Базилик: баланс между красным и синим

Как качество света может влиять на рост, фотосинтетическую активность, антиоксидантную способность и морфологические характеристики базилика

Прогнозы роста численности населения Земли предполагают, что доступность использования сельскохозяйственных земель на душу населения (0,7 га сегодня) в ближайшие годы будет сокращаться. В настоящее время сельское хозяйство использует около 70% мировой пресной воды, что может привести к ее недостаче.

Кроме того, общую устойчивость существующих продовольственных систем ограничивает чрезмерное использование минеральных удобрений. Как следствие, перед сельским хозяйством в предстоящие 50 лет встанет проблема, связанная с растущим спросом на продовольствие, чтобы прокормить все большие города с меньшими ресурсами.

В этом сценарии набирают популярность новые формы сельского хозяйства, которые не зависят от пахотных земель и которые могут развиваться также в городской среде. Фермы в помещениях, также называемые заводами с искусственным освещением или вертикальными фермами с искусственным освещением (VFAL), являются закрытыми производственными системами, в которых контролируются факторы окружающей среды (например, температура, влажность, свет и концентрация CO2), сводя к минимуму взаимодействие с внешним климатом.

С точки зрения использования ресурсов VFAL представляют улучшенную эффективность использования земли, воды и питательных веществ. Развивая растениеводство
в вертикальном измерении, эти системы могут выращивать большее количество растений на единицу площади выращивания, что приводит к большей урожайности по сравнению с традиционными системами выращивания.

 

 

На VFAL использование гидропоники для выращивания растений и восполнения их транспирации приводит к экономии воды до 97% по сравнению с традиционным сельским хозяйством. Питательный раствор, слитый из системы культивирования, можно рециркулировать, таким образом избегая вымывания и выщелачивания в почве. Наконец, выращивание растений в помещении позволяет ограничить проникновение патогенных микроорганизмов или вредителей, что может привести к производству без пестицидов. Однако до настоящего времени большое потребление энергии, связанное с освещением, охлаждением, нагревом и осушением, ограничивало распространение VFAL.

С физиологической точки зрения влияние света на фотосинтез и рост растений является значительным

Конкретные участки спектра имеют особое значение, так как кривая квантового выхода представляет собой два пика в красном и синем диапазонах, тем самым показывая, что они являются основными источниками энергии для ассимиляции фотосинтетического CO2.

Применение красного и синего светодиодов для выращивания базилика в помещении было изучено несколькими исследователями, чтобы понять, как качество света может влиять на рост, фотосинтетическую активность, антиоксидантную способность и морфологические характеристики базилика. Тем не менее соответствующий баланс между красными и синими компонентами в световом спектре для выращивания в помещении листовых овощей и трав остается неясным.

Целью данного исследования является выявление реакции базилика на изменение соотношения красного и синего (R:B) падающего света для обеспечения лучшего понимания физиологических и биохимических изменений в растениях. Цель исследования – более четкое понимание функциональных физиологических адаптаций (в том числе реакция устьиц и эффективность фотосинтетического квантового выхода) к свету, которые могут быть связаны с изменениями в биохимическом составе растения (особенно в отношении содержания хлорофилла, минералов, антиоксидантов и летучих соединений).

В целом это приводит к определению оптимального состава света для повышения урожайности и эффективности использования ресурсов (например, вода, энергия, площади культивирования, минеральное питание) при выращивании базилика в помещении.

Материалы и методы

Исследования были проведены в камерах роста в университетах Болоньи (Италия) и Вагенингена (Нидерланды). Во всех экспериментах использовались растения базилика, относящиеся к типу «Геновезе» (Ocimum basilicum cv.), с плотностью посадки 100 растений 1 м2. Во время всех экспериментов растения выращивали только при искусственном освещении с плотностью фотосинтетического потока фотонов в камерах роста 215 ± 5,5 мкмоль м-2 с-1 , фотопериодом 16/8 ч света / темноты и температуре воздуха 24 ± 2 °C, 55–70% относительной влажности и 450 ppm CO2.

Системы выращивания, ирригации и управления удобрениями применяли стандартные для вертикальных ферм

Опыт состоял из пяти вариантов (экспериментов), каждый из которых характеризовался своим соотношением красного (R) и синего (B) спектра искусственного освещения, а именно: 1/2, 1, 2, 3 и 4 (соответственно, обозначенными RB0,5, RB1, RB2, RB3 и RB4). Соотношение между красной и синей частями рассчитывали путем определения относительных областей спектра в красной (600–700 нм) и синей (400–500 нм) областях. Во всех экспериментах использовались светодиодные лампы с красным (пик при 669 нм, OSRAM Hyper Red) и синим (пик при 465 нм, OSRAM синим) диодами.

Вегетативные и физиологические измерения

Во время сбора культуры во всех экспериментах измеряли сырую массу листьев и стебля. Потребление воды определяли индивидуально для каждого растения, а эффективность использования воды рассчитывали по соотношению между урожайностью сырого вещества и объемом использованной воды.

Эффективность использования энергии освещения была определена в соответствии с продолжительностью цикла выращивания и конечной урожайностью листьев, связанной
с суммарным поглощением электроэнергии лампами.

Эффективность использования площади выращивания была определена путем анализа потенциальной достижимой урожайности на единицу поверхности земли (1 м2, при плотности растений 100 растений 1 м2) в течение года (с учетом немедленной пересадки новых растений после сбора урожая, что приводит к 20 циклам урожая ежегодно).

Эффективность использования питательных веществ рассчитывалась по отношению сырого веса к общей концентрации выбранных питательных веществ (N, P, K, Ca, Mg и Fe)
в тканях листьев.

Измерения проводимости устьиц (мкмоль м-2 с-1) были выполнены на третьем полностью развернутом листе от точки роста с использованием порометра листа.
Содержание хлорофилла в листьях оценивали с использованием ручного измерителя хлорофилла листьев на третьем полностью развернутом листе от точки роста. Оценка концентрации хлорофилла была определена путем оценки зеленоватости с использованием двунаправленной функции распределения отражательной способности и получена с использованием PlantExplorerTM.

Общее содержание фенола определяли в соответствии с колориметрическим методом Фолина-Чокальтеу. Общее содержание флавоноидов определяли колориметрическим анализом на хлорид алюминия. Общая антиоксидантная способность измерялась с помощью анализа силы восстановления антиоксиданта железа, следуя методологиям.

Для оценки баланса питательных веществ были измерены концентрации микро- и макроэлементов как в питательных растворах, так и в листьях базилика. Анализ проводили с использованием оптического эмиссионного спектрометра с индуктивно связанной плазмой ICP-OES, оборудованного источником плазмы и оптическим детектором. Поглощение минералов из питательного раствора рассчитывали путем вычитания концентрации в питательном растворе в конце цикла из концентрации в свежем питательном растворе.

Питательные растворы анализировали на общий азот с использованием элементного анализатора Shimadzu TNM-1. Содержание общего азота в образцах сухих листьев измеряли
с использованием термоэлектронного элементного анализатора CHNS-O. Содержание летучих соединений листьев базилика определяли с помощью газовой хроматографии в сочетании с масс-спектрометрией. Идентификация ЛОС была достигнута путем сравнения их масс-спектров со спектрами, хранящимися в Национальной библиотеке стандартов и технологий (NIST08) при правительственной библиотеке США, и данными, приведенными в литературе.
Все измерения проводились на девяти модельных растениях в каждом из пяти вариантов опыта. Полученные данные были проанализированы, а средние значения были сравнены по наименьшей существенной разнице при уровне значимости 5%.

Результаты

Для создания новых и надежных знаний в такой отрасли, как вертикальные фермы с искусственным освещением, крайне важно реализовать прогрессивные исследовательские программы, позволяющие определить оптимальное соотношение между спектральными компонента-
ми, их адаптивность к различным фенологическим стадиям культуры и оптимальную интенсивность света, всегда обращая внимание на эффективное использование ресурсов, таких как вода, энергия, субстраты и минеральные удобрения. Настоящее исследование – первый шаг к систематизированному определению оптимального соотношения красного и синего спектра для эффективного выращивания базилика в закрытой системе.

В ходе опыта достоверно удалось установить, что соотношение спектра красный/синий, равное 3, оптимально для достижения максимальной урожайности, качества и эффективности использования ресурсов.

Отметим, что для подтверждения наблюдаемых тенденций необходимы дальнейшие исследования. Начиная с многообещающих результатов, связанных с РБ3, будущие исследования должны быть нацелены на влияние дополнительных спектральных областей, выявление внутри- и межвидовой изменчивости культуры в световой реакции, а также определение оптимальной интенсивности света.


Gavrishprof.ru

Гавриш - высокое искусство российской селекции. Познакомьтесь с его шедеврами!