Ультрафиолетовый спектр и его влияние на развитие растения

В естественных условиях растения постоянно находятся под воздействием ультрафиолетового излучения. В спектре солнечного света 7% энергии приходится на ультрафиолет. Это длины электромагнитных волн в диапазоне 200-400 нм. От наиболее к наименее жесткому ультрафиолет подразделяют на 3 вида — С, В и А. С областями излучения 100-280 нм, 280-320 нм, 320-400 нм соответственно.

УФ-С — губительный и полностью поглощается атмосферными газами. УФ-В также поглощается атмосферой, но небольшая его часть все же достигает поверхности земли. И УФ-А почти беспрепятственно проходит сквозь атмосферу, воздействуя в дальнейшем на растения и другие объекты живого мира.

За обработку световых сигналов в ультрафиолетовом спектре отвечают сразу несколько фоторецепторов. Уже знакомые из предыдущих статей — фитохром, криптохром, фототропин, а также открытый относительно недавно рецептор UVR8. Первые 3 типа рецепторов имеют несколько пиков восприятия светового излучения. То есть каждый из них способен реагировать на разные длины волн.

С UVR8 ситуация иная. Как видно на графике, он сосредоточен только на УФ-В. Со стороны растения такое решение обосновано, ведь высокоэнергетическое излучение УФ-В имеет серьезное воздействие практически на все организмы. Благодаря информации, полученной с помощью UVR8, растение способно запускать ответные реакции для защиты и восстановления от избыточного ультрафиолетового излучения.

Растения могут существенно различаться по восприимчивости к ультрафиолету. Повреждение ДНК, деградация белков, участвующих в фотосинтезе, нарушение работы хлоропластов, разрушение хлорофилла и каротиноидов — такие последствия характерны для излучения в области 280-400 нм. Но не все так однозначно. Результат зависит от мощности и продолжительности воздействия ультрафиолета. И ряд экспериментов показывает, в каких условиях возможно получить дополнительный синтез вторичных метаболитов без вреда для фотосинтеза и товарного вида продукции.

В исследовании, опубликованном в журнале New phytologist, показано, как небольшие дозы ультрафиолетового излучения не провоцировали угнетения скорости фотосинтеза у растений арабидопсиса. После 20 дней от всходов арабидопсис, выращиваемый в теплице, подвергли воздействию дополнительного УФ-В в течение 12 дней по 2 часа. Мощность коротковолнового излучения составляла 1.7 Вт/м2. Авторы работы отмечают, что для существенного торможения скорости фотосинтеза нужно воздействовать на растения ультрафиолетом по 4 часа в день с мощностью 6 Вт/м2. Таким образом исследователи избежали негативного влияния ультрафиолета на фотосинтез и при этом увеличили производство вторичных метаболитов.

Похожих результатов удалось добиться российским ученым с листовым салатом. Его также выращивали в теплице и после 24 дней от всходов начали воздействовать ультрафиолетом на растения. В этом опыте интенсивность УВ-В была выше, чем в зарубежном — 2.7 Вт/м2. Но при этом существенно различалась продолжительность облучения — от 2 до 15 минут в день.

Ультрафиолет по сути своей стрессор для живых организмов. И один из механизмов, который используют растения для защиты — изменение своей морфологии. В общих чертах это проявляется в уменьшении размеров растения, площади его листьев, количества устьиц, длины междоузлий, а также стимуляции пазушного ветвления. При этом может увеличиваться толщина как самих листьев, так и их защитного воскового слоя. 

Также есть данные, что умеренные дозы коротковолнового излучения стимулируют производство хлорофиллов. По всей видимости это компенсаторный механизм в ответ на сокращающуюся площадь листа. На графике снизу ромбовидными фигурами показана зависимость между интенсивностью ультрафиолетового воздействия и количеством хлорофилла у арабидопсиса.

Вторичные метаболиты не являются жизненно необходимыми соединениями для растений. Их производство требует ресурсов, тратить которые организм не станет без серьезной причины. А между тем такие соединения несут в себе пищевую и лекарственную ценность для человека. Поэтому важно создавать такие условия выращивания, при которых растение увеличивает синтез вторичных метаболитов без потери общей производительности.

В ответ на облучение ультрафиолетом в поверхностном слое растительной ткани увеличивается синтез веществ, которые препятствуют проникновению пагубных лучей. Синтезируемые вещества представлены в основном фенольными и флавоноидными соединениями, которые имеют широкое применение в медицине. На их основе изготавливают противомикробные, противовоспалительные, желчегонные и другие виды препаратов. Употребляя фенольные соединения с пищей, мы получаем антиоксидантный и противоопухолевый эффект. Что важно, для запуска программы по синтезу защитных веществ не обязательно подвергать растение реальной угрозе. В тех же экспериментах с арабидопсисоми листовым салатом показано, что повышенный синтез целевых соединений возможен при нормальном функционировании всего организма.

Другой зарубежный эксперимент также показал преимущества ультрафиолета в этой области. Добавление коротковолнового излучения в общий поток света увеличило концентрацию каннабиноидов в соцветиях каннабиса. В опыте было 3 варианта освещения: натриевая лампа высокого давления и 2 светодиодных облучателя.

Под газоразрядной лампой средний урожай сухих соцветий был наибольшим — 26.6г. Тогда как под светодиодными облучателями AP673L и NS1 23.1 и 22.8 г соответственно. Но по содержанию как общего количества, так и отдельно взятых каннабиноидов вариант с натриевой лампой оказался последним. В процентном соотношении на графиках показано как меняется количество различных каннабиноидов по вариантам.

Ультрафиолетовый спектр входит в состав солнечного света, и растения в открытом грунте постоянно находятся под его воздействием. Поэтому в растительном организме существуют системы по восприятию и защите от коротковолнового излучения. Эта защита проявляется на разных уровнях — меняется морфология культуры и биосинтез веществ. И правильное включение ультрафиолета в общий спектр может увеличить синтез целевых соединений без негативного влияния на развитие растения.