La luce è il fattore ambientale fondamentale per la crescita e lo sviluppo delle piante. Non è solo la fonte di energia di base per la fotosintesi, ma anche un importante regolatore della crescita e dello sviluppo delle piante. La crescita e lo sviluppo delle piante non sono limitati solo dalla quantità o dall'intensità della luce (densità del flusso fotonico, densità del flusso fotonico, PFD), ma anche dalla qualità della luce, ovvero dalle diverse lunghezze d'onda della luce e della radiazione e dai loro diversi rapporti di composizione.
Lo spettro solare può essere approssimativamente suddiviso in radiazione ultravioletta (ultravioletta, UV<400nm, including="" uv-a320~400nm;="" uv-b280~320nm;=""><280nm, 100~280nm),="" visible="" light="" or="" photosynthetically="" active="" radiation="" (par,="" 400~700nm,="" including="" blue="" light="" 400~500nm;="" green="" light="" 500~600nm;="" red="" light="" 600~700nm)="" and="" infrared="" radiation="" (700~800nm).="" due="" to="" the="" absorption="" of="" ozone="" in="" the="" stratosphere="" (the="" stratosphere),="" uv-c="" and="" most="" of="" the="" uv-b="" do="" not="" reach="" the="" earth's="" surface.="" the="" intensity="" of="" uv-b="" radiation="" reaching="" the="" ground="" changes="" due="" to="" geographic="" (altitude="" and="" latitude),="" time="" (day="" time,="" seasonal="" variation),="" meteorological="" (cloud="" presence,="" thickness,="" etc.)="" and="" other="" environmental="" factors="" such="" as="" air="">
Le piante possono rilevare sottili cambiamenti nella qualità della luce, nell'intensità della luce, nella lunghezza della luce e nella direzione nell'ambiente di crescita e avviare i cambiamenti fisiologici e morfologici necessari per sopravvivere in questo ambiente. La luce blu, la luce rossa e la luce rossa lontana svolgono un ruolo chiave nel controllo della fotomorfogenesi delle piante. I fotorecettori (fitocromo, Phy), criptocromo (Cry) e fotorecettori (fototropina, Phot) ricevono segnali luminosi e inducono la crescita e lo sviluppo delle piante attraverso la trasduzione del segnale.
La luce monocromatica come usata qui si riferisce alla luce in un intervallo di lunghezze d'onda specifico. La gamma di lunghezze d'onda della stessa luce monocromatica utilizzata in diversi esperimenti non è completamente coerente e altre luci monocromatiche che hanno una lunghezza d'onda simile spesso si sovrappongono in misura diversa, specialmente prima della comparsa di una sorgente luminosa a LED monocromatica. In questo modo, naturalmente, ci saranno risultati diversi e persino contraddittori.
La luce rossa (R) inibisce l'allungamento degli internodi, favorisce la ramificazione laterale e l'accrescimento, ritarda la differenziazione dei fiori e aumenta gli antociani, la clorofilla e i carotenoidi. La luce rossa può causare un movimento luminoso positivo nelle radici di Arabidopsis. La luce rossa ha un effetto positivo sulla resistenza delle piante agli stress biotici e abiotici.
La luce rossa lontana (FR) può contrastare l'effetto della luce rossa in molti casi. Un basso rapporto R/FR comporta una diminuzione della capacità fotosintetica dei fagioli. Nella camera di crescita, la lampada fluorescente bianca viene utilizzata come sorgente luminosa principale e la radiazione rosso lontano (il picco di emissione di 734 nm) è integrata con LED per ridurre il contenuto di antocianine, carotenoidi e clorofilla e il peso fresco, peso a secco, lunghezza del gambo, lunghezza della foglia e foglia sono realizzati. La larghezza è aumentata. L'effetto della FR supplementare sulla crescita può essere dovuto ad un aumento dell'assorbimento della luce dovuto all'aumento dell'area fogliare. L'Arabidopsis thaliana coltivata in condizioni di R/FR basso era più grande e più spessa di quelle coltivate in condizioni di R/FR elevate, con una grande biomassa e una forte adattabilità al freddo. Diversi rapporti di R/FR possono anche alterare la tolleranza al sale delle piante.
In generale, l'aumento della frazione di luce blu nella luce bianca può accorciare gli internodi, ridurre l'area fogliare, ridurre i tassi di crescita relativi e aumentare i rapporti azoto/carbonio (N/C).
Un'elevata sintesi di clorofilla vegetale e formazione di cloroplasti, nonché cloroplasti con alto rapporto di clorofilla a/b e bassi livelli di carotenoidi richiedono luce blu. Sotto la luce rossa, il tasso fotosintetico delle cellule delle alghe è gradualmente diminuito e il tasso fotosintetico si è rapidamente ripreso dopo essere passato alla luce blu o aver aggiunto un po' di luce blu sotto luce rossa continua. Quando le cellule di tabacco a crescita scura sono state trasferite alla luce blu continua per 3 giorni, la quantità totale e il contenuto di clorofilla di rubulosio-1, 5-bisfosfato carbossilasi/ossigenasi (Rubisco) sono aumentati notevolmente. Coerentemente con ciò, anche il peso secco delle cellule nel volume della soluzione di coltura unitaria aumenta bruscamente, mentre aumenta molto lentamente sotto luce rossa continua.
Ovviamente, per la fotosintesi e la crescita delle piante, non basta la luce rossa. Il grano può completare il suo ciclo vitale sotto un'unica sorgente di LED rossi, ma per ottenere piante alte e un gran numero di semi è necessario aggiungere un'adeguata quantità di luce blu (Tabella 1). La resa di lattuga, spinaci e ravanelli coltivati sotto un'unica luce rossa era inferiore a quella delle piante coltivate sotto la combinazione di rosso e blu, mentre la resa delle piante coltivate sotto la combinazione di rosso e blu con una luce blu appropriata era paragonabile a quello delle piante coltivate sotto lampade fluorescenti bianche fredde. Allo stesso modo, Arabidopsis thaliana può produrre semi sotto un'unica luce rossa, ma cresce sotto la combinazione di luce rossa e blu poiché la proporzione di luce blu diminuisce (dal 10% all'1%) rispetto alle piante coltivate sotto lampade fluorescenti bianche fredde. La fioritura, la fioritura e i risultati delle piante sono stati ritardati. Tuttavia, la resa in semi delle piante coltivate sotto una combinazione di luce rossa e blu contenente il 10 percento di luce blu era solo la metà di quella delle piante coltivate sotto lampade fluorescenti bianche fredde. L'eccessiva luce blu inibisce la crescita delle piante, accorciando gli internodi, riducendo la ramificazione, l'area fogliare ridotta e il peso secco totale ridotto. Le piante hanno differenze di specie significative nella necessità di luce blu.
Va notato che sebbene alcuni studi che utilizzano diversi tipi di sorgenti luminose abbiano dimostrato che le differenze nella morfologia e nella crescita delle piante sono legate a differenze nella proporzione di luce blu nello spettro, le conclusioni sono ancora problematiche perché la composizione della luce non blu la luce emessa dai diversi tipi di lampade utilizzate è diversa. Ad esempio, sebbene il peso secco delle piante di soia e sorgo coltivate sotto la stessa lampada fluorescente e il tasso fotosintetico netto per unità di superficie fogliare siano significativamente superiori a quelli coltivati con lampade al sodio a bassa pressione, questi risultati non possono essere completamente attribuiti alla luce blu sotto lampade al sodio a bassa pressione. Mancanza, temo sia anche correlata alla luce gialla e verde sotto la lampada al sodio a bassa pressione e alla luce rossa arancione.
Il peso secco delle piantine di pomodoro coltivate sotto luce bianca (contenente luce rossa, blu e verde) era significativamente inferiore a quello delle piantine coltivate sotto luce rossa e blu. Il rilevamento spettrale dell'inibizione della crescita nella coltura tissutale ha indicato che la qualità della luce più dannosa era la luce verde con un picco a 550 nm. L'altezza della pianta, il peso fresco e secco della calendula coltivata alla luce della luce verde sono aumentati dal 30% al 50% rispetto alle piante coltivate con luce a spettro completo. La luce verde piena di luce a spettro completo fa sì che le piante siano corte e asciutte e il peso fresco si riduce. La rimozione della luce verde rafforza la fioritura della calendula, mentre l'integrazione della luce verde inibisce la fioritura di Dianthus e lattuga.
Tuttavia, ci sono anche segnalazioni di semaforo verde che promuovono la crescita. Kim et al. ha concluso che la luce verde integrata (LED) combinata rosso-blu porta alla conclusione che la crescita delle piante è inibita quando la luce verde supera il 50 percento, mentre la crescita delle piante è migliorata quando il rapporto di luce verde è inferiore al 24 percento. Sebbene il peso secco della parte superiore della lattuga sia aumentato dalla luce verde aggiunta dalla luce verde fluorescente sullo sfondo luminoso combinato rosso e blu fornito dal LED, la conclusione che l'aggiunta di luce verde migliora la crescita e produce più biomassa rispetto alla luce bianca fredda è problematica: (1) Il peso secco della biomassa che osservano è solo il peso secco della parte fuori terra. Se si include il peso secco dell'apparato radicale sotterraneo, il risultato potrebbe essere diverso; (2) la parte superiore della lattuga coltivata sotto le luci rosse, blu e verdi È probabile che le piante che crescono in modo significativo sotto lampade fluorescenti bianche fredde abbiano la luce verde (24 percento) contenuta nella lampada a tre colori molto inferiore al risultato della lampada fluorescente bianca fredda (51 percento), ovvero l'effetto di soppressione della luce verde della lampada fluorescente bianca fredda è maggiore dei tre colori. I risultati della lampada; (3) Il tasso di fotosintesi delle piante coltivate con la combinazione di luce rossa e blu è significativamente superiore a quello delle piante coltivate con luce verde, a sostegno della speculazione precedente.
Tuttavia, il trattamento dei semi con un laser verde può produrre ravanelli e carote due volte più grandi del controllo. Un debole impulso verde può accelerare l'allungamento delle piantine che crescono nell'oscurità, cioè favorire l'allungamento dello stelo. Il trattamento delle piantine di Arabidopsis thaliana con un singolo impulso di luce verde (525 nm ± 16 nm) (11,1 μmol·m-2·s-1, 9 s) da una sorgente LED ha comportato una diminuzione delle trascrizioni plastidiche e un aumento del tasso di crescita del fusto.
Sulla base degli ultimi 50 anni di dati di ricerca sulla fotobiologia vegetale, è stato discusso il ruolo della luce verde nello sviluppo delle piante, nella fioritura, nell'apertura stomatica, nella crescita dello stelo, nell'espressione genica dei cloroplasti e nella regolazione della crescita delle piante. Si ritiene che il sistema di percezione della luce verde sia in armonia con i sensori rosso e blu. Regola la crescita e lo sviluppo delle piante. Si noti che in questa recensione, la luce verde (500~600 nm) viene estesa per includere la parte gialla dello spettro (580~600 nm).
La luce gialla (580~600 nm) inibisce la crescita della lattuga. I risultati del contenuto di clorofilla e del peso secco per diversi rapporti di luce rossa, rossa lontana, blu, ultravioletta e gialla indicano rispettivamente che solo la luce gialla (580~600 nm) può spiegare la differenza negli effetti di crescita tra la lampada al sodio ad alta pressione e l'alogenuro metallico lampada. Cioè, la luce gialla inibisce la crescita. Inoltre, la luce gialla (picco a 595 nm) ha inibito la crescita del cetriolo più fortemente della luce verde (picco a 520 nm).
Alcune conclusioni sugli effetti contrastanti della luce gialla/verde possono essere dovute alla gamma incoerente di lunghezze d'onda della luce utilizzata in quegli studi. Inoltre, poiché alcuni ricercatori classificano la luce da 500 a 600 nm come luce verde, c'è poca letteratura sugli effetti della luce gialla (580-600 nm) sulla crescita e lo sviluppo delle piante.
Le radiazioni ultraviolette riducono l'area delle foglie delle piante, inibiscono l'allungamento dell'ipocotilo, riducono la fotosintesi e la produttività e rendono le piante suscettibili all'attacco di agenti patogeni, ma possono indurre la sintesi dei flavonoidi e meccanismi di difesa. UV-B può ridurre il contenuto di acido ascorbico e -carotene, ma può promuovere efficacemente la sintesi degli antociani. La radiazione UV-B si traduce in un fenotipo di pianta nana, foglie piccole e spesse, picciolo corto, rami ascellari aumentati e variazioni del rapporto radice/corona.
I risultati delle indagini su 16 cultivar di riso provenienti da 7 diverse regioni di Cina, India, Filippine, Nepal, Thailandia, Vietnam e Sri Lanka nella serra hanno mostrato che l'aggiunta di UV-B ha comportato un aumento della biomassa totale. Cultivar (di cui solo una ha raggiunto un livello significativo, dallo Sri Lanka), 12 cultivar (di cui 6 significative) e quelle con sensibilità ai raggi UV-B sono state significativamente ridotte nell'area fogliare e nella dimensione del timone. Sono presenti 6 cultivar a maggior contenuto di clorofilla (di cui 2 raggiungono livelli significativi); 5 cultivar con tasso fotosintetico fogliare significativamente ridotto e 1 cultivar con aumento significativamente migliorato (anche la sua biomassa totale è significativa).
Il rapporto di UV-B/PAR è un importante determinante della risposta delle piante agli UV-B. Ad esempio, UV-B e PAR insieme influiscono sulla morfologia e sulla resa in olio della menta, che richiede alti livelli di luce naturale non filtrata.
Va notato che gli studi di laboratorio sugli effetti UV-B, sebbene utili per identificare fattori di trascrizione e altri fattori molecolari e fisiologici, sono dovuti all'uso di livelli UV-B più elevati, assenza di UV-A concomitante e PAR spesso di fondo basso, il i risultati di solito non sono estrapolati meccanicamente nell'ambiente naturale. Gli studi sul campo in genere utilizzano lampade UV per aumentare o utilizzare filtri per ridurre i livelli di UV-B.
