Дальний красный в растениеводстве. Забытые фотоны

Слова и скриншоты взяты из видеоролика, ссылка на который указана в конце конспекта. Этот конспект был опубликован сперва здесь

При помощи дальнего красного можно управлять фотосинтезом и формой растения.

Shuyang проводила наблюдения в 4-х разных боксах, в каждом из которых были созданы условия с различным сочетанием света:

В первых двух - белый свет от соответствующих светодиодов. В двух оставшихся - пурпурный или фиолетовый свет от синих и красных светодиодов. PPFD - это показатель облучения фотонами.

Кол-во зелённой массы (свежей и высушенной) в итоге оказалось следующим: 135%, 100%, 127%, 100%. На картинке выше не указано (лектор это показывает позже в видео), но в первом и третьем боксе добавлено 50 PPFD дальнего красного, что и повысило в них объём зелённой массы. При этом в первом боксе зелённая масса больше, чем в третьем боксе, за счёт присутствия в первом боксе зелёного света.

Эффекты спектров света

• синий свет подавляет рост клеток. Другими словами, подавляет рост стебля и листьев.
• зелёный свет улучшает восприятие человеческим зрением, позволяет диагностировать состояние растений и наличие насекомых. Экономия на электроэнергии без зелёного света незначительна - около 10%.
• дальний красный (дальше 700) - усиливают рост клеток

Согласно словам

> "Экстраординарные утверждения требуют экстраординарных доказательств". Карл Саган

с дальним красным спектром, который сильно влияет на рост клеток, мы должны заиметь экстраординарные доказательства, чтобы понять это.

Вот что происходит с фотонами, которые проходят и вступают в реакцию с фотосинтезом:

К нам прилетают 4 фотона и взаимодействуют с электронами, перенося их на более высокий энергетический уровень. Здесь же происходит и расщепление воды. Теперь эти 4 электрона вырабатывают молекулу АТФ (ATP in english) - первый очень значимый шаг в фотосинтезе. На второй платформе прилетают ещё 4 фотона, возбуждая эти 4 электрона и перенося их ещё на более высокий энергетический уровень, и мы получаем в итоге НАДФ (NADPH). АТФ вместе с НАДФ создают колоссальные энергетические компоненты в процессе фотосинтеза. Интересная вещь, которую можно заметить: в процесс фотосинтеза сначала включается фотосистема II и только потом фотосистема I. Тем не менее нам известно ещё с 50-х годов, со времён Эмерсона, что фотоны дальнего красного спектра также эффективно участвуют в этом процессе (фотосистема I). И это помогает нам лучше понять, как работают две эти системы. Речь о том, что дальний красный спектр может заменять традиционные фотосинтетические фотоны в этом месте, но только в том случае, когда есть фотоны "белого света" на фотосистеме II. В отдельности дальний красный спектр не оказывает никакого вляиния. Это называется Эффектом усиления эммерсона.

Эта простая и наглядная диаграмма даёт нам на понять, как фотоны преобразуются в энергию и дальше эта энергия используется для превращения углекислого газа в сахарозу, но ключевой момент здесь - дальний красный свет

Есть один фундаментальный закон, который лежит в основе всего этого, и этот закон относится не только к фотосинтезу, но и к солнечным панелям, также он описывает процессы, которые относятся к человеческому зрению и происходят внутри нашей сетчатки. Это закон Штарка-Энштейна: один фотон возбуждает один электрон.

Верно ли наше определение фотосинтетических фотонов?

Для этого исследования мы поместили наш салат в газообменную камеру.

Примечание: *Данные камеры позволяют получить больше точных данных о фотосинтезе и выразить его в виде цифр, тем самым мы сможем не просто сказать абстрактно о хорошем, низком или умеренном фотосинтезе, а сможем с высокой точностью выразить это на графике; в такие камеры могут помещаться как отдельные ветки или листья, так и растения целиком.*

Мы добавили дополнительно дальнего красного света. Именно так и проходило наше исследование. Увеличение фотосинтеза при белом свете + дальнем красном происходит со всеми видами:

Shuyang провела исследования более, чем на 20 видах, и на всех них дальный красный оказывал благотворное влияние точно также, как и традиционные фотоны.

На графике слева видно, что энергия дальнего красного выглядит не очень, но энергия не влияет на фотосинтез и форму растения, всё это делают фотоны, в частности низкоэнергетические фотоны. График справа показывает, что дальний красный - очень значимый. Это мы можем использовать для влияния на рост и форму растений.

Исследование Paul Kusuma о реакции растения на тень

Если растение растёт на ярком открытом солнце, то оно, конечно, получает огромное количество всех видимых фотонов: синего, красного, зелёного. Растение "знает", что оно на солнышке. Но если мы перенесёмся в тень, то здесь у нас оказывается много дальнего красного

и когда растение получает много дальнего красного света, случается паника: "мы в тени". Мы должны выбрать одну из двух вещей:

• или быстро расти ввысь и получить там больше света
• или стать больше, чтобы поглотить больше света

Таким образом существует 2 типа растений:

1. "теневые избегатели" ("shade avoidance") - растут и тянутся быстро, т. е. стараются стать выше
2. "теневые терпилы" ("shade tolerance") - остаются в тени и стараются стать больше.

Результат влияния дальнего красного на салат

Вот почему многие поспешили использовать дальний красный при выращивании салата и других растений, и многие отмечают, что *это просто поразительно, мы должны добавлять дальний красный везде, где только можно*. Но не забывайте, что дальний красный также способствует вытягиванию растений, и многие растения могут оказаться теневыми избегателями.

Тот же салат, но с другого ракурса

Очень сильно видно влияние на биомассу.

А вот и проблемки: томат и огурец вытянулись, что крайне недопустимо, особенно в случае с томатами:

Для шпината дальний красный показал хороший результат. Ещё влияние дальнего красного поспособствовало более раннему цветению.

Исторически так сложилось, что у нас долгое время были квантовые датчики для измерения фотосинтетических фотонов, но вот только эти датчики не измеряли дальний красный, а для этого потребуется спектрорадиометр. Компания разработала датчики, которые позволяют измерять как традиционные фотосинтетические фотоны, так и отдельно фотоны дальнего красного спектра.

Источники и персоналии

1. Брюс Багби — лектор конспектируемого видео, профессор физиологии сельхоз культур университета штата Юта, президент компании Apogee Instruments Inc. Видео снято в 2020 годом [8:13]. Оригинал видео на английском
2. Shuyang Zhen, Research Scientist – научный сотрудник лаборатории, помощник лектора, осуществляла исследования в фотосинтезе, особенно в фотосинтезе лиственного покрова.
3. Paul Kusuma, PhD Candidate – приехал из университета во Флориде, где лаборатория Кевина Флойта. Закончил исседования о влиянии дальнего красного спектра на форму растений.
4. NASA — основной спонсор исследования, помогали лаборатории на протяжении 30-ти лет, финансируя даже простейшие исследования.
5. USDA (Lighting Approaches to Maximize Profits) — сопутствующий спонсор, присоединилась недавно с проектом "Как получить выгоду от освещения"
6. Plant Phisiology 3rd edition, 2002 - в нём приведён график (с хлорофиллом A и B), показывающий, что хлорофилл хорошо поглощает красный и синий спектры, но плохо - зелёный. При этом в солнечном свете много зелёного спектра. [7:56]

1. Plant Phisiology 6th edition, 2015 - в нём приведён график (добавлены новые пигменты beta carotene, phycoerytrhin, phycocyanin, allophycocyanin), показывающий, что много пигментов поглощают в том числе и зелёный спектр. Несмотря на то, что на шкале поглощения хлорофиллом мало зелёного спектра, этот спектр проникает сквозь листья достаточно, чтобы влиять на фотосинтез. [8:47]

1. Brodersen & Vogelmann. 2010. Functional Plant Biology. 37:403-412 - исследование проницаемости света, показывающее, что зелёный свет прекрасно проходит через весь листочек, прямо через губчатый мезофил [12:15] Дальний красный проникает через весь лист.

1. [14:13] - [15:31]График падает на отметке 700 нм, показывая нам, что значение этих фотонов минимальное. Однако Keith McCree был замечательным учёным, физиком, внёсшим значительный вклад в биологию, но у него были только примитивные инструменты при создании этого графика, разумеется, и не было и светодиодов, которые мы имеем сейчас. А у него же были только призмы и фильтры, свет был тусклым, единовременно он мог изучать только один спектр на одном единственном листочке. Это потрясающая проделанная работы и шедевриально написанные труды, но всё это было ограниченно возмоможностью одновременного изучения взаимодействия спектров

1. Pattison, Taso, Brainard, and Bugbee. 2018. LEDs for photons, physiology and food. Nature. 563(7732):493-500 - по этому докладу и рассказана данная лекция.