РЕАЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФОТОСИСТЕМЫ PSII ERUCA SATIVA ПОД РАЗЛИЧНЫМ МОНОХРОМНЫМ ОСВЕЩЕНИЕМ

  • Yuriy N. Kulchin Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт автоматики и процессов управления» ДВО РАН https://orcid.org/0000-0002-8750-4775
  • Alexander S. Kholin Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт автоматики и процессов управления» ДВО РАН https://orcid.org/0000-0002-9751-5136
  • Sergey O. Kozhanov Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт автоматики и процессов управления» ДВО РАН https://orcid.org/0009-0001-2629-3521
  • Evgeny P. Subbotin Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт автоматики и процессов управления» ДВО РАН https://orcid.org/0000-0002-8658-3504
  • Kirill V. Kovalevsky Общество с ограниченной ответственностью «Иннофарм-ДВ» https://orcid.org/0009-0009-3321-7189
  • Natalia I. Subbotina Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт автоматики и процессов управления» ДВО РАН https://orcid.org/0000-0003-0945-3877
  • Andrey S. Gomolsky Дальневосточный федеральный университет https://orcid.org/0009-0003-5606-9648
Ключевые слова: рукола, флуоресценция хлорофилла, фотосинтез, фотоэффективность PSII, LED-освещение

Аннотация

Обоснование. В настоящее время для управления развитием растений и наилучшего понимания отклика растений на различные источники света, особенно в связи с развитием индустрии и применения светодиодных источников света, необходимо понимание фотохимических процессов, происходящих при воздействии различных факторов. В ряде работ установлено значительное воздействие различных интенсивностей и спектра света на рост, морфометрические характеристики растений, которые, в том числе, зависят от фотохимической активности. Проведен ряд работ по оценке влияния интенсивности и спектра света на фотохимические характеристики различных культур, в том числе руколы. Тем не менее, недостаточное количество таких работ и отсутствие оценки реальной эффективности фотосистемы при выращивании промышленно значимых культур при высоких интенсивностях стало обоснованием для настоящей работы.

Цель. На примере промышленно значимой культуры подтвердить факт значительного воздействия различных световых режимов на фотохимическую активность растений и определить оптимальные световые режимы для реальной эффективности фотосистемы PSII.

Материалы и методы. Для решения поставленной задачи были проведены измерения ключевых параметров флуоресценции хлорофилла и оценка фотосинтетической активности руколы. Образцы растений культивировались в фитобоксах со светильниками трех монохромных спектров света (красный (R), зеленый (G), синий (B)). В каждом определенном спектре света было шесть постоянных уровней облучения (100, 300, 500, 700, 1000, 1400 мкмоль/с*м2). В качестве контрольного варианта использовался теплый белый свет с интенсивностью 200 мкмоль/с*м2.

Измерение параметров флуоресценции хлорофилла в листьях руколы на 28 день после высаживания проводили на импульсном флуориметре Hansatech FMS 1+ в течение одного дня в фитобоксах. Были проведены измерения флуоресценции адаптированных к актиничному свету листьев (Fs) и максимальной флуоресценции адаптированных к актиничному свету листьев (Fm’). Статистическая обработка данных осуществлялась с помощью пакета Microsoft Office Excel (USA).

Результаты. Измерения показали, что фотохимический аппарат руколы по-разному реагирует на стрессовое состояние, вызванное высоким уровнем облученности определенным цветом. Реальная эффективность PSII для каждого монохромного светового режима и определенной интенсивности различается, что указывает на различный отклик растений на стресс, вызываемый определенным сочетанием условий роста. Уровень переноса электронов обладает прямой линейной зависимостью от увеличения PPFD.

Заключение. Таким образом, интенсивность облучения в пределах от 100 до 500 мкмоль/с*м2 является наиболее оптимальной для реальной эффективности фотосистемы PSII для всех световых спектров. Использование монохроматического синего света для руколы, нежелательно, поскольку, вероятно, может вызывать нарушение защитных механизмов тушения флуоресценции.

Информация о спонсорстве. Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (Соглашение № 075-15-2022-1143 от 07.07.2022 г.).

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Yuriy N. Kulchin, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт автоматики и процессов управления» ДВО РАН

доктор физико-математических наук, академик, научный руководитель института

Alexander S. Kholin, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт автоматики и процессов управления» ДВО РАН

научный сотрудник

Sergey O. Kozhanov, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт автоматики и процессов управления» ДВО РАН

старший инженер

Evgeny P. Subbotin, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт автоматики и процессов управления» ДВО РАН

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

Kirill V. Kovalevsky, Общество с ограниченной ответственностью «Иннофарм-ДВ»

генеральный директор

Natalia I. Subbotina, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт автоматики и процессов управления» ДВО РАН

младший научный сотрудник

Andrey S. Gomolsky, Дальневосточный федеральный университет

инженер-исследователь, передовая инженерная школа «Институт биотехнологий, биоинженерии и пищевых систем»

Литература

Список литературы

Abdul, W. M., Razvi, S. S. Eruca sativa L.—A promising source of drug lead for antimicrobial, neuroprotective and anticancer treatment regimens: Pharmacological properties of medicinal plant “Eruca sativa” // European Journal of Cell Science, 2019, vol. 1, pp. 17-21. https://doi.org/10.34154/2019-EJCS-0101-17-21/euraass

Моргун В.В., Прядкина Г.А. Эффективность фотосинтеза и перспективы повышения продуктивности озимой пшеницы // Физиология растений и генетика. 2014. Т. 46, № 4. С. 279-301. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/FBKR_2014_45_4_3

Наконечная О.В., Холин А.С., Субботин Е.П., Бурковская Е.В., Хроленко Ю.А., Гафицкая И.В., Орловская И.Ю., Бурдуковский М.Л., Михеева А.В., Кульчин Ю.Н. Влияние светодиодного освещения разного спектра на развитие салата листового (Lactuca sativa) // Известия Российской академии наук. Серия биологическая. 2023. № 3. С. 278-286. https://doi.org/10.31857/S1026347022600406

Наконечная О.В., Холин А.С., Субботин Е.П., Грищенко О.В., Бурковская Е.В., Хроленко Ю.А., Бурдуковский М.Л., Кульчин Ю.Н., Журавлев Ю.Н. Развитие растений томатов под светом различного спектрального состава // Физиология растений. 2022. Т. 69, № 5. С. 472-479. https://doi.org/10.31857/S0015330322050165

Осипов В.А., Абдурахманов Г.М., Гаджиев А.А., Братковская Л.Б., Заядан Б.К. Использование флуоресценции хлорофилла «а» для биотестирования водной среды // Юг России: экология, развитие. 2012. Т. 7, № 2. С. 93-100. URL: https://ecodag.elpub.ru/ugro/article/viewFile/234/228

Baker N. R. Chlorophyll fluorescence: a probe of photosynthesis in vivo // Annual review of plant biology, 2008, vol. 59, pp. 89-113. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.59.032607.092759

Bell L., Methven L., Signore A., Oruna-Concha M. J., Wagstaff C. Analysis of seven salad rocket (Eruca sativa) accessions: The relationships between sensory attributes and volatile and non-volatile compounds // Food chemistry, 2017, vol. 218, pp. 181-91. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2016.09.076

Elmardy N. A., Yousef A. F., Lin K., Zhang X., Ali M. M., Lamlom S. F., Kalaji H. M., Kowalczyk K., Xu Y. Photosynthetic performance of rocket (Eruca sativa. Mill.) grown under different regimes of light intensity, quality, and photoperiod // PLoS One, 2021, vol. 16, no. 9, pp. e0257745. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0257745

Fu Y., Li H., Yu J., Liu H., Cao Z., Manukovsky N., Liu H. Interaction effects of light intensity and nitrogen concentration on growth, photosynthetic characteristics and quality of lettuce (Lactuca sativa L. Var. youmaicai) // Scientia Horticulturae, 2017, vol. 214, pp. 51-7. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2016.11.020

Garg, G., Sharma, V. Eruca sativa (L.): Botanical Description, Crop Improvement, and Medicinal Properties // Journal of Herbs, Spices & Medicinal Plants, 2014, vol. 20, no. 2, pp. 171-182. https://doi.org/10.1080/10496475.2013.848254

Janka E., Körner O., Rosenqvist E. Ottosen C.-O. Simulation of PSII-operating efficiency from chlorophyll fluorescence in response to light and temperature in chrysanthemum (Dendranthema grandiflora) using a multilayer leaf model // Photosynthetica, 2018, vol. 56, pp. 633-640. https://doi.org/10.1007/s11099-017-0701-8

Kim K., Kook H.-S., Jang Y.-J., Lee W.-H., Kamala-Kannan S., Chae J.-C., Lee K.-J. The effect of blue-light-emitting diodes on antioxidant properties and resistance to Botrytis cinerea in tomato // Journal of Plant Pathology & Microbiology, 2013, vol. 4, no. 203, pp. 10.4172. https://doi.org/10.4172/2157-7471.1000203

Kong S.-G., Okajima K. Diverse photoreceptors and light responses in plants // Journal of plant research, 2016, vol. 129 no. 2, pp. 111-114. https://doi.org/10.1007/s10265-016-0792-5

Kramer M., Rodriguez-Heredia M., Saccon F., Mosebach L., Twachtmann M., Krieger-Liszkay A., Duffy C., Knell R. J., Finazzi G., Hanke G. T. Regulation of photosynthetic electron flow on dark to light transition by ferredoxin: NADP (H) oxidoreductase interactions // eLife, 2021, no. 10, pp. e56088. https://doi.org/10.7554/eLife.56088

Kulchin Y. N., Bulgakov V. P., Subbotin E. P., Kholin A. S., Subbotina N. I. Monochromatic LEDs Effect on Rocket (Eruca sativa Mill.) Morphogenesis and Productivity // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2022, vol. 86, no. 1, pp. 114-118. https://doi.org/10.3103/S1062873822700502

Loconsole D., Cocetta G., Santoro P., Ferrante A. Optimization of LED lighting and quality evaluation of romaine lettuce grown in an innovative indoor cultivation system // Sustainability, 2019, vol. 11, no. 3, pp. 841. https://doi.org/10.3390/su11030841

Maxwell K., Johnson G. N. Chlorophyll fluorescence – a practical guide // Journal of Experimental Botany, 2000, vol. 51, no. 345, pp. 659-668. https://doi.org/10.1093/jexbot/51.345.659

Muneer S., Kim E. J., Park J. S., Lee J. H. Influence of green, red and blue light emitting diodes on multiprotein complex proteins and photosynthetic activity under different light intensities in lettuce leaves (Lactuca sativa L.) // International journal of molecular sciences, 2014, vol. 15, no. 3, pp. 4657-4670. https://doi.org/10.3390/ijms15034657

Nakonechnaya O. V., Grishchenko O. V., Khrolenko Y. A., Bulgakov V. P., Burkovskaya E. V., Grigorchuk V. P., Prokuda N. A., Kholin A. S., Gafitskaya I. V., Mikheeva A. V., Orlovskaya I. Y., Burdukovskii M. L., Subbotin E. P., Kul’chin Y. N. Effect of LED Lighting on Morphogenesis and Content of Ascorbic Acid, P, K, and Ca in Eruca sativa Plants // Russian Journal of Plant Physiology, 2021, vol. 68, pp. 356-366. https://doi.org/10.1134/S1021443721020138

Nguyen T. H., Tran T. T., Nguyen Q. T. Effects of light intensity on the growth, photosynthesis and leaf microstructure of hydroponic cultivated spinach (Spinacia oleracea L.) under a combination of red and blue LEDs in house // International Journal of Agricultural Technology, 2019, vol. 15, no. 1, pp. 75–90. URL: http://www.ijat-aatsea.com/pdf/v15_n1_2019_January/6_IJAT_15(1)_2019_Nguyen,%20T.%20P.%20D..pdf

Ouzounis T., Fretté X., Ottosen C. O., Rosenqvist, E. Spectral effects of LEDs on chlorophyll fluorescence and pigmentation in Phalaenopsis 'Vivien' and 'Purple Star' // Physiologia plantarum, 2015, vol. 154, no. 2, pp. 314-327. https://doi.org/10.1111/ppl.12300

Ruban A. V., Nonphotochemical Chlorophyll Fluorescence Quenching: Mechanism and Effectiveness in Protecting Plants from Photodamage // Plant Physiology, 2016, vol. 170, no. 4, pp. 1903-1916. https://doi.org/10.1104/pp.15.01935

Su P., Ding S., Wang D. Kan W., Yuan M., Chen X., Tang C., Hou J. Wu L. Plant morphology, secondary metabolites and chlorophyll fluorescence of Artemisia argyi under different LED environments // Photosynthesis Research, 2023. https://doi.org/10.1007/s11120-023-01026-w

Xu Y., Yang M., Cheng F., Liang Y. Effects of LED photoperiods and light qualities on in vitro growth and chlorophyll fluorescence of Cunninghamia lanceolate // BMC Plant Biology, 2020, vol. 20, pp. 269. https://doi.org/10.1186/s12870-020-02480-7

Yorio N. C., Goins G. D., Kagie H. R., Wheeler R. M., Sager J. C. Improving spinach, radish, and lettuce growth under red light-emitting diodes (LEDs) with blue light supplementation // HortScience, 2001, vol. 36, no. 2, pp. 380-383.

References

Abdul, W. M., Razvi, S. S. Eruca sativa L.—A promising source of drug lead for antimicrobial, neuroprotective and anticancer treatment regimens: Pharmacological properties of medicinal plant “Eruca sativa”. European Journal of Cell Science, 2019, vol. 1, pp. 17-21. https://doi.org/10.34154/2019-EJCS-0101-17-21/euraass

Morgun V.V., Pryadkina G.A. Effektivnost' fotosinteza i perspektivy povysheniya produktivnosti ozimoy pshenitsy [Photosynthetic efficiency and perspectives of winter wheat productivity increasing]. Fiziologiya rasteniy i genetika [Plants physiology and genetics], 2014, vol. 46, no 4. pp. 279-301. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/FBKR_2014_45_4_3

Nakonechnaya O.V., Kholin A.S., Subbotin E.P., Burkovskaya E.V., Khrolenko Yu.A., Gafitskaya I.V., Orlovskaya I.Yu., Burdukovskiy M.L., Mikheeva A.V., Kul'chin Yu.N. Vliyanie svetodiodnogo osveshcheniya raznogo spektra na razvitie salata listovogo (Lactuca sativa) [Effect of different spectra LED lightning on Lactuca sativa development]. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Seriya biologicheskaya [Bulletin of the Russian academy of sciences: Biology], 2023, no. 3, pp. 278-286. https://doi.org/10.31857/S1026347022600406

Nakonechnaya O.V., Kholin A.S., Subbotin E.P., Grishchenko O.V., Burkovskaya E.V., Khrolenko Yu.A., Burdukovskiy M.L., Kul'chin Yu.N., Zhuravlev Yu.N. Razvitie rasteniy tomatov pod svetom razlichnogo spektral'nogo sostava [Tomato plants development under light of different spectral composition]. Fiziologiya rasteniy [Russian journal of plant physiology], 2022, vol. 69, no. 5, pp. 472-479. https://doi.org/10.31857/S0015330322050165

Osipov V.A., Abdurakhmanov G.M., Gadzhiev A.A., Bratkovskaya L.B., Zayadan B.K. Ispol'zovanie fluorestsentsii khlorofilla «a» dlya biotestirovaniya vodnoy sredy [The use of chlorophyll “a” fluorescence for aquatic environment bio test]. Yug Rossii: ekologiya, razvitie [The South of Russia: ecology, development], 2012, vol. 7, no. 2, pp. 93-100. URL: https://ecodag.elpub.ru/ugro/article/viewFile/234/228

Baker N. R. Chlorophyll fluorescence: a probe of photosynthesis in vivo. Annual review of plant biology, 2008, vol. 59, pp. 89-113. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.59.032607.092759

Bell L., Methven L., Signore A., Oruna-Concha M. J., Wagstaff C. Analysis of seven salad rocket (Eruca sativa) accessions: The relationships between sensory attributes and volatile and non-volatile compounds. Food chemistry, 2017, vol. 218, pp. 181-91. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2016.09.076

Elmardy N. A., Yousef A. F., Lin K., Zhang X., Ali M. M., Lamlom S. F., Kalaji H. M., Kowalczyk K., Xu Y. Photosynthetic performance of rocket (Eruca sativa. Mill.) grown under different regimes of light intensity, quality, and photoperiod. PLoS One, 2021, vol. 16, no. 9, pp. e0257745. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0257745

Fu Y., Li H., Yu J., Liu H., Cao Z., Manukovsky N., Liu H. Interaction effects of light intensity and nitrogen concentration on growth, photosynthetic characteristics and quality of lettuce (Lactuca sativa L. Var. youmaicai). Scientia Horticulturae, 2017, vol. 214, pp. 51-7. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2016.11.020

Garg, G., Sharma, V. Eruca sativa (L.): Botanical Description, Crop Improvement, and Medicinal Properties. Journal of Herbs, Spices & Medicinal Plants, 2014, vol. 20, no. 2, pp. 171-182. https://doi.org/10.1080/10496475.2013.848254

Janka E., Körner O., Rosenqvist E. Ottosen C.-O. Simulation of PSII-operating efficiency from chlorophyll fluorescence in response to light and temperature in chrysanthemum (Dendranthema grandiflora) using a multilayer leaf model. Photosynthetica, 2018, vol. 56, pp. 633-640. https://doi.org/10.1007/s11099-017-0701-8

Kim K., Kook H.-S., Jang Y.-J., Lee W.-H., Kamala-Kannan S., Chae J.-C., Lee K.-J. The effect of blue-light-emitting diodes on antioxidant properties and resistance to Botrytis cinerea in tomato. Journal of Plant Pathology & Microbiology, 2013, vol. 4, no. 203, pp. 10.4172. https://doi.org/10.4172/2157-7471.1000203

Kong S.-G., Okajima K. Diverse photoreceptors and light responses in plants. Journal of plant research, 2016, vol. 129 no. 2 pp. 111-114. https://doi.org/10.1007/s10265-016-0792-5

Kramer M., Rodriguez-Heredia M., Saccon F., Mosebach L., Twachtmann M., Krieger-Liszkay A., Duffy C., Knell R. J., Finazzi G., Hanke G. T. Regulation of photosynthetic electron flow on dark to light transition by ferredoxin: NADP (H) oxidoreductase interactions. eLife, 2021, no. 10, pp. e56088. https://doi.org/10.7554/eLife.56088

Kulchin Y. N., Bulgakov V. P., Subbotin E. P., Kholin A. S., Subbotina N. I. Monochromatic LEDs Effect on Rocket (Eruca sativa Mill.) Morphogenesis and Productivity. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2022, vol. 86, no. 1, pp. 114-118. https://doi.org/10.3103/S1062873822700502

Loconsole D., Cocetta G., Santoro P., Ferrante A. Optimization of LED lighting and quality evaluation of romaine lettuce grown in an innovative indoor cultivation system. Sustainability, 2019, vol. 11, no. 3 pp. 841. https://doi.org/10.3390/su11030841

Maxwell K., Johnson G. N. Chlorophyll fluorescence – a practical guide. Journal of Experimental Botany, 2000, vol. 51, no. 345, pp. 659-668. https://doi.org/10.1093/jexbot/51.345.659

Muneer S., Kim E. J., Park J. S., Lee J. H. Influence of green, red and blue light emitting diodes on multiprotein complex proteins and photosynthetic activity under different light intensities in lettuce leaves (Lactuca sativa L.). International journal of molecular sciences, 2014, vol. 15, no. 3 pp. 4657-4670. https://doi.org/10.3390/ijms15034657

Nakonechnaya O. V., Grishchenko O. V., Khrolenko Y. A., Bulgakov V. P., Burkovskaya E. V., Grigorchuk V. P., Prokuda N. A., Kholin A. S., Gafitskaya I. V., Mikheeva A. V., Orlovskaya I. Y., Burdukovskii M. L., Subbotin E. P., Kul’chin Y. N. Effect of LED Lighting on Morphogenesis and Content of Ascorbic Acid, P, K, and Ca in Eruca sativa Plants. Russian Journal of Plant Physiology, 2021, vol. 68, pp. 356-366. https://doi.org/10.1134/S1021443721020138

Nguyen T. H., Tran T. T., Nguyen Q. T. Effects of light intensity on the growth, photosynthesis and leaf microstructure of hydroponic cultivated spinach (Spinacia oleracea L.) under a combination of red and blue LEDs in house. International Journal of Agricultural Technology, 2019, vol. 15, no. 1, pp. 75-90. URL: http://www.ijat-aatsea.com/pdf/v15_n1_2019_January/6_IJAT_15(1)_2019_Nguyen,%20T.%20P.%20D..pdf

Ouzounis T., Fretté X., Ottosen C. O., Rosenqvist, E. Spectral effects of LEDs on chlorophyll fluorescence and pigmentation in Phalaenopsis 'Vivien' and 'Purple Star'. Physiologia plantarum, 2015, vol. 154, no. 2, pp. 314-327. https://doi.org/10.1111/ppl.12300

Ruban A. V., Nonphotochemical Chlorophyll Fluorescence Quenching: Mechanism and Effectiveness in Protecting Plants from Photodamage. Plant Physiology, 2016, vol. 170, no. 4, pp. 1903-1916. https://doi.org/10.1104/pp.15.01935

Su P., Ding S., Wang D. Kan W., Yuan M., Chen X., Tang C., Hou J. Wu L. Plant morphology, secondary metabolites and chlorophyll fluorescence of Artemisia argyi under different LED environments. Photosynthesis Research, 2023. https://doi.org/10.1007/s11120-023-01026-w

Xu Y., Yang M., Cheng F., Liang Y. Effects of LED photoperiods and light qualities on in vitro growth and chlorophyll fluorescence of Cunninghamia lanceolate. BMC Plant Biology, 2020, vol. 20, pp. 269. https://doi.org/10.1186/s12870-020-02480-7

Yorio N. C., Goins G. D., Kagie H. R., Wheeler R. M., Sager J. C. Improving spinach, radish, and lettuce growth under red light-emitting diodes (LEDs) with blue light supplementation. HortScience, 2001, vol. 36, no. 2, pp. 380-383.


Просмотров аннотации: 43
Загрузок PDF: 23
Опубликован
2024-04-30
Как цитировать
Kulchin, Y., Kholin, A., Kozhanov, S., Subbotin, E., Kovalevsky, K., Subbotina, N., & Gomolsky, A. (2024). РЕАЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФОТОСИСТЕМЫ PSII ERUCA SATIVA ПОД РАЗЛИЧНЫМ МОНОХРОМНЫМ ОСВЕЩЕНИЕМ. Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture, 16(2), 50-69. https://doi.org/10.12731/2658-6649-2024-16-2-828
Раздел
Физиология и биохимия растений