Аномальные циклы
Текст: Т. Г. Шибаева, д-р биол. наук, вед. науч. сотр. лаборатории экологической физиологии растений, Институт биологии ФИЦ «Карельский научный центр РАН»
Развитие технологий искусственного освещения в закрытых системах дает возможность корректировать эффективность выращивания сельскохозяйственных культур. В ряде случаев они растут быстрее, а использование электроэнергии при этом снижается.
В лаборатории экологической физиологии растений Института биологии ФИЦ «Карельский научный центр РАН» под руководством члена-корреспондента РАН А. Ф. Титова и при финансовой поддержке Российского научного фонда сейчас ведутся исследования по влиянию аномальных свето-темновых циклов на продуктивность растений в закрытых системах.
СВЕТОВОЙ ФАКТОР
При возможности контролировать и управлять всеми основными факторами внешней среды важными для повышения энергоэффективности производства считаются манипуляции со световым фактором, потому что именно с ним связаны основные затраты на энергопотребление. При этом исходят из общепринятых представлений о существовании у этого фактора трех составляющих, влияющих на жизнедеятельность растений: интенсивность света, фотопериод, или продолжительность светового периода в суточном цикле, и качество света, то есть спектральный состав.
Современные достижения в области светодиодных технологий позволяют осуществлять контроль световой среды, управлять процессами роста и развития растений. Однако исследования сосредоточены преимущественно на изучении влияния на культуры интенсивности света и его качества. Так, воздействие первого фактора на рост и развитие растений изучается уже многие годы. За это время достигнуты результаты, которые позволили определить световой оптимум для множества культур в зависимости от температуры и других сопутствующих факторов. Появившиеся возможности диммирования, то есть управления уровнем яркости света, предоставляют дополнительные инструменты. Изучение влияния качества света на растения сейчас активизируется в связи с появлением светодиодных светильников, которые позволяют гибко подбирать спектр для конкретной агрокультуры на разных стадиях ее развития.
ИНТЕГРАЛ ДНЕВНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
В закрытых системах с досвечиванием существует возможность не только регулировать каждый из трех световых параметров, но и изменять временное распределение интеграла дневного освещения. Под ним понимается суммарное количество фотосинтетически активных фотонов (ФАР), получаемых растением за сутки, во времени. Это позволяет выделить четвертый параметр светового фактора, также способный оказывать влияние на культуры. Учитывая отсутствие необходимости привязки к естественному 24-часовому суточному циклу в закрытых системах, логично расширить понятие распределения интеграла света во времени, выйдя за пределы суток. Для этого в экспериментах и на практике можно применять аномальные свето-темновые циклы, которые могут быть как короче, так и длиннее 24 часов.
Цикл свет/темнота определяется двумя параметрами: продолжительностью (периодом) и соотношением длительности светлой и темной фаз. Цикл считается нормальным, если его период равен 24 часам, в противном случае его классифицируют как аномальный. Ряд работ демонстрирует, что аномальные свето-темновые циклы, включая непрерывное освещение, способны оказывать положительное воздействие на растения: ускорять их рост и развитие, увеличивать накопление ценных метаболитов и снижать содержание нежелательных антинутриентов, например, нитратов. При этом такие циклы могут сокращать энергозатраты на производство единицы растительной продукции.
В рамках эксперимента салат выращивали при нескольких удлиненных циклах — 24 ч света / 12 ч темноты, 48/24 ч, 96/48 ч, 120/60 ч. Контролем стал стандартный фотопериод 16/8 ч. В итоге сырой вес побегов и биомасса корней были выше при схеме 24/12 ч. В условиях цикла 120/60 ч растения характеризовались большим сухим весом, высоким содержанием витамина С и низким уровнем нитратов. Признаки фотоповреждений не выявлены ни в одном варианте. Интеграл освещения и, следовательно, потребление электроэнергии во всех режимах были одинаковыми. Обнаружено, что все варианты удлиненных циклов увеличивали эффективность использования света и электроэнергии по сравнению с контролем, причем максимальные значения этих показателей были достигнуты при схеме 120/60 ч. Применение данного удлиненного цикла позволяет экономить не менее трети источников света за счет перемещений мобильных стеллажей. Это повышает коэффициент использования светодиодных светильников и позволяет в полной мере использовать преимущества их длительного срока службы. Важно, что укороченный аномальный цикл 8/4 ч не только увеличивал сухой вес растений салата, но и улучшал их вкусовые качества по сравнению с обычным вариантом 16/8 ч при равном суммарном количестве полученного света.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Специалисты провели исследования на более чем десяти культурах, относящихся к разным семействам — редисе, руколе, мизуне, брокколи, рапини, подсолнечнике, горохе, пажитнике, бораго, щавеле, салате. Растения выращивали в формате микрозелени или baby leaf (молодые листья) в условиях аномального свето-темнового цикла. Он включал семь часов света (10.00–17.00), четыре часа темноты (17.00–21.00), затем снова девять часов досвечивания (21.00–6.00) и четыре часа без него (6.00–10.00). Временные интервалы для темновых фаз были выбраны с учетом периодов пиковых нагрузок в энергосистеме, соответствующих максимальным тарифам на электроэнергию. Контрольные растения выращивали при стандартном фотопериоде 16/8 ч. Интеграл дневного освещения, то есть суммарная суточная ФАР, был одинаковым во всех вариантах и составил 8,6 моль/кв. м·сут.
Результаты показали, что использованный аномальный свето-темновой цикл не снижал урожайность и пищевую ценность ни у одной из испытанных культур. У редиса и щавеля продуктивность была выше, чем на контроле. При этом отмечено увеличение активности ключевых антиоксидантных ферментов, что существенно повышает пищевую ценность получаемой продукции как функционального продукта. Стоимость суточного потребления электроэнергии при использовании аномального цикла снизилась на 32% по сравнению с фотопериодом 16/8 ч при расчете по тарифу, дифференцированному по трем зонам суток — пиковая, полупиковая, ночная. Таким образом, для культур с непродолжительным продукционным циклом изменение временного распределения интеграла освещения в течение суток является способом повышения энергоэффективности производства.
ВОПРОС ФОТОПЕРИОДИЧЕСКОГО СТРЕССА
Эксперименты с аномальными фотопериодами позволили идентифицировать новый вид стрессового воздействия, не встречающийся в природных условиях, — фотопериодический стресс. Фотопериод является одним из важных контролируемых параметров искусственной среды выращивания. Обычно для конкретной культуры на протяжении всего продукционного цикла используют один, оптимальный для нее фотопериод. Однако результаты исследований свидетельствуют, что его резкое изменение может вызывать у растений различные физиологические изменения и нарушения. Они в целом сходны с неспецифическими реакциями, характерными для ответа на другие стрессовые факторы. Накопление данных привело к формированию и закреплению в научной литературе термина «фотопериодический стресс». Важно подчеркнуть, что в естественных условиях растения не сталкиваются с таким стрессом, поскольку изменения соотношения светлого и темного периодов в рамках 24-часового цикла происходят в течение года постепенно. Следовательно, выживание растений в условиях аномальных свето-темновых циклов могут обеспечить только те механизмы общей устойчивости, которые были сформированы в процессе эволюции для адаптации к действию других стрессоров. Первоначально это дает основания предполагать вред фотопериодического стресса. Однако данные позволяют рассматривать этот вопрос под другим углом. Если интенсивность стрессового воздействия невелика, оно вызывает обратимые изменения в растительном организме. Благодаря включению адаптационных механизмов они могут быть устранены, и растение возвращается в нормальное состояние. При этом последствия такого умеренного стресса не обязательно носят негативный характер.
Этот факт лег в основу концепции эустресса, или позитивного стресса, в противоположность дистрессу, то есть негативному стрессу. Следовательно, изменение свето-темновых условий выращивания растений в закрытых системах, основанное на результатах исследований, позволяет выявить аномальные режимы, которые, являясь нетипичными, способны оказывать положительный эффект. Он может выражаться в повышении урожайности, улучшении потребительских качеств продукции или снижении ресурсозатрат на ее получение. Возможно достижение и комбинации этих результатов.
