Красный спектр и его влияние на развитие растения

Красный спектр — излучение в области 600-700 нм. Обладает наибольшим квантовым выходом среди всех диапазонов волн солнечного света. Значит растение эффективнее преобразовывает такую энергию в работу. Поэтому красный спектр важнее других для высокой интенсивности фотосинтеза. Также он вносит фундаментальный вклад в развитие растения, например, влияет на прорастание семян, форму и размеры органов, скорость перехода к цветению.

Чтобы увидеть диапазон волн 600-700 нм растение использует белковые рецепторы. Они объединены в общую группу под названием «фитохромы». И каждый выполняет свой ряд задач, но в данной статье будут рассмотрены общие положения, характерные для всей группы. Фитохромы синтезируются  в условиях темноты. После ряда превращений попадают в ядро, откуда и запускают «предустановленные» генетические программы растения. Также эти рецепторы улавливают и дальний красный свет, излучаемый в области 700-800 нм. Несмотря на то, что он находится за пределами фотоактивной радиации, дальний красный важен не меньше обычного красного спектра.

Нормальное развитие растений требует синергетического подхода в освещении, то есть, задействования всех трех физиологически важных спектров. Каждый из них сильно влияет на развитие организма, что напрямую связано с интенсивностью фотосинтеза. Но красный спектр вносит наибольший вклад в интенсивность протекания фотосинтеза.

Иронично, что при условиях, где в качестве единственного источника света использовался только красный, скорость фотосинтеза оказалась меньше, чем только под синим или зеленом светом. 

На чистом красном свету хуже производится хлорофилл, без которого фотосинтез невозможен.  Синтез каротиноидов, участвующих в улавливании световой энергии, также снижен. 

Ухудшается чувствительность устьиц к свету. Это ведет к несогласованности между интенсивностью освещения и степенью открытости устьичной щели. Как результат: снижается фиксация углекислого газа. Также уменьшается плотность устьиц и их проводимость. Снижается количество фермента Рубиско, с которого непрерывно начинается цикл по фиксации СО2. Все это и приводит к тому, что красный спектр в чистом виде действует на растения как стрессор, подавляя фотосинтез.

Красный спектр регулирует рост и развитие организма с помощью фитохромов. Благодаря им растение воспринимает информацию об окружающих условиях и выбирает соответствующую стратегию для выживания.

Ключевая роль фитохромов в условиях естественного освещения заключается в мониторинге продолжительности светового периода, который вместе с температурой предоставляет растениям важную сезонную информацию. Многие растения используют сезонные сигналы, чтобы вовремя запустить программу цветения и успешно ее пройти. Таким образом красный спектр особенно важен для генеративной стадии фотопериодных растений. 

Фитохромы крайне важны в условиях растительного сообщества, где идет непрерывная борьба за ресурсы, в частности, за свет. Красный спектр вызывает удлинение стебля и приводит к апикальному доминированию. То есть такому типу развития, при котором слабо формируются боковые побеги. Ресурсы сконцентрированы на росте верхушки. Параллельно с этим увеличивается площадь листьев с уменьшением их толщины и биомассы. На примере томатов видно, что масса плодов также была меньше в условиях, где красный свет составлял более 90% от общей фотоактивной радиации.

Как упоминалось выше, фитохромы воспринимают и более длинноволновую область излучения — 700-800 нм. Дальний красный свет в естественных условиях сигнализирует растению о наличии конкурентов за свет. Ранее, в статье про влияние зеленого спектра, говорилось, что синий и красный свет по большей части усваиваются в верхнем слое листа, тогда как зеленый проникает вглубь. Так как дальний красный не участвует в фотосинтезе, он проникает в лист и проходит сквозь него с еще большей легкостью.

Фитохромы регистрируют соотношение красного к дальнему красному. И если доля красного уменьшается, значит что-то сверху забирает часть световой энергии. Запускается программа избегания затенения. Это приводит к сильному удлинению стебля, и у растения появляется возможность обогнать в росте соседей-конкурентов. Если такие световые условия сохраняются и дальше, растение делает вывод о том, что соседей перегнать не удалось. После чего запускается другая программа — по ускорению цветения, что позволяет получить семена в неблагоприятных условиях. Таким образом и на практике появляется возможность сократить период до начала цветения, но уже в благоприятных условиях.

Красный спектр ответственен за синтез углеводов. В статье про синий свет был упомянут эксперимент, в котором выращивали кок-сагыз (одуванчик). В нем исследователи пришли к выводу, что освещение с преобладающим красным светом лучше стимулирует синтез сахарозы, то есть углевода. Это впоследствии благоприятно сказывается на производстве растением каучука, основой для которого и служит сахароза. Эти данные подтверждает другой опыт, проведенный на кресс-салате. В исследовании было 2 варианта со светодиодами, где соотношение красного к синему составляло 90:10, 60:40 и контроль с естественным освещением. Больше всего углеводов, 5.5 мг г, накопил салат на варианте с преобладающим красным 90:10. Это в 2 раза больше того, что можно получить при естественном освещении.

Некоторые виды растений нуждаются в световой обработке, чтобы их семена проросли. Интересный эффект дает облучение семян красным и дальним красным светом. Впервые такой опыт был проведен еще в 1952 году Гарри Бортвиком. В этой работе семена салата Гранд-Рапидс обрабатывали чередующимися потоками красного и дальнего красного, после чего была проанализирована всхожесть. Занимательно, что у семян, облученных красным светом последними, было достигнуто почти 100% всхожести.

Заметно иная реакция наблюдалась у семян, обработанных дальним красным в последнюю очередь. Это приводило к гораздо меньшему проценту всхожести. В естественной среде важно правильно оценить окружающие условия. Растение уже на этапе семени делает это постоянно, корректируя программу выживания. Так, при последней обработке дальним красным у организма появляется информация о загущенном фитоценозе, где мало света для нормального развития. Поэтому часть семян в эксперименте отказалась от прорастания в потенциально неблагоприятных условиях.

Похожая ситуация наблюдалась и с семенами гороха. Также исследователи отметили рост корневых волосков, особенно после 15 минутного облучения. Растения с этого варианта продолжили выращивать вместе с контролем еще в течение трех недель, чтобы проверить, сохраняются ли положительные эффекты обработки. Невооруженным глазом заметны различия в размерах надземной массы у двух вариантов. По данным исследователей эта разница составила 30-50%.

Красный спектр самый активный по своему влиянию на фотосинтез, способный как поднять его на максимум, так и существенно подавить. Велика роль красного в регуляторных процессах: задает размеры растения, строение листового аппарата, контролирует цветение и синтез углеводов. Уже на этапе семени этот спектр способен настраивать жизнь будущего организма, повышая его продуктивность.