Valguse mõju taimede kasvule ja arengule

Valgus annab taimedele fotosünteesiks vajaliku energia, mis võimaldab neil toota orgaanilist ainet jamuundada energiat kasvu ja arengu ajalValgus annab taimedele vajaliku energia ning on aluseks rakkude jagunemisele ja diferentseerumisele, klorofülli sünteesile, kudede kasvule ja õhulõhede liikumisele. Valguse intensiivsus, fotoperiood ja valguse kvaliteet mängivad nendes protsessides olulist rolli. Suhkru ainevahetus taimedes hõlmab paljusid regulatiivseid mehhanisme. Valgus kui üks regulatiivsetest teguritest mõjutab rakuseina koostist, tärklise graanuleid, sahharoosi sünteesi ja veresoonte kimpude moodustumist. Samamoodi mõjutab valguse poolt reguleeritud suhkru ainevahetus ka suhkrutüüpe ja geene. Uurisime olemasolevaid andmebaase ja leidsime vähe asjakohaseid ülevaateid. Seetõttu võtab see artikkel kokku valguse mõju taimede kasvule ja arengule ning suhkru ainevahetusele ning käsitleb valguse mõju mehhanisme taimedele üksikasjalikumalt, pakkudes uusi teadmisi taimede kasvu regulatiivsete mehhanismide kohta erinevates valgustingimustes.

Valgus annab taimedele energiat fotosünteesiks ja toimib keskkonnasignaalina, mis reguleerib taime füsioloogia mitmeid aspekte. Taimed suudavad tajuda välise valguse muutusi erinevate fotoretseptorite, näiteks fütokroomide ja fototropiinide kaudu ning luua sobivaid signaaliülekande teid oma kasvu ja arengu reguleerimiseks. Madala valguse korral väheneb taime kuivaine kogusisaldus, samuti fotosünteesi kiirus, transpiratsioonikiirus, õhulõhede juhtivus ja varre läbimõõt. Lisaks on valguse intensiivsus kriitilise tähtsusega muutuja, mis reguleerib selliseid protsesse nagu taimede idanemine, lehtede vohamine ja laienemine, õhulõhede areng, fotosüntees ja rakkude jagunemine. Fotoretseptorite kaudu edastatava valguse kvaliteet reguleerib taimede kogu elutsüklit, kusjuures erinev valguse kvaliteet avaldab erinevat mõju taime morfoloogiale, fotosünteesile, kasvule ja organite arengule. Taimed suudavad oma kasvu ja arengut reguleerida fotoperioodi abil, mis soodustab selliseid protsesse nagu seemnete idanemine, õitsemine ja viljade valmimine. See osaleb ka taimede reaktsioonis ebasoodsatele teguritele, kohanedes erinevate hooajaliste muutustega (Bao jt, 2024; Chen jt, 2024; Shibaeva jt, 2024).
Suhkur, mis on taimede kasvu ja arengu jaoks oluline aine, läbib keerulise transpordi- ja akumuleerumisprotsessi, mida mõjutavad ja reguleerivad mitmed tegurid. Taimede suhkrumetabolism hõlmab suhkrute sünteesi, katabolismi, kasutamist ja muundamist taimedes, sealhulgas sahharoosi transporti, signaaliülekannet ning tärklise ja tselluloosi sünteesi (Kudo jt, 2023; Li jt, 2023b; Lo Piccolo jt, 2024). Suhkrumetabolism kasutab ja reguleerib suhkruid tõhusalt, osaleb taimede kohanemises keskkonnamuutustega ning annab energiat taimede kasvuks ja arenguks. Valgus mõjutab taimede suhkrumetabolismi fotosünteesi, suhkru signaaliülekande ja fotoperioodi regulatsiooni kaudu, kusjuures valgustingimuste muutused põhjustavad muutusi taimede metaboliitides (Lopes jt, 2024; Zhang jt, 2024). See ülevaade keskendub valguse mõjule taimede fotosünteesi jõudlusele, kasvule ja arengule ning suhkrumetabolismile. Artiklis käsitletakse ka valguse mõju uurimise edusamme taimede füsioloogilistele omadustele, eesmärgiga pakkuda teoreetiline alus valguse kasutamiseks taimede kasvu reguleerimiseks ning saagikuse ja kvaliteedi parandamiseks. Valguse ja taimekasvu vaheline seos jääb ebaselgeks ja pakub välja potentsiaalseid uurimissuundi.
Valgusel on palju omadusi, kuid selle intensiivsus ja kvaliteet avaldavad taimedele suurimat mõju. Valguse intensiivsust kasutatakse tavaliselt valgusallika heleduse või kiire tugevuse mõõtmiseks. Lainepikkuse põhjal saab valguse jagada ultraviolett-, nähtavaks ja infrapunaseks. Nähtav valgus jaguneb edasi punaseks, oranžiks, kollaseks, roheliseks, siniseks, indigo ja violetseks. Taimed neelavad fotosünteesi peamise energiaallikana peamiselt punast ja sinist valgust (Liang jt, 2021).
Erineva valguskvaliteedi rakendamine põllul, fotoperioodi kontrollimine ja valguse intensiivsuse muutuste mõju taimedele on keerulised probleemid, mis vajavad lahendamist. Seetõttu usume, et valgustingimuste ratsionaalne kasutamine saab tõhusalt edendada taimede modelleerimise ökoloogia arengut ning materjalide ja energia kaskaadkasutust, parandades seeläbi taimede kasvu efektiivsust ja keskkonnakasu. Ökoloogilise optimeerimise teooria abil lisatakse taimede fotosünteesi kohanemisvõime keskmise ja pikaajalise valgusega Maa süsteemi mudelisse, et vähendada fotosünteesi modelleerimise ebakindlust ja parandada mudeli täpsust (Luo ja Keenan, 2020). Taimed kipuvad kohanema keskmise ja pikaajalise valgusega ning nende fotosünteesivõimet ja valgusenergia kasutamise efektiivsust keskmises ja pikas perspektiivis saab parandada, saavutades seeläbi põllukultuuride ökoloogilise modelleerimise tõhusamalt. Lisaks reguleeritakse põllukultuuride istutamisel valguse intensiivsust vastavalt taimeliigile ja kasvuomadustele, et soodustada taimede tervislikku kasvu. Samal ajal on valguse kvaliteedi suhte reguleerimise ja loodusliku valgustsükli simuleerimise abil võimalik taimede õitsemist ja viljumist kiirendada või aeglustada, saavutades seeläbi põllu modelleerimise täpsema ökoloogilise regulatsiooni.
Valgusega reguleeritud suhkrute ainevahetus taimedes aitab kaasa taimede kasvu ja arengu paranemisele, kohanemisele ja vastupidavusele keskkonnastressiteguritele. Suhkrud kui signaalimolekulid reguleerivad taimede kasvu ja arengut, suheldes teiste signaalimolekulidega (nt fütohormoonid), mõjutades seeläbi taimede füsioloogilisi protsesse (Mukarram jt, 2023). Usume, et valguskeskkonna, taimede kasvu ja suhkrute ainevahetuse vahelist seostuvate regulatiivsete mehhanismide uurimine on tõhus majandusstrateegia aretus- ja tootmistavade suunamiseks. Tehnoloogia arenedes saab tulevikus läbi viia uuringuid valgusallikate valiku, näiteks kunstliku valgustuse tehnoloogiate ja LED-ide kasutamise kohta, et parandada valgustuse efektiivsust ja taimede saagikust, pakkudes rohkem regulatiivseid vahendeid taimede kasvu ja arengu uurimiseks (Ngcobo ja Bertling, 2024). Praegustes uuringutes valguse kvaliteedi mõju kohta taimedele kasutatakse aga kõige laialdasemalt punast ja sinist valguse lainepikkust. Seega, uurides mitmekesisemate valguskvaliteediga, näiteks oranži, kollase ja rohelise, mõju taimede kasvule ja arengule, saame arendada mitmete valgusallikate toimemehhanisme taimedele, kasutades seeläbi praktilistes rakendustes tõhusamalt erinevaid valguse kvaliteete. See nõuab edasist uurimist ja täiustamist. Paljusid taimede kasvu ja arengu protsesse reguleerivad fütokroomid ja fütohormoonid. Seetõttu on spektraalse energia ja endogeensete ainete vastastikmõju mõju taimede kasvule tulevaste uuringute võtmesuund. Lisaks aitab erinevate valgustingimuste mõju molekulaarsetele mehhanismidele, suhkru ainevahetusele ning mitmete keskkonnategurite sünergilisele mõjule taimedele põhjalik uurimine kaasa erinevate taimede potentsiaali edasisele arendamisele ja kasutamisele, mis võimaldab nende rakendamist sellistes valdkondades nagu põllumajandus ja biomeditsiin.