Wpływ światła na wzrost i rozwój roślin

Światło dostarcza roślinom energii niezbędnej do fotosyntezy, umożliwiając im produkcję materii organicznej iprzetwarzać energię podczas wzrostu i rozwojuŚwiatło dostarcza roślinom niezbędnej energii i stanowi podstawę podziału i różnicowania komórek, syntezy chlorofilu, wzrostu tkanek i ruchu aparatów szparkowych. Natężenie światła, fotoperiod i jakość światła odgrywają ważną rolę w tych procesach. Metabolizm cukrów w roślinach obejmuje wiele mechanizmów regulacyjnych. Światło, jako jeden z czynników regulacyjnych, wpływa na skład ściany komórkowej, granulki skrobi, syntezę sacharozy i tworzenie wiązek przewodzących. Podobnie, w kontekście metabolizmu cukrów regulowanego światłem, wpływają również typy cukrów i geny. Przeanalizowaliśmy istniejące bazy danych i znaleźliśmy kilka istotnych przeglądów. Dlatego niniejszy artykuł podsumowuje wpływ światła na wzrost i rozwój roślin, a także na metabolizm cukrów, oraz omawia mechanizmy oddziaływania światła na rośliny bardziej szczegółowo, dostarczając nowych spostrzeżeń na temat mechanizmów regulacyjnych wzrostu roślin w różnych warunkach świetlnych.

Światło dostarcza roślinom energii do fotosyntezy i działa jako sygnał środowiskowy regulujący wiele aspektów ich fizjologii. Rośliny mogą wyczuwać zmiany zewnętrznych warunków oświetleniowych poprzez różne fotoreceptory, takie jak fitochromy i fototropiny, i ustanawiać odpowiednie szlaki sygnałowe regulujące ich wzrost i rozwój. W warunkach słabego oświetlenia całkowita zawartość suchej masy roślin spada, podobnie jak tempo fotosyntezy, tempo transpiracji, przewodnictwo szparkowe i średnica łodygi. Ponadto natężenie światła jest krytyczną zmienną regulującą procesy takie jak kiełkowanie roślin, proliferacja i wzrost liści, rozwój szparkowy, fotosynteza i podział komórek. Jakość światła przekazywanego przez fotoreceptory reguluje cały cykl życiowy roślin, przy czym różna jakość światła ma różny wpływ na morfologię roślin, fotosyntezę, wzrost i rozwój organów. Rośliny mogą regulować swój wzrost i rozwój w odpowiedzi na fotoperiod, który promuje procesy takie jak kiełkowanie nasion, kwitnienie i dojrzewanie owoców. Bierze również udział w reakcjach roślin na czynniki niekorzystne, dostosowując się do różnych zmian sezonowych (Bao i in., 2024; Chen i in., 2024; Shibaeva i in., 2024).
Cukier, fundamentalna substancja dla wzrostu i rozwoju roślin, podlega złożonemu procesowi transportu i akumulacji, na który wpływa i który jest regulowany przez wiele czynników. Metabolizm cukru w ​​roślinach obejmuje syntezę, katabolizm, wykorzystanie i transformację cukrów w roślinach, w tym transport sacharozy, transdukcję sygnału oraz syntezę skrobi i celulozy (Kudo i in., 2023; Li i in., 2023b; Lo Piccolo i in., 2024). Metabolizm cukru efektywnie wykorzystuje i reguluje cukry, uczestniczy w adaptacji roślin do zmian środowiskowych oraz dostarcza energii do ich wzrostu i rozwoju. Światło wpływa na metabolizm cukru w ​​roślinach poprzez fotosyntezę, sygnalizację cukrową i regulację fotoperiodu, a zmiany warunków świetlnych powodują zmiany w metabolitach roślin (Lopes i in., 2024; Zhang i in., 2024). Niniejszy przegląd koncentruje się na wpływie światła na wydajność fotosyntezy roślin, wzrost i rozwój oraz metabolizm cukru. W artykule omówiono również postępy w badaniach nad wpływem światła na cechy fizjologiczne roślin, mając na celu stworzenie podstaw teoretycznych do wykorzystania światła do regulacji wzrostu roślin oraz poprawy plonów i ich jakości. Związek między światłem a wzrostem roślin pozostaje niejasny i wskazuje potencjalne kierunki badań.
Światło ma wiele właściwości, ale jego intensywność i jakość mają największy wpływ na rośliny. Natężenie światła jest powszechnie używane do pomiaru jasności źródła światła lub natężenia wiązki. Ze względu na długość fali światło można podzielić na ultrafiolet, światło widzialne i podczerwień. Światło widzialne dzieli się dalej na czerwone, pomarańczowe, żółte, zielone, niebieskie, indygo i fioletowe. Rośliny absorbują głównie światło czerwone i niebieskie, stanowiące podstawową energię do fotosyntezy (Liang i in., 2021).
Jednakże zastosowanie różnej jakości światła w polu, kontrola fotoperiodu i wpływ zmian natężenia światła na rośliny to złożone problemy, które wymagają rozwiązania. Dlatego uważamy, że racjonalne wykorzystanie warunków świetlnych może skutecznie promować rozwój ekologii modelowania roślin i kaskadowego wykorzystania materiałów i energii, poprawiając w ten sposób efektywność wzrostu roślin i korzyści środowiskowe. Wykorzystując teorię optymalizacji ekologicznej, adaptowalność fotosyntezy roślin do światła średnio- i długoterminowego jest uwzględniona w modelu systemu ziemskiego, aby zmniejszyć niepewność modelowania fotosyntezy i poprawić dokładność modelu (Luo i Keenan, 2020). Rośliny mają tendencję do adaptacji do światła średnio- i długoterminowego, a ich zdolność fotosyntetyczna i efektywność wykorzystania energii świetlnej w perspektywie średnio- i długoterminowej mogą zostać poprawione, tym samym skuteczniej osiągając ekologiczne modelowanie upraw polowych. Ponadto, podczas stosowania sadzenia w polu, natężenie światła jest dostosowywane do gatunku rośliny i cech wzrostu, aby promować zdrowy wzrost roślin. Jednocześnie, regulując współczynnik jakości światła i symulując naturalny cykl światła, można przyspieszyć lub spowolnić kwitnienie i owocowanie roślin, osiągając w ten sposób dokładniejszą regulację ekologiczną modelowania pola.
Regulowany światłem metabolizm cukrów w roślinach przyczynia się do poprawy wzrostu i rozwoju roślin, adaptacji i odporności na czynniki stresowe środowiska. Cukry, jako cząsteczki sygnałowe, regulują wzrost i rozwój roślin poprzez interakcje z innymi cząsteczkami sygnałowymi (np. fitohormonami), wpływając w ten sposób na procesy fizjologiczne roślin (Mukarram i in., 2023). Wierzymy, że badanie mechanizmów regulacyjnych łączących środowisko świetlne ze wzrostem roślin i metabolizmem cukrów będzie skuteczną strategią ekonomiczną ukierunkowującą praktyki hodowlane i produkcyjne. Wraz z rozwojem technologii, przyszłe badania nad doborem źródeł światła, takich jak technologie sztucznego oświetlenia i wykorzystanie diod LED, mogą być prowadzone w celu poprawy efektywności oświetlenia i plonów roślin, dostarczając więcej narzędzi regulacyjnych do badań nad wzrostem i rozwojem roślin (Ngcobo i Bertling, 2024). Jednak w obecnych badaniach nad wpływem jakości światła na rośliny najczęściej wykorzystuje się czerwone i niebieskie długości fal światła. Zatem, badając wpływ bardziej zróżnicowanych jakości światła, takich jak pomarańczowy, żółty i zielony, na wzrost i rozwój roślin, możemy opracować mechanizmy działania wielu źródeł światła na rośliny, a tym samym efektywniej wykorzystać różne jakości światła w praktycznych zastosowaniach. Wymaga to dalszych badań i udoskonaleń. Wiele procesów wzrostu i rozwoju roślin jest regulowanych przez fitochromy i fitohormony. Dlatego wpływ interakcji energii widmowej i substancji endogennych na wzrost roślin będzie kluczowym kierunkiem przyszłych badań. Ponadto, dogłębne badanie mechanizmów molekularnych, poprzez które różne warunki świetlne wpływają na wzrost i rozwój roślin, metabolizm cukrów, a także synergistyczne działanie wielu czynników środowiskowych na rośliny, przyczyni się do dalszego rozwoju i wykorzystania potencjału różnych roślin, co pozwoli na ich zastosowanie w takich dziedzinach jak rolnictwo i biomedycyna.