Фотосинтез — это процесс, при котором растения используют солнечный свет, воду и углекислый газ для создания энергии в форме углеводов. Скорость фотосинтеза напрямую связана с цветами света, который поглощает растение. Растения поглощают все длины волн видимого света (400–700 нм), но наиболее эффективно поглощают красный и синий свет. Понимание того, как цвет света влияет на фотосинтез, может помочь улучшить условия выращивания для оптимизации роста растений.
Фотосинтез происходит в клетках растений, в основном в листьях. Основная формула фотосинтеза:
6CO2 + 6H2O + свет –> C6H12O6 + 6O2
Это означает, что углекислый газ + вода + световая энергия производят сахар глюкозы + кислород. Сахар глюкозы служит топливом для растения, а кислород выделяется как побочный продукт.
Существует два основных этапа фотосинтеза:
1. Светозависимые реакции. Эта начальная стадия использует энергию света для производства энергии АТФ и электронов. Она происходит на мембранах тилакоидов внутри хлоропластов.
2. Светонезависимые реакции (цикл Кальвина). АТФ и электроны из световых реакций обеспечивают энергию для фиксации углерода в 3-углеродные сахара. Это происходит в строме хлоропластов.
Для фотосинтеза растениям нужны солнечный свет, вода, углекислый газ и хлорофилл. Хлорофилл придает растениям зеленый цвет и поглощает энергию света, которая управляет процессом фотосинтеза. Скорость фотосинтеза зависит от наличия достаточной энергии света для питания этих реакций.
Видимый свет состоит из разных цветов или длин волн в диапазоне от 400 до 700 нм. Конкретный цвет или длина волны света влияет на скорость фотосинтеза. Вот обзор того, как различные цвета света влияют на фотосинтез:
Синий свет (400-500 нм):
— Синий свет обеспечивает больше энергии, чем более длинные волны
— Максимизирует поглощение хлорофиллом и эффективность фотосинтеза
— Оптимизирует фотохимические реакции и скорость переноса электронов
— Может способствовать росту вегетативных листьев
Красный свет (600-700 нм):
— Также эффективно поглощается хлорофиллом, хотя и меньше, чем синий свет
— Ускоряет фотосинтез и скорость ассимиляции
— Увеличивает накопление крахмала в листьях
— Может стимулировать цветение и плодоношение
Зеленый свет (500-600 нм):
— Неэффективно поглощается пигментами растений
— Оказывает минимальное влияние на скорость фотосинтеза
— Отражается растениями, придавая им зеленый цвет
Желтый и оранжевый свет (570-620 нм):
– Также неэффективно поглощается хлорофиллом
– Обычно оказывает минимальное влияние на фотосинтез
– Может стимулировать экспансивный рост и удлинение
Дальний красный свет (700-800 нм):
– Низкоэнергетические длины волн на границе инфракрасного диапазона
– Оказывает некоторое фотосинтетическое действие, но гораздо меньшее, чем красный/синий свет
– Может стимулировать удлинение стебля
Итак, вкратце, синие и красные длины волн являются наиболее фотосинтетически активными, обеспечивая самые высокие скорости фотосинтеза. Зеленый и желтый/оранжевый свет оказывают минимальное влияние, поскольку они плохо поглощаются. Дальний красный свет оказывает небольшое влияние.
Спектр действия фотосинтеза показывает относительную эффективность различных длин волн света в управлении фотосинтезом. Он отображает скорость фотосинтеза при различных цветах света. Вот график спектра действия:
| Длина волны (нм) | 400 | 450 | 500 | 550 | 600 | 650 | 700 |
| Скорость фотосинтеза | 0,4 | 0,8 | 0,9 | 0,5 | 0,7 | 0,4 | 0,1 |
Основные выводы:
– Синий (400-500 нм) и красный (600-700 нм) свет имеют самые высокие скорости фотосинтеза
– Зеленый свет (500-570 нм) имеет более низкую скорость
– Скорости падают на обоих концах видимого спектра
Это согласуется со спектрами поглощения хлорофилла a и b, которые сильно пикируют в синей и красной областях. Спектр действия подчеркивает, что растения максимизируют фотосинтез при синем и красном свете.
Несколько факторов влияют на способность растения поглощать и использовать световую энергию для фотосинтеза:
Содержание хлорофилла – Растения с более высокой концентрацией хлорофилла могут поглощать больше световой энергии. Такие факторы, как недостаток воды, низкий уровень азота, высокий уровень CO2, могут снизить содержание хлорофилла.
Анатомия листа – Анатомия и структура листьев влияют на улавливание света. Более толстые листья имеют больше клеток для поглощения света. Клетки палисадного мезофилла выровнены для оптимального улавливания света.
Индекс площади листа – Общая площадь поверхности листа влияет на общий потенциал поглощения света. Поэтому более крупные и многочисленные листья приводят к большему фотосинтезу.
Ориентация листьев – Угол, под которым расположены листья, влияет на улавливание света. Горизонтальные листья максимизируют поглощение света сверху.
Структура полога – В лесах и сельскохозяйственных культурах общая структура полога влияет на проникновение света в нижние листья. Более открытые полога обеспечивают более глубокое проникновение света.
Оптимизация этих факторов позволяет растениям максимально увеличить поглощение света и фотосинтетическую способность.
Цвет или длина волны света, получаемого сельскохозяйственными культурами, могут существенно влиять на их рост, развитие и производительность. Вот некоторые ключевые эффекты:
Производство биомассы — Синий и красный свет стимулируют большую фотосинтетическую активность и накопление биомассы, чем зеленый свет. Синий свет особенно стимулирует рост листьев.
Цветение и плодоношение — Синий свет подавляет цветение у некоторых растений, в то время как красный свет способствует цветению и образованию плодов. Длительные темные периоды также стимулируют цветение.
Морфология растений - синий свет стимулирует компактный рост листьев, в то время как дальний красный свет вызывает удлинение и рост ног.
Качество урожая - синий свет улучшает цвет листьев, вкус и питательные качества некоторых культур. Красный свет может увеличить количество каротиноидных и антоциановых пигментов.
Интенсивность света - высокая интенсивность света стимулирует более быстрый фотосинтез и рост. Низкий свет вызывает чрезмерное удлинение и мелкие листья.
Оптимизация цвета и интенсивности света на протяжении всего цикла роста культуры может улучшить урожайность и качество. Светодиодные лампы для выращивания растений позволяют адаптировать определенные рецепты освещения к потребностям растений.
Исследования выявили множество фотоморфогенных эффектов, специфичных для культур. Вот влияние цвета света на несколько экономически важных культур:
Помидоры:
– Синий свет стимулирует рост листьев и компактных, кустистых растений.
– Дальний красный свет вызывает удлинение стеблей.
– Красный свет усиливает цветение и плодоношение.
– Зеленый свет снижает урожайность по сравнению с красным/синим светом.
Салат:
– Синий свет стимулирует расширение листьев и биомассу.
– Красный свет увеличивает количество антиоксидантных фенольных соединений.
– Синий свет придает листьям темно-зеленый цвет.
– Смешивание красного и синего света оптимизирует урожайность и питание.
Каннабис:
– Синий свет стимулирует сильный вегетативный рост.
– Красный свет стимулирует цветение и увеличивает размер шишек/содержание ТГК.
– Дальний красный свет может продлить стадию цветения.
– Зеленый свет менее эффективен чем синий/красный свет.
Клубника:
– Синий свет улучшает компактность растений и цвет листьев.
– Красный свет стимулирует более раннее цветение и плодоношение.
– Интенсивность света влияет на фруктовые сахара и кислоты.
– Высокоинтенсивный синий свет увеличивает урожайность фруктов.
Цвет света также влияет на естественный фотосинтез в диких растениях и разнообразных экосистемах:
Леса – В лесных пологах синий и красный свет поглощаются верхними листьями, в то время как больше зеленого света проникает в нижние уровни. Листья приспосабливаются к получаемому ими световому спектру.
Вода – Вода избирательно поглощает более длинные волны света. Поэтому водные растения адаптируются к более синему свету под водой.
Свет в тени – Растения в затененных нижних ярусах получают отфильтрованный свет, обедненный красными длинами волн. Они эволюционируют, чтобы эффективно использовать оставшийся свет.
Колебания света. Листья могут динамически оптимизировать фотосинтез по мере того, как свет смещается от солнца к тени. Изменяющийся свет сохраняет гибкость фотосинтеза.
Растительные сообщества. Виды занимают свою экологическую нишу в зависимости от световой специализации. Деревья с кроной используют сильный свет, в то время как растения нижнего яруса используют слабый свет.
Понимание спектрального воздействия света дает представление об эволюции и физиологии растений в различных средах.
Цвет или длина волны света оказывают значительное влияние на процесс фотосинтеза в растениях. Синие и красные длины волн наиболее эффективно поглощаются хлорофиллом и показывают самые высокие скорости фотосинтеза. Зеленый и желтый свет менее эффективны. Оптимизация цвета света, а также интенсивности и продолжительности может улучшить урожайность, качество и пищевую ценность сельскохозяйственных культур. Понимание спектральных воздействий света информирует как сельское хозяйство, так и изучение природных растительных экосистем. Продолжение исследований фотоморфогенеза сельскохозяйственных культур поможет усовершенствовать специальные световые рецепты для превосходного роста растений.