Svjetlost je osnovni čimbenik okoliša za rast i razvoj biljaka. On nije samo osnovni izvor energije za fotosintezu, već i važan regulator rasta i razvoja biljaka. Rast i razvoj biljaka nisu ograničeni samo količinom ili intenzitetom svjetlosti (gustoća fotonskog toka, photon flux density, PFD), već i kvalitetom svjetlosti, tj. različitim valnim duljinama svjetlosti i zračenja te njihovim različitim omjerima sastava.
Sunčev spektar može se grubo podijeliti na ultraljubičasto zračenje (ultraljubičasto, 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="">
Biljke mogu detektirati suptilne promjene u kvaliteti svjetlosti, intenzitetu svjetlosti, duljini svjetlosti i smjeru u okolišu rasta te pokrenuti fiziološke i morfološke promjene potrebne za preživljavanje u tom okolišu. Plavo svjetlo, crveno svjetlo i daleko crveno svjetlo igraju ključnu ulogu u kontroli fotomorfogeneze biljaka. Fotoreceptori (fitokrom, Phy), kriptokrom (Cry) i fotoreceptori (fototropin, Phot) primaju svjetlosne signale i potiču rast i razvoj biljaka putem prijenosa signala.
Monokromatsko svjetlo kako se ovdje koristi odnosi se na svjetlo u specifičnom rasponu valnih duljina. Raspon valnih duljina iste monokromatske svjetlosti korištene u različitim eksperimentima nije potpuno dosljedan, a druga monokromatska svjetla slične valne duljine često se preklapaju u različitim razmjerima, osobito prije pojave monokromatskog LED izvora svjetlosti. Na taj će način, naravno, doći do različitih, pa čak i kontradiktornih rezultata.
Crveno svjetlo (R) inhibira produljenje internodija, potiče bočno grananje i bokorenje, odgađa diferencijaciju cvijeta i povećava antocijanine, klorofil i karotenoide. Crveno svjetlo može uzrokovati pozitivno svjetlo u korijenima Arabidopsis. Crveno svjetlo ima pozitivan učinak na otpornost biljaka na biotičke i abiotske stresove.
Daleko crveno svjetlo (FR) može poništiti učinak crvenog svjetla u mnogim slučajevima. Nizak omjer R/FR rezultira smanjenjem fotosintetskog kapaciteta graha. U komori za rast, bijela fluorescentna svjetiljka koristi se kao glavni izvor svjetla, a dalekocrveno zračenje (vrh emisije od 734 nm) nadopunjeno je LED diodama kako bi se smanjio sadržaj antocijana, karotenoida i klorofila, a svježa težina, suha težina, duljina stabljike, duljina lista i list se izrađuju. Širina je povećana. Učinak dodatnog FR na rast može biti posljedica povećanja apsorpcije svjetla zbog povećane površine lišća. Arabidopsis thaliana uzgojene u uvjetima niske R/FR bile su veće i deblje od onih uzgojenih u uvjetima visoke R/FR, s velikom biomasom i snažnom prilagodljivošću na hladnoću. Različiti omjeri R/FR također mogu promijeniti otpornost biljaka na sol.
Općenito, povećanje udjela plave svjetlosti u bijeloj svjetlosti može skratiti internodije, smanjiti površinu lišća, smanjiti relativne stope rasta i povećati omjere dušik/ugljik (N/C).
Visoka sinteza klorofila u biljkama i stvaranje kloroplasta, kao i kloroplasti s visokim omjerom klorofila a/b i niskim razinama karotenoida zahtijevaju plavo svjetlo. Pod crvenim svjetlom, stopa fotosinteze stanica algi postupno se smanjivala, a stopa fotosinteze brzo se oporavila nakon prelaska na plavo svjetlo ili dodavanja nešto plavog svjetla pod stalnim crvenim svjetlom. Kada su tamno rastuće duhanske stanice prebačene na kontinuirano plavo svjetlo tijekom 3 dana, ukupna količina i sadržaj klorofila rubuloze-1, 5-bisfosfat karboksilaze/oksigenaze (Rubisco) naglo se povećao. U skladu s tim, suha težina stanica u volumenu jedinične otopine kulture također se naglo povećava, dok se pod stalnim crvenim svjetlom povećava vrlo sporo.
Očito, za fotosintezu i rast biljaka samo crveno svjetlo nije dovoljno. Pšenica može završiti svoj životni ciklus pod jednim crvenim LED izvorom, ali da bi se dobile visoke biljke i veliki broj sjemenki, mora se dodati odgovarajuća količina plave svjetlosti (Tablica 1). Prinos salate, špinata i rotkvice uzgojenih pod jednim crvenim svjetlom bio je manji nego kod biljaka uzgojenih uz kombinaciju crvenog i plavog, dok je prinos biljaka uzgojenih pod kombinacijom crvenog i plavog uz odgovarajuće plavo svjetlo bio usporediv s biljke uzgojene pod hladnim bijelim fluorescentnim svjetiljkama. Slično, Arabidopsis thaliana može proizvesti sjeme pod jednim crvenim svjetlom, ali raste pod kombinacijom crvenog i plavog svjetla jer se udio plavog svjetla smanjuje (10 posto do 1 posto) u usporedbi s biljkama koje se uzgajaju pod hladnim bijelim fluorescentnim svjetiljkama. Zatvaranje biljaka, cvjetanje i rezultati kasnili su. Međutim, prinos sjemena biljaka uzgojenih pod kombinacijom crvenog i plavog svjetla koje sadrži 10 posto plavog svjetla bio je samo upola manji od biljaka uzgojenih pod hladnim bijelim fluorescentnim svjetiljkama. Pretjerano plavo svjetlo inhibira rast biljke, skraćuje internodije, smanjuje grananje, smanjuje lisnu površinu i smanjuje ukupnu suhu težinu. Biljke imaju značajne vrste razlike u potrebi za plavim svjetlom.
Treba napomenuti da iako su neka istraživanja koja su koristila različite vrste izvora svjetlosti pokazala da su razlike u morfologiji i rastu biljaka povezane s razlikama u udjelu plave svjetlosti u spektru, zaključci su još uvijek problematični jer je sastav neplave svjetlosti. svjetlost koju emitiraju različite vrste korištenih svjetiljki je različita. Na primjer, iako su suha težina biljaka soje i sirka uzgojenih pod istim svjetlom fluorescentne svjetiljke i neto stopa fotosinteze po jedinici lisne površine značajno veći od onih uzgojenih pod niskotlačnim natrijevim svjetiljkama, ti se rezultati ne mogu u potpunosti pripisati plavom svjetlu pod natrijeve lampe niskog pritiska. Nedostatak, bojim se da je također povezan sa žutim i zelenim svjetlom ispod niskotlačne natrijeve lampe i narančastim crvenim svjetlom.
Suha težina presadnica rajčice uzgojenih pod bijelim svjetlom (koje sadrže crvenu, plavu i zelenu svjetlost) bila je znatno niža od mase presadnica uzgojenih pod crvenim i plavim svjetlom. Spektralna detekcija inhibicije rasta u kulturi tkiva pokazala je da je najštetnija kvaliteta svjetla bila zelena svjetlost s vrhom na 550 nm. Visina biljke, svježa i suha težina nevena uzgojenog pod svjetlom zelene svjetlosti povećali su se za 30 posto do 50 posto u usporedbi s biljkama uzgojenim pod svjetlom punog spektra. Zeleno svjetlo punog spektra svjetlosti uzrokuje niske i suhe biljke, a svježa težina se smanjuje. Uklanjanje zelenog svjetla pojačava cvjetanje nevena, dok dopuna zelenog svjetla inhibira cvjetanje Dianthusa i salate.
Međutim, postoje i izvješća o zelenom svjetlu koje potiče rast. Kim i sur. zaključili da crveno-plavo kombinirano svjetlo (LED) dopunjeno zelenim svjetlom rezultira zaključkom da je rast biljaka inhibiran kada zeleno svjetlo prelazi 50 posto, dok se rast biljaka pojačava kada je omjer zelenog svjetla manji od 24 posto. Iako se suha težina gornjeg dijela salate povećava zelenom svjetlošću koju dodaje zeleno fluorescentno svjetlo na kombiniranu crvenu i plavu svjetlosnu pozadinu koju daje LED, zaključak je da dodavanje zelene svjetlosti pospješuje rast i proizvodi više biomase nego hladno bijelo svjetlo je problematično: (1) Suha težina biomase koju promatraju samo je suha težina nadzemnog dijela. Ako se uključi suha težina podzemnog korijenskog sustava, rezultat može biti drugačiji; (2) gornji dio salate uzgojen pod crvenim, plavim i zelenim svjetlima Biljke koje značajno rastu pod hladnim bijelim fluorescentnim svjetiljkama vjerojatno će imati zeleno svjetlo (24 posto) sadržano u trobojnoj lampi daleko manje od rezultata hladne bijele fluorescentne svjetiljke (51 posto), to jest, učinak suzbijanja zelene svjetlosti hladne bijele fluorescentne svjetiljke veći je od triju boja. Rezultati svjetiljke; (3) Brzina fotosinteze biljaka uzgojenih pod kombinacijom crvenog i plavog svjetla značajno je viša nego kod biljaka uzgojenih pod zelenim svjetlom, što potvrđuje prethodne spekulacije.
Međutim, tretiranje sjemena zelenim laserom može učiniti rotkvice i mrkvu dvostruko većim od kontrolne. Prigušeni zeleni puls može ubrzati izduživanje sadnica koje rastu u mraku, odnosno pospješiti izduživanje stabljike. Tretiranje sadnica Arabidopsis thaliana jednim pulsom zelene svjetlosti (525 nm ± 16 nm) (11,1 μmol·m-2·s-1, 9 s) iz LED izvora rezultiralo je smanjenjem transkripata plastida i povećanje brzine rasta stabljike.
Na temelju podataka istraživanja fotobiologije biljaka u proteklih 50 godina, raspravljalo se o ulozi zelene svjetlosti u razvoju biljaka, cvjetanju, otvaranju stomaka, rastu stabljike, ekspresiji gena kloroplasta i regulaciji rasta biljaka. Vjeruje se da je sustav percepcije zelenog svjetla u skladu s crvenim i plavim senzorima. Reguliraju rast i razvoj biljaka. Imajte na umu da je u ovom pregledu zeleno svjetlo (500~600nm) prošireno tako da uključuje žuti dio spektra (580~600nm).
Žuto svjetlo (580~600nm) inhibira rast salate. Rezultati sadržaja klorofila i suhe težine za različite omjere crvenog, daleko crvenog, plavog, ultraljubičastog i žutog svjetla pokazuju da samo žuto svjetlo (580~600 n) može objasniti razliku u učincima rasta između visokotlačne natrijeve lampe i metalnog halida svjetiljka. Odnosno, žuto svjetlo inhibira rast. Također, žuto svjetlo (vrh na 595 nm) jače je inhibiralo rast krastavaca nego zeleno svjetlo (vrh na 520 nm).
Neki zaključci o proturječnim učincima žutog/zelenog svjetla mogu biti posljedica nedosljednog raspona valnih duljina svjetla korištenih u tim studijama. Štoviše, budući da neki istraživači klasificiraju svjetlost od 500 do 600 nm kao zelenu svjetlost, malo je literature o učincima žute svjetlosti (580-600 nm) na rast i razvoj biljaka.
Ultraljubičasto zračenje smanjuje površinu listova biljke, inhibira produženje hipokotila, smanjuje fotosintezu i produktivnost i čini biljke osjetljivima na napad patogena, ali može inducirati sintezu flavonoida i obrambene mehanizme. UV-B može smanjiti sadržaj askorbinske kiseline i karotena, ali može učinkovito pospješiti sintezu antocijana. UV-B zračenje rezultira patuljastim fenotipom biljke, malim, debelim listovima, kratkom peteljkom, povećanim pazušnim granama i promjenama omjera korijen/krošnja.
Rezultati istraživanja na 16 kultivara riže iz 7 različitih regija Kine, Indije, Filipina, Nepala, Tajlanda, Vijetnama i Šri Lanke u stakleniku pokazali su da je dodavanje UV-B rezultiralo povećanjem ukupne biomase. Kultivari (od kojih je samo jedan dosegao značajnu razinu, sa Šri Lanke), 12 kultivara (od kojih je 6 bilo značajno), a oni s UV-B osjetljivošću značajno su smanjeni u površini lišća i veličini korpa. Postoji 6 kultivara s povećanim sadržajem klorofila (od kojih 2 dostižu značajne razine); 5 kultivara sa značajno smanjenom stopom fotosinteze lista i 1 kultivar sa značajno poboljšanim (njegova ukupna biomasa je također značajna) povećanjem).
Omjer UV-B/PAR je važna determinanta odgovora biljke na UV-B. Na primjer, UV-B i PAR zajedno utječu na morfologiju i prinos ulja metvice, što zahtijeva visoke razine nefiltriranog prirodnog svjetla.
Treba napomenuti da su laboratorijske studije učinaka UV-B zraka, iako korisne u identificiranju transkripcijskih čimbenika i drugih molekularnih i fizioloških čimbenika, posljedica upotrebe viših razina UV-B zraka, nepostojanja UV-A popratnih pojava i često niske pozadinske PAR, rezultati se obično ne ekstrapoliraju mehanički u prirodni okoliš. Terenske studije obično koriste UV lampe za podizanje ili korištenje filtara za smanjenje UV-B razina.
