ИСТИНА

Поглощение света растениями и биологически активные молекулы Чуб Владимир Викторович Ботанический сад Московского государственного университета, Россия Свет является важнейшим фактором, необходимым для роста растений. С участием света происходит процесс фотосинтеза, но, кроме того, свет регулирует процессы роста, морфогенеза, накопления разнообразных веществ, сроки цветения и многие другие физиологические процессы. При разработке диодных осветителей, пригодных для промышленного выращивания растений, обычно стремятся усилить функцию фотосинтеза и подходят к растению как к некоторой машине, преобразующей энергию света в полезную для человека продукцию. В связи с этим считают, что оптимален спектр, совпадающий со спектром поглощения хлорофиллов. Соответственно, в осветителях усиливают красную (640 – 680 нм) и синюю (400 – 450 нм) части спектра. Такое подход не всегда оправдан, поскольку из-за неправильно подобранного спектрального состава света часто происходит угнетение роста, что отрицательно сказывается на продуктивности растений. Стоит помнить, что, кроме хлорофиллов, в растениях присутствуют и другие пигменты, оказывающие влияние на продукционный процесс. Так, в процессе фотосинтеза участвуют каротиноиды с максимумами поглощения в диапазоне 300 – 500 нм. Они выполняют антенную функцию, а также являются фотопротекторами. Изменение химического состава каротиноидов позволяет модулировать потоки энергии, направляемые в реакционные центры фотосистем, через ксантофилловые циклы. Незначительные изменения могут приводить к диаметрально противоположным эффектам: либо к тепловой диссипации энергии фотонов, либо к усилению потока энергии в фотосистемах. Часто выращивают растения с необычной красной или фиолетовой окраской листвы (сорта салата, базилика и др.). Такую окраску листьям придают антоцианы, поглощающие в зеленой части спектра (500 – 600 нм). Эти вещества не участвуют в фотосинтезе непосредственно. Но листья с антоциановой окраской более эффективно поглощают свет, что приводит к нагреванию растений, усиливается испарение воды, и вместе с тем усиливается поглощение питательного раствора корнем, изменяется поступление минеральный веществ в растения, что отражается на скорости роста и урожайности. Для сортов, накапливающих антоцианы, можно прогнозировать иные требования к спектру осветителей, по сравнению с зеленолистными сортами. В процессах регуляции роста особенно велика роль фоторецепторов, которые содержатся в растениях в незначительных концентрациях. В видимой части спектра поглощают свет фитохромы, криптохромы и фототропины. Фитохромная система оценивает не только интенсивность, но и соотношение числа квантов в красной (660 нм) и дальней красной (730 нм) области. (В технической литературе дальнюю красную область относят к инфракрасной.) Это соотношение изменяется в течение дня: на рассвете и закате число квантов из дальней красной области выше, чем из красной, тогда как в середине дня доля красных квантов выше. При увеличении доли дальних красных квантов растение начинает подготовку к ночному времени суток (так называемый evening effect). В тени растения-конкурента доля квантов из дальней красной области особенно высока. При таком спектре падающего света фитохромы запускают ростовые реакции, известные как избегание тени: усиление роста междоузлий, уменьшение листовых пластинок, снижение прочности стебля. Прорастание семян некоторых растений, в том числе – салата-латука – контролируется светом через фитохромы. Красная часть спектра способствует прорастанию, а дальняя красная тормозит cэтот процесс. Предполагают участие фитохромов в восприятии температуры. Таким образом, благодаря фитохромам спектральный состав, интенсивность света и температура воспринимаются растением как некий единый интегральный показатель. В синей и зеленой частях спектра свет воспринимают криптохромы (и другие молекулы, содержащие флавиновое ядро). Соотношение синей и зеленой частей спектра через фоторецепторы контролирует: открывание / закрывание устьиц, синтез других пигментов (каротиноидов, антоцианов и др.), синдром избегания тени, сроки цветения, суточную ритмичность и другие процессы. Опосредованно все эти процессы влияют на испарение / поглощение воды, метаболизм азота, усвоение элементов минерального питания. Фототропины также содержат флавин в своем составе и воспринимают направление синего света. От этих фоторецепторов зависит направление роста растения (фототропизм), распределение хлоропластов в клетке и другие эффекты. Кроме того, свет в видимой области поглощают разнообразные другие молекулы: цитохромы, окисленные фенолы, некоторые вторичные метаболиты: бетацианины, куркумин, индиго, лавсон, гиперицин, кроцин и др. Однако влияние узкополосного света на биологические процессы с участием этих молекул пока еще недостаточно изучено. Комплексный подход к разработке технологии выращивания растений под светодиодными осветителями предполагает тонкую подборку спектра под конкретные культуры и сорта, и даже фазы роста. Селекционные учреждения должны начать отбор сортов в новом направлении: с максимальной продуктивностью при новой технологии освещения. Сведения о влияние спектрального состава и интенсивности света на минеральное питание пока еще фрагментарны. При разработке стандартов осветителей для выращивания растений наиболее информативными с физиологической точки зрения оказываются характеристики светового потока в молях / [м2 ×c] и соотношение числа квантов в красной / дальней красной области, а также в синей / зеленой части спектра.