ЗАВИСИМОСТЬ ФОТОСИНТЕЗА ПИГМЕНТОВ И ПРОДУКТИВНОСТИ ТОМАТА ОТ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА ОБЛУЧАТЕЛЯ

Категория: Инженерия.

Аннотация. Провели сравнительное исследование влияния излучения натриевой лампы и светодиодов с различным спектральным составом на рост и продуктивность томата обыкновенного (Solánum lycopérsicum). Выявлены зависимости интенсивности фотосинтеза пигментов (хлорофилла, каротиноидов, антоцианов), урожайности и питательной ценности томата от различных комбинаций УФ, синего, зеленого и красного света в суммарном спектре облучения. Установили, что синий свет играет роль стрессового фактора, инициирующего фотосинтез антоцианов в листьях и стеблях растения с максимумом полосы поглощения при 530 нм на стадии плодоношения, тем самым конкурируя с фотосинтезом других пигментов, что в конечном итоге сказывается на урожайности томата.

Ключевые слова: томат, светодиод, спектр, пигменты, фотосинтез.

Известно [1], что эффективность фотосинтеза и продуктивность овощных культур в условиях за­щищенного грунта существенно зависит от спектра облучателя. В последнее время во всем мире интенсивно разрабатывают и испытывают облучатели для растениеводства на основе светоизлучающих диодов (СИД). Возможность широкого варьирования светотехнических характеристик СИД, в принципе, позволяет оптимизировать спектр облучателя не только под вид растения, но и под вегетационный период их роста. В настоящей работе исследовали влияние комбинаций СИД с излучением в УФ, синей, зеленой, красной и дальней красной области спектра на интенсивность фотосинтеза пигментов, рост, питательную ценность и продуктивность томата обыкновенного.

Материалы и методы

Исследования проводились в испытательной лаборатории ФГБНУ ФНАЦ ВИМ. Для исследований выбран индетерминантный гибрид томата Императрица F1 селекции компании «СеДеК», предназначенный для выращивания в теплицах в весеннее-летний период. Томаты выращивались в трех фитокамерах на кокосовом субстрате с капельным поливом. Удобрения использовались фирмы General Hydroponics (Франция). Посев томата производился 30.08.2016 г., высадка 31.10.2016 г., начало плодоношения 29.12.2017 г., ликвидация 31.03.2017 г.

В качестве источников излучения использовали облучатели на основе СИД синего (С), белого (Б), красного (К), дальнего красного (ДК) и УФ-А (УФ) излучения в различных комбинациях (табл. 1) и светильник с натриевой лампой высокого давления (ДНАТ) в качестве контрольного. Фитокамера со светильником ДНАТ была разделена светонепроницаемой, отражающей перегородкой на две половины, в одной из которых были дополнительно размещены СИД ­синего, дальнего красного и УФ излучения. Облученность ФАР во всех фитокамерах была установлена ~55 Вт/м2 при 18-ти часовом световом периоде и температуре воздуха 21/16 °С (день/ночь).

Потребляемая мощность светильников СИД и ДНАТ, составляла 220 и 330 Вт, соответственно. Для измерения фотосинтетически активной радиации (ФАР) и анализа спектра излучения пользовались спектрофотометром ТКА-Спектр. Для управления нагревом, вентиляцией, обогащением двуокисью углерода, влажностью, освещением и регистрацией условий окружающей среды использовался климатический компьютер.

Таблица 1 – Спектральные характеристики исследуемых облучателей

Интенсивность фотосинтеза оценивали по содержанию пигментов в листьях томата. К ним относятся хлорофилл а и b (Хл), каротиноиды (k) и антоцианы (Ан). Хл и k экстрагировали из листьев, измельчая и выдерживая их в 95% этаноле (ЭТ) в водяной бане при 50–70оС. Плотность поглощения (D) раствора Хл в ЭТ на длинах волн 440,5; 664 и 649 нм измеряли на спектрофотометре Specord M-40 в кювете толщиной 1 см. Содержание Хла (Ca), Хлb (Cb) и k (Ск) в мг/л в ЭТ рассчитывали по формулам (1), (2) и (3) из [2]:

Содержание Хл и k в растительном материале в мг/г сухого веса рассчитывали по формуле:

где, С – концентрация пигмента в мг/л; V – объем вытяжки пигмента в мл; P – навеска растительного материала в г; А – содержание пигмента в растительном материале в мг на 1 г сухого или сырого веса.

Антоцианы (Ан) экстрагировали из листьев в растворе вода : ЭТ(1 : 1) + HCl (1%). Содержание Ан (CАн) определяли по формуле:

CАн (мг/г) = (D530Vμ)/(Pε), (5)

где D530 – оптическая плотность раствора Ан на длине волны 530 нм, μ – молекулярный вес Ан (449), ε – молярный коэффициент экстинкции, равный 27000 л/(моль см). Для расчетов и построения графиков использовали программу Excel.

Результаты и обсуждение

Спектры поглощения антоцианов, экстрагированных из листьев томата, выращенного под светом СИД-2 представлен на рис 1.

Зависимости морфологических характеристик томатов от времени роста и спектра облучателя представлены на рис 2. Распределение содержания сухого вещества, моносахаров, аскорбиновой кислоты и нитратов в плодах томата проводили в испытательной лаборатории ФГБНУ ВНИИССОК по стандартным методикам. Эти результаты приведены в таблице 2 с указанием разброса в ряду проб каждого образца. Сбор плодов осуществляли по мере достижения биологической спелости.

Распределение пигментов в образцах листьев зависело от периода вегетации растения, места расположения листа на растении и состояния пробы листа для каждого облучателя (табл. 3). Вследствие этого разброс величин А для разных проб каждого образца достигал 20%. В зависимости от периода вегетации содержание воды в зеленых листьях меняется в пределах ~60–90%, поэтому при одинаковой величине Р в формулах (4) и (5) величины А для сухих образцов должны быть в ~2–10 раз больше, чем для сырых образцов. С этими данными согласуется снижение в 3–4 раза содержания Хл и k в образце зеленых листьев образца №8 по сравнению с образцами № 6 и № 7. Эта закономерность прослеживается также и для сухих образцов листьев периода плодоношения (№ 1–4) при пересчете содержания пигментов к сырому весу и с учетом различия их морфологического состояния.

Таблица 2 – Результаты анализов плодов

Таблица 3 – Результаты анализов листьев

*) Солнечный свет экранирован стеклом, **) Период цветения, ***) Начало плодоношения

Таблица 4 – Урожайность томата

С влиянием состава ФАР можно связать различия в содержании пигментов в листьях и продуктивности томатов для образца № 4, по сравнению с образцами облучаемыми другими светодиодами, а также солнцем и ДНАТ (таблицы 3 и 4). Образцы № 1 и № 4 отличались фиолетовым оттенком листьев и стеблей. Предположили, что данный оттенок обусловлен появлением в растении помимо хлорофилла еще антоцианов, производных флавоноидов [3]. В спектре ДНАТ синяя полоса имеет максимум при 460 нм, тогда как максимумы «синей» полосы излучения СИД и полосы Соре хлорофилла практически совпадают. Интенсивность излучения ДНАТ в синей области лишь в 1,5–2 раза меньше интенсивности потоков света в этой области у СИД (таблица 1), тогда как эффективность фотосинтеза Ан в образце № 2 более чем на порядок ниже, чем в образцах №1 и № 4. Учитывая это и корреляцию содержания Ан с ­интенсивностью синей полосы излучения СИД (Таблица 3), предположили, что синтез антоцианов инициирует свет, возбуждающий в хлорофилле переход
So → S2 [4]. Фотосинтез антоцианов, по-видимому, конкурирует с фотосинтезом других пигментов, снижая тем самым продуктивность томата. Можно полагать, что синий свет СИД досрочно запускает генетическую программу биохимического синтеза флавоноидов, обеспечивающих красную окраску плодов. Такое действие синего света квалифицируется как стрессовый фактор [3]. Отсутствие УФ-А в спектре СИД-1 (таблица 1) исключает действие УФ излучения в качестве стрессового фактора для томатов [5, 6].

Высокое содержание Хл в образце № 4 при низкой его продуктивности указывает на то, что в стрессовом состоянии фотосинтетического аппарата растения генная программа биохимии плодоношения нарушается, что приводит к снижению урожайности и качества продукта (таблица 2, 3, 4). В сравнении с продуктивностью томата под действием солнечного света облучатель на основе СИД белого, красного и дальнего красного излучения дает существенное увеличение содержания Хл и k (таблица 3).

Выводы

Исследования показали, что путем комбинаций спектров светодиодов, можно варьировать излучение в области ФАР и повышать тем самым эффективность фотосинтеза и урожайность без потери питательных качеств плодов томатов по сравнению с соответствующими характеристиками ФАР натриевых лам и солнечного света.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тихомиров А. А., Шарупич В. П., Лисовский Г. М. – Светокультура растений: биофизическое и биотехнологические основы. Ново­сибирск: Изд. Сиб. отд. РАН, 2000. – 213 с.
2. Lichtenthaler H. K., Buschmann C. // Chlorophylls and Carotenoids: Measurement and Characterization by UV-VIS Spectroscopy / Current Protocols in Food Analytical Chemistry. 2001. F4.3.1-F4.3.8.
3. Карабанов И. А. Флавоноиды в мире растений. – Минск : Ураджай, 1981 – с. 80
4. Холманский А. С., Смирнов А. А. Пармон В. Н. Обесцвечивание растворов a и b хлорофилла синим и красным светом // Химия высоких энергий. 2018, Т. 51, № 1 – С. 1–7.
5. Ebisawa M., Shoji K., Kato M., Shimomura K., Goto F., and Yoshihara, T. (2008). Supplementary ultraviolet radiation B together with blue light at night increased quercetin content and flavonol synthase gene expression in leaf lettuce (Lactuca sativa L.). Envrion. Control Biol. 46(1), 1–11 http://dx.doi.org/10.2525/ecb.46.1.
6. Смирнов А. А. Влияние УФ-А радиации на биосинтез антоцианов краснолистного салата // Инновации в сельском хозяйстве: Электронный журнал. 2017. № 1, С. 6–11.

Метки: Инженерия

• Назад
• Вперед