а именно, Фк и Фдк — они следят за соотношением света и темноты. В ночной период Фдк превращается в Фк, а днем под влиянием красного света Фк превращается обратно в Фдк. Так растение измеряет длину дня. При вспышке красного света в ночное время Фк превращается в Фдк, и это ингибирует реакции, приводящие к цветению у короткодневных растений.

В листьях под действием соответствующего фотопериода проходят процессы, приводящие к образованию особых веществ, которые передвигаются по стеблю и приводят к заложению цветочных зачатков. То есть, если закрыть листья светонепроницаемым материалом, оставив только стебель, реакции на световой период не будет.

Природа возникающего в листьях стимула уже давно волнует умы ученых. М. X. Чайлахян в 1937 году выдвинул гипотезу о двухкомпонентной гормональной системе (с. 445) зацветания. Эти компоненты объединяло одно название — флориген. Предполагалось, что в гормональный комплекс флоригена входят гиббереллины и гипотетические антезины. Цветение возможно лишь при наличии и благоприятном соотношении в растении двух компонентов флоригена — гиббереллина и антезина. 

У длиннодневных растений цветение зависит от наличия гиббереллина, который накапливается в достаточном количестве лишь на длинном дне. Антезин же всегда присутствует у длиннодневных растений в достаточном количестве. Такое условие хорошо работает на практике — если лимитирующим фактором является гормон гиббереллин, то обработка им также приводит к цветению. Противоположная ситуация у короткодневных растений — гиббереллина достаточно при любом фотопериоде, а антезин образуется только на коротком дне. Поэтому опрыскивание короткодневных растений гиббереллином не будет стимулировать зацветания при неблагоприятном световом периоде.

Знания о том, как различные растения реагируют на фотопериод, можно использовать на практике (с. 446) по-разному. Так, декоративные культуры зацветут именно тогда, когда будет нужно. Это особенно актуально в разгар праздников, на которых принято дарить цветы. Также можно стимулировать цветение ДДР на коротком дне, если облучить их вспышкой света во время темнового периода. В условиях экономии энергии это хороший выбор, так как сокращаются расходы на освещение.

В открытом грунте можно собрать несколько урожаев ДДР, например, редис, репа, если во время формирования корнеплодов закрыть растения светонепроницаемым материалом, создавая им 12-часовой день. Та же манипуляция доступна и для некоторых сортов земляники после первого весеннего урожая — на коротком фотопериоде растения снова начинают формировать цветки. Интересно то, что во время плодоношения землянику снова переводят на длинный день для увеличения суточного прихода света. В этих условиях можно собрать два урожая за сезон.

Вспышка света среди ночи — распространенный способ при выращивании сахарного тростника. Дело в том, что его уборка начинается с наступлением коротких дней. А так как это КДР, то тростник начинает цвести, что негативно сказывается на качестве урожая. Запасенные в стебле углеводы направляются на генеративные процессы, что снижает сахаристость продукции. Для предотвращения этого на плантациях устанавливают прожекторы и короткими вспышками освещают растения по ночам пока не закончится период уборки.

Фотопериод несет в себе важную информацию, которая позволяет растениям адаптироваться к внешней среде. Так организм определяет наиболее подходящее время для начала цветения. По отношению к световому периоду растения делят на три группы: длиннодневные, короткодневные и нейтральнодневные. Для зацветания первых двух групп нужны длинные и короткие дни соответственно. Нейтральнодневные цветут на любом фотопериоде. 

Чтобы длиннодневные или короткодневные растения могли реагировать на световой период, они должны пройти ювенильную стадию и достичь определенной зрелости. На восприятие растениями длины дня влияет спектральный состав света — лучше всего они реагируют на красный свет. Под влиянием благоприятного для цветения фотопериода в листьях синтезируется гормональный комплекс флориген. Он поступает в стебель и дает стимул к закладке цветочных почек у верхушек побегов. 

Фотопериодические реакции различных растений можно использовать на практике. Это позволяет собирать несколько урожаев за сезон или подстраивать получение готовой продукции под конкретное время года.