ЭЛИЗЕБЕТ КОЛМОС (ELSEBETH KOLMOS) из центра LESA рассказывает о влиянии ультрафиолетового излучения на растения и отмечает, что еще многие аспекты такого влияния остаются неизученными.
В летнее время нам напоминают, что солнечный свет может быть вреден. Мы наносим солнцезащитные лосьоны и надеваем солнцезащитные очки с линзами, блокирующими ультрафиолетовое (УФ) излучение. Мы прячемся, потому что знаем, что ультрафиолетовое излучение от Солнца может нанести вред живым клеткам и даже убить некоторых из них.
Солнечный свет включает в себя свет с длинами волн вне видимого спектра: длинноволновое излучение [>700 нм, дальний красный свет и инфракрасное (ИК) излучение] и коротковолновое излучение (<400 нм или УФ-свет). При длине волны короче 400 нм ультрафиолетовое излучение обладает все большей энергией по мере уменьшения длины волны, а способность ультрафиолетового света разрушать химические связи постепенно увеличивается по мере того, как УФ-волны становятся короче. Из-за разницы таких химических эффектов спектр УФ-излучения обычно делится на УФ-A (400‒315 нм), УФ-B (315‒280 нм) и УФ-C (280‒100 нм) спектры. Поскольку верхние слои атмосферы Земли поглощают почти все ультрафиолетовое излучение на длинах волн короче 300 нм, на уровне поверхности в отношении воздействия на живые организмы обычно рассматривают только биохимическое воздействие ультрафиолетового излучения в диапазоне между 300 и 400 нм.
Процесс воздействия УФ-излучения на уровне поверхности на растения и животных может быть сложен для понимания. В то время как УФ-B излучение (315 нм и короче) может вызвать более сильные повреждения открытых тканей (например, солнечный ожог), оно поглощается прямо на поверхности. УФ-A излучение, с другой стороны, по мере увеличения длины волны постепенно становится менее опасным для тканей, подвергнутых воздействию, но все более глубоко проникает в подвергнутые воздействию ткани, вызывая другие фотохимические эффекты. Эти эффекты воздействуют на все живые ткани, подвергнутые такому воздействию.
Растения имеют развитые комплексные биохимические средства для управления воздействием со стороны всего спектра солнечного света, достигающего поверхности. Они прекрасно научились ощущать и использовать свет различных спектров. Например, самый известный растительный пигмент, хлорофилл, в основном поглощает синий и красный спектр и преобразует фотоны в биохимическую энергию (молекулы сахара) посредством фотосинтеза. Другие пигментные молекулы поглощают свет в коротковолновой части спектра. Растения воспринимают свет, используя специализированные белки. Растительные фоторецепторы специфичны для разных длин волн, например, фитохромы отвечают за восприятие красного света, а криптохромы – синего. Был открыт один УФ-рецептор — UVR8, который обнаруживает УФ-B-свет — но еще многое предстоит изучить в отношении молекулярного восприятия УФ-света растениями.
Фото: Изображение предоставлено центром LESA.
Восприятие УФ-излучения очень важно для роста и развития растений. Например, на стадии рассады рост должен быть ориентирован на оптимальное поглощение света, распределение длин волн и фотосинтез. В сельском хозяйстве с контролируемыми условиями также есть и другие факторы влияния. Растения, выращенные в теплицах, получают фильтрованный солнечный свет, поскольку ультрафиолетовый свет с длиной волны примерно короче 350 нм не проходит сквозь стекло или пластиковые материалы, а отсутствие света в диапазоне между 300 и 350 нм может оказывать различное воздействие на растения либо непосредственно, либо вызывая изменения в развитии других организмов (например, насекомых, микробов, грибов) в их экосистеме.
Ультрафиолетовый свет может спровоцировать биосинтез вторичных метаболитов, таких как флавоноиды. Этот биохимический ответ является, главным образом, защитным механизмом, поскольку окрашенные флавоноиды, такие как антоцианы, поглощают ультрафиолетовый свет и поэтому действуют в качестве защиты от повреждающих лучей. В то же время вкусовой профиль плодов или листьев изменяется, но часто востребованным образом, например, усиливая приятный аромат помидоров или уменьшая горечь салата.
Другими соединениями, вырабатываемыми в ответ на стресс и способствующими хемотипу растения, являются терпеноиды, которые также важны для аромата и пигментации растений и их плодов. Вторичные метаболиты в целом, как полагают, улучшают питательные качества культур, в первую очередь за счет антиоксидантных и антимикробных свойств этих соединений.
Развитие светодиодного освещения в сельском хозяйстве с контролируемыми условиями обеспечивает возможность добавления с помощью светодиодов УФ-света в режим освещения посадок сельскохозяйственными лампами, но исследования относительно того, может ли дополнительное УФ-освещение улучшить аромат и вкус овощей, все еще находятся в зачаточном состоянии. В последних докладах таких как «Управление сенсорными и фитохимическими профилями тепличных томатов с использованием экологически значимых доз ультрафиолетового излучения» (“Manipulating Sensory and Phytochemical Profiles of Greenhouse Tomatoes Using Environmentally Relevant Doses of Ultraviolet Radiation”) (август 2016 г.) и «Изменения в морфологии, антиоксидантной способности и содержании летучих веществ в базилике камфорном (Ocimum basilicum)» (“Light Quality Dependent Changes in Morphology, Antioxidant Capacity, and Volatile Production in Sweet Basil (Ocimum basilicum)”) (сентябрь 2016 г.), было обнаружено, что дополнительное воздействие УФ-излучения действительно улучшает вкусовые качества некоторых трав (например, базилика) и помидоров.
Конечно же, могут возникать дополнительные проблемы, которые необходимо учитывать при применении дополнительного УФ-освещения в растениеводстве. Нуждаются ли растения в постоянном воздействии для улучшения качеств конечного урожая? Могут ли растения достичь правильного сочетания вкуса, питательных свойств и размера? Могут возникнуть и другие проблемы безопасности — насколько УФ-облучение безопасно для работников объекта, если УФ-свет требуется в процессе контроля условий для растениеводства? Мы уже знаем, что слишком большое воздействие излучения в УФ-B спектре может вызвать серьезные проблемы с глазами и кожей.
Будущие исследования в LESA (Центр изучения систем и приложений на основе освещения (Lighting Enabled Systems and Applications) при Ренсселеровском политехническом институте) помогут проанализировать влияние различных длин волн ультрафиолетового света на качество продукции, вкус, питательные свойства, объем биомассы и урожайность сельскохозяйственных культур с целью производства более ценных продуктов растениеводства в контролируемых условиях, над чем как раз работает команда ученых-растениеводов LESA.