Object

Alternative title:

Effect of radiation emitted by light-emitting diodes on photosynthetic metabolism of tomato (Solanum lycopersicum L.) plants

Abstract:

Światło odgrywa ważną rolę w regulacji fotomorfogenezy związanej ze wzrostem i rozwojem oraz jako źródło energii w procesie fotosyntezy wielu gatunków roślin. W ostatnich latach coraz szersze zastosowanie w zamkniętych uprawach znajdują diody elektroluminescencyjne LED, będące alternatywą dla tradycyjnych systemów oświetleniowych z uwagi na możliwość optymalizacji składu spektralnego dostosowanego do potrzeb gatunku czy etapu ontogenezy. Dotychczasowe badania skupiały się na wpływie światła czerwonego (R), niebieskiego (B) i dalekiej czerwieni (FR) lub ich kombinacji, pomijając znaczenie światła zielonego (G), pomimo, że stanowi ono istotny składnik widma słonecznego i stymuluje przebieg fotosyntezy. Celem pracy była analiza wpływu światła emitowanego przez diody elektroluminescencyjne na metabolizm fotosyntetyczny pomidora zwyczajnego (Solanum lycopersicum L. cv. Malinowy Ożarowski) oraz określenie najbardziej optymalnych proporcji światła R:G:B dla roślin uprawianych pod osłonami ze szczególnym uwzględnieniem wpływu suplementacji spektrum uprawowego o światło G. Rośliny pomidora uprawiano w warunkach stałego natężenia światła o zróżnicowanym spektrum RB zawierającym od 0 do 40% światła G zastępującego promieniowanie R oraz stały 25% udział światła B. W badaniu nie odnotowano negatywnego wpływu zastępowania światła R promieniowaniem G w przedziale od 10 do 30% na wzrost i rozwój roślin. Jednak po zastosowaniu 40% światła G, u roślin odnotowano redukcję biomasy, wydłużenie ogonków liściowych oraz zwiększenie kąta nachylenia liścia LIA, co związane jest z adaptacją roślin do warunków zacienienia (SAS). Dodatek promieniowania G wpływał na wzrost grubości miękiszu gąbczastego przy jednoczesnym zmniejszeniu grubości i rozluźnieniu układu komórek miękiszu palisadowego, pozwalając na zwiększenie efektywności wykorzystania promieniowania G do wiązania CO2. Suplementacja światła zielonego w spektrum zwiększyła aktywność fotochemiczną roślin mierzoną poprzez rzeczywistą wydajność kwantową (ΦPSII), szybkość transportu elektronów (ETRII) oraz wskaźnik zaniku fluorescencji (RFd). Jednocześnie w przypadku roślin RGB odnotowano zmniejszenie akumulacji białka PsbS, deepoksydazy wiolaksantyny (VDE) oraz białka PGRL1 ograniczając tym samym zdolność fotoukładu PSII do niefotochemicznego rozpraszania energii (NPQ). Zaobserwowano również, że włączenie światła G do spektrum wpłynęło na geometrię aparatów szparkowych zmniejszając wartość przewodności szparkowej (gs) a tym samym poprawiając efektywność wykorzystania wody (WUE). Dodatkowo rosnący udział światła G wpływał na obniżenie poziomu enzymu syntazy chalkonowej (CHS) wpływając na redukcję akumulacji antocyjanów w liściach pomidora. Zmianom tym towarzyszyło również obniżenie akumulacji białek fotoreceptorowych, kryptochromu (Cry1) oraz fototropiny (Phot1), przy jednoczesnym nasileniu akumulacji białka PIF5, uznawanego za kluczowy czynnik indukujący reakcję SAS. Ponadto efektywność wykorzystania światła G do asymilacji CO2wzrastała wraz ze zwiększonym udziałem światła G stosowanego w uprawie. Pozwala to wnioskować, że obserwowane zmiany stanowią konsekwencję adaptacji roślin do składu spektralnego promieniowania emitowanego przez diody LED na poziomie metabolizmu fotosyntetycznego, warunkującego utrzymanie wysokiej efektywności wiązania CO2 oraz zmian fotomorfogenicznych odpowiedzialnych za maksymalizację fotosyntetycznego wykorzystania obecnego w widnie uprawowym zakresu promieniowania.



Light plays an important role in the regulation of photomorphogenesis related to growth and development and as a source of energy in photosynthesis of diverse plant species. In recent years, light-emitting diodes (LEDs) have been increasingly used for controlled-environment agriculture, as an alternative to other artificial lighting systems. LEDs provide the possibility to regulate the lighting environment during plant cultivation and optimize the spectrum for demands of the different plant species or the stage of ontogenesis. So far, the majority of research have been focused on the effects of red (R), blue (B) and far-red (FR) light and their combination, ignoring the importance of green (G) light, although the G light is an important component of the solar spectrum, and provides energy to drive photosynthesis and signals to control plant development. The aim of this study was to analyse the effect of light composition emitted by LEDs on the photosynthetic metabolism in the tomato plants (Solanum lycopersicum L. cv. Malinowy Ozarowski) and to determine the most optimal ratio of R/G/B light for indoor plants cultivation, with the explicit consideration of the effects exerted by red-to-green light replacement in growth spectrum. Plants were grown in a growth chamber under controlled conditions with constant light intensity and different RB spectrum containing from 0 to 40% of G light replacing R radiation and 25% of B light. No negative impact on plant growth and development has been noticed due to the replacement of R-to-G radiation in the range of 10 to 30%. On the other hand, the 40% addition of G light to the spectrum induced biomass reduction, elongation of petioles, and upward leaf movement (LIA), collectively referred to as the shade avoidance syndrome (SAS). The addition of G radiation increased the thickness of the spongy mesophyll while reducing the thickness of palisade parenchyma which was more loosely arranged, improving light penetration and increasing the efficiency of G light utilization to drive CO2 assimilation inside the leaf. Importantly, the G radiation use efficiency was positively correlated with G light percentage in the applied spectra. The supplementation of G light in the RB spectrum increased plant photochemical efficiency with effective PSII quantum yield (ΦPSII), electron transport rate (ETRII), and chlorophyll fluorescence decrease ratio (RFd). At the same time, the RGB plants showed reduced accumulation of PsbS protein, violaxanthin deepoxidase (VDE), and PGRL1 protein and in consequence a limitation of non-photochemical energy dissipation (NPQ) rate. Additionally, the inclusion of G light into the spectrum influenced the geometry of guard cells reducing the stomatal conductance (gs) and improving water efficiency (WUE). At progressively higher G light levels the reduced accumulation of chalcone synthase (CHS) enzyme was also noticed with a concomitant decline of anthocyanins concentration. Such changes were linked to the reduced levels of photoreceptors - cryptochrome (Cry1) and phototropin (Phot1) and the simultaneous accumulation of the PIF5 protein, considered to be a crucial SAS response factor. In conclusion, the optimization of LED spectrum quality is crucial to adjust the development and growth of plants in order to coordinate the photosynthetic metabolism of CO2 assimilation and photomorphogenic responses maximizing photosynthetic utilization of light provided in the spectrum.

Additional notes:

Zawiera bibliografię ; Zawiera ilustracje ; Streszcz. ang.

Identifier:

oai:bibliotekacyfrowa.ujk.edu.pl:4745

Computer catalogue:

click here to follow the link

Language:

pol

Degree name:

doktor

Date obtained:

25.03.2021

Degree grantor:

Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach

Supervisor:

Pałyga, Jan (1947- ) ; Kocurek, Maciej Bernard. Promotor pomocniczy

Reviewer:

Kornaś, Andrzej Karol ; Ślesak, Ireneusz

Field:

Dziedzina nauk ścisłych i przyrodniczych

Scientific disciplines:

Nauki biologiczne

Faculty:

Wydział Nauk Ścisłych i Przyrodniczych

Type:

rozprawa doktorska

Access rights:

tylko w Oddziale Informacji Naukowej

Publication status:

niepublikowana