Фотоморфогенез, родной брат фотосинтеза
Введение
Фотосинтез часто занимает центральное место при обсуждении вопроса о растениях и свете, но это еще не все. В этой статье мы предлагаем вам познакомиться с менее известной половиной повествования — фотоморфогенезом : «фото» означает свет, а «морфогенез» — изменение и рост.
В предыдущей статье(здесь) мы рассмотрели основы фотосинтеза, рассказав о том, как растения используют световую энергию для образования сахаров, необходимых для последующего метаболизма, например, роста.
Но что приводит в движение этот рост? Ответ кроется в другой грани влияния света: Фотоморфогенез. Мы дадим вам обзор с высоты птичьего полета с достаточным количеством деталей, чтобы понять, что, где, как и почему происходит в фотоморфогенезе.
Рис. 1 Фото Paul Green на Unsplash
Почему растениям необходимо расти и изменяться
Рост или морфологические изменения растений необходимы для выживания. Эта необходимость обусловлена двумя основными причинами:
- Выживание: Растения должны расти и расширять свою зону действия, чтобы улавливать жизненно важный свет для фотосинтеза, позволяющего производить необходимые для их существования сахара.
- Размножение: Цветение и плодоношение обеспечивают выживание вида растения, и этот процесс неразрывно связан с доступностью света.
Обе эти фундаментальные потребности зависят от роли света как важнейшего фактора.
Рис. 2 Фото Josie Weiss on Unsplash
Фоторецептор — получение света для роста
Растительные клетки обладают уникальной молекулой, называемой фоторецептором, которая отвечает за прием световой энергии, приводящей в движение рост и морфологические изменения. Рассмотрим три основных типа фоторецепторов:
- Фитохромы: Эти фоторецепторы вызывают сезонные изменения в растениях, влияя на прорастание семян, рост, цветение и плодоношение.
- Криптохромы: Отвечая за регуляцию роста, эти фоторецепторы позволяют растениям не переутомляться и поддерживать эффективную форму для выживания.
- Фототропины: Эти фоторецепторы направляют рост стебля растения в сторону доступных источников света.
Рисунок 3 (Albert Melu на Unsplash)
Где находятся фоторецепторы?
Чтобы лучше понять суть проблемы, давайте определим местоположение фоторецепторов. Они рассеяны по растительным клеткам, населяя клеточную цитоплазму — пространство внутри клетки.
Рис. 4 — Фоторецепторы находятся в цитоплазме клетки.
(фото левого растения — Альберт Мелу, фото клетки среднего растения — Кристиан Петерс)
Как растения чувствуют сезонные изменения — роль фитохромов
Со сменой времен года вы заметите прилив жизненных сил, особенно в период с зимы до весны. Семена прорастают, появляются ростки, удлиняются стебли, разворачиваются листья, зрелые растения цветут и плодоносят. Но как растения синхронизируют свои действия с временами года? Ответ кроется в фитохромах.
Молекула фитохрома
Фитохромы — это просто молекулы, группы атомов, собранные в трехмерную молекулярную структуру. Они существуют в двух состояниях: Pr и Pfr. При облучении красным светом (620-750 нм) фитохром переходит из состояния Pr в состояние Pfr. Если фитохром в состоянии Pfr поглощает дальний красный свет (700-800 нм), он переходит в состояние Pr.
Как фитохром распознает времена года.
В светлое время суток присутствует больше красного света, что приводит к преобразованию Pr в Pfr. С наступлением ночи фитохромы Pfr естественным образом деградируют обратно в Pr. Следовательно, соотношение Pr и Pfr колеблется в течение суток, возвращаясь к равновесию после наступления ночи.
Однако весной и летом увеличение продолжительности светового дня приводит к снижению соотношения Pr и Pfr, которое сохраняется в течение нескольких дней и достигает порога, запускающего фотоморфогенез.
В зимние месяцы, когда день короче, красного света становится меньше, и соотношение Pr и Pfr увеличивается, подавляя фотоморфогенез.
Это соотношение обычно изображается в процентах (рис. 6), но мы будем называть его отношением Pr к Pfr.
См. другую статью о PSS (Phytochrome Photostationary state) здесь.
Рис. 5 — Фитохром — это молекула, которая изменяет форму после поглощения света.
Рисунок 6 — Состояние фитохрома основано на процентном соотношении двух его форм
Рост ствола — это деление клеток
Удлинение стебля, разрастание листьев, цветение и развитие плодов проявляется в делении клеток, которое в конечном итоге контролируется генетическим материалом ДНК в ядре растительной клетки.
Ядро регулярно получает сигналы от окружающей среды и сигнальные события (например, активность фитохрома), чтобы определить, нужно ли предпринимать какие-либо действия, например, деление клетки. Почувствовав, что условия созрели для деления клетки, ядро запускает«клеточный цикл«, то есть процесс деления клетки.
Помимо состояния фитохрома, перед делением клетки необходимо проверить и другие условия среды:
- Температура
- Влажность
- Наличие питательных веществ и воды
- Гормональная активность (да, у растений тоже есть гормоны)
- Активность ферментов (связана с гормональной активностью)
- Взаимодействие с другими фоторецепторами
Это означает, что даже если активность фитохромов способствует делению клеток, она может не запускать фотоморфогенез, например, из-за экстремально низких температур. Это высокоорганизованный и жестко контролируемый процесс.
Рис. 7 — Ядро растительной клетки контролирует все функции клеточного деления.
Рисунок 8 — 4-я стадия клеточного цикла — деление клетки (митоз) — автор Али Зифан (wikipedia-CCBY-SA 4.0)
Рис. 9 — От семени до всходов
От семени до всхода
Семена реагируют на сезонные изменения освещенности — при ярком солнечном свете и длинном дне много красного света, соотношение Pr/Pfr низкое, условия для прорастания благоприятные.
Однако во многих случаях семена могут упасть в затененные места под пологом, где красного света меньше, а дальнего — больше. Это происходит потому, что листья полога поглощают красный свет, но пропускают через себя дальний красный свет.
Такая диспропорция дальнего красного света под пологом приводит к повышению уровня Pr, что свидетельствует о плохих условиях освещения. Вместо того чтобы пытаться прорасти и тянуться к свету, семена тормозят прорастание. Это механизм выживания, позволяющий не тратить ресурсы и оставаться в состоянии покоя до наступления лучших условий.
От всходов до растений
Когда росток превратится в полноценное растение, он будет следовать тем же сезонным закономерностям — ждать более длинных дней и более красного света.
Если растение находится в затененном месте или под пологом, оно воспринимает больше дальнего красного света (более высокий Pr/Pfr), но вопреки спящему состоянию семян, оно будет пытаться добраться до света путем удлинения стебля и разрастания листьев.
Существует второй тип фоторецепторов, называемых фототропинами, которые реагируют на синий и ультрафиолетовый свет. В основном он рассматривается как указание растению наклониться в сторону света. Чаще всего они встречаются на верхушках ветвей. Фитотропины чувствуют, что свет освещает одну сторону, а не другую, и впоследствии изгибаются в сторону света.
Рисунок 10 — Под пологом в условиях низкой освещенности растения реагируют на дальний красный свет удлинением стебля и эспансией листьев.
Original Plant Images by Freepik
Растения знают, когда прекратить рост: Криптохромы
Растения не могут расти вечно, поэтому существует механизм, тормозящий рост.
Когда растение поднимается над пологом, на его листья попадает весь спектр солнечного света, включая синий свет (400-500 нм) и ультрафиолет (320-400 нм). На этом этапе в работу вступают криптохромы. Эти фоторецепторы поглощают свет указанных длин волн, но действуют так, что тормозят рост стеблей и листьев.
Это торможение имеет определенную цель: чрезмерная высота может сделать растения более уязвимыми для ветра и гравитационного воздействия, препятствуя эффективному поглощению питательных веществ и воды. Это адаптация к выживанию — стараться оставаться коротким и компактным.
Рис. 11 — После того как растение поднимается над пологом синие и ультрафиолетовые лучи активируют криптохромы, тормозящие рост.
Original Plant Images by Freepik
От растения к цветку
Процесс цветения и плодоношения в основном одинаков. Более длинные дни с повышенным уровнем красного света приводят к трансформации Pr в Pfr, снижая соотношение Pr/Pfr и стимулируя цветение.
Некоторые растения относятся к категории длиннодневных и цветут при более длинном дне с меньшим соотношением Pr/Pfr. И наоборот, короткодневные растения зацветают, когда дни становятся короче, а соотношение Pr/Pfr остается более высоким. Это означает, что некоторые растения, например, пуансеттия, обычно цветут в зимние месяцы.
Рисунок 12 — Фото ameenfahmy на Unsplash
От растения до плода
Путь от растения до плода у разных плодоносящих деревьев и растений неодинаков. Например, яблони чувствительны к длине дня и активности фитохромов, что влияет на плодоношение.
В отличие от них растения с нейтральным режимом дня, например лимонные деревья, начинают плодоношение под влиянием таких факторов, как гормональная регуляция, температура, осадки, влажность почвы. В умеренном климате лимонные деревья могут плодоносить круглый год, несмотря на сезонные изменения освещения.
Рис. 13 — Фото Zoe Schaeffer на Unsplash
Взаимосвязь фотосинтеза и фотоморфогенеза
При фотоморфогенезе происходит много действий, все они требуют энергии. Откуда берется эта энергия? Он образуется из сахара, который является побочным продуктом фотосинтеза.
Фотосинтез основан на фотоморфогенезе, благодаря которому листья растут и тянутся к свету, чтобы поглощать свет для производства сахара. Фотоморфогенез зависит от фотосинтеза, обеспечивающего сахарами все виды деятельности.
Рисунок 14 — Фотосинтез и фотоморфогенез находятся в симбиотических отношениях
Практические приложения понимания фотоморфогенеза
Лучшие специализированные фермерские хозяйства закрытого грунта и исследовательские организации продолжают использовать световые технологии для улучшения стратегий выращивания растений. Они используют динамическое светодиодное освещение и спектральные PAR-метры для манипулирования и измерения красного, дальнего красного и синего освещения, используя информацию о фотоморфогенезе для повышения качества, количества и своевременности выпускаемой продукции.
Рис. 15 — Спектральные PAR-метры измеряют свет, связанный с фотоморфогенезом.
Резюме
Мы только что рассмотрели основы фотоморфогенеза: от света, активации фитохромов в цитоплазме, клеточного деления в ядре и, наконец, роста и изменения растений — это и есть фотоморфогенез.
Однако следует отметить, что реальные пути передачи световых сигналов, химические реакции, гормональная и ферментативная активность, а также генетическая экспрессия все же достаточно сложно переплетены между собой.
Кроме того, следует учитывать, что виды растений различаются и имеют свои эволюционные идиосинкразии.
Но мы надеялись, что сможем дать фермерам возможность взглянуть на этот интересный эволюционный аспект биомеханики растений с высоты птичьего полета и предложить новые световые стратегии для повышения качества и своевременности получения продукции.
Рисунок 16 — Фотоморфогенез
PG200N Spectral PAR Meter
Измерение спектрального PAR позволяет фермерам и исследователям воспользоваться преимуществами экспертного освещения при настройке цветовых параметров для улучшения качества, сроков и количества производимой продукции.
серия справочников
Руководство по мерцанию
Все, что вам нужно знать о мерцании, коварном и потенциально серьезном световом артефакте, влияющем на визуальную безопасность в общественных местах, таких как больницы, офисы, библиотеки и т. д.
О УПОТЭКе
United Power Research and Technology
Компания UPRtek (основана в 2010 г.) является производителем портативных, высокоточных приборов для измерения освещенности; портативные спектрометры, PAR-метры, спектрорадиометры, решения для калибровки света. Штаб-квартира UPRtek, исследования и разработки, а также производство находятся на Тайване, а представительство по всему миру обеспечивается нашими сертифицированными Глобальные реселлеры.
Объявления
Что такое спектрометр, спектрофотометр, спектрорадиометр?
В сфере спектральных приборов выделяют три устройства: спектрометр, спектрофотометр и спектрорадиометр.
Однако эти термины настолько часто используются, что мы понимаем, почему это может сбивать с толку. Поэтому мы посчитали себя обязанными разъяснить их различия в одной короткой статье. Различайте эти термины как профессионал!
Категория
