Šviesa – įrankis augalųmorfogenezei, produktyvumui

ir kokybei valdyti(2 dalis)

Pavelas Duchovskis, Aušra Brazaitytė, Giedrė Samuolienė,Akvilė Viršilė

2014 m. Lietuvos mokslo premija skirta už darbų ciklą „Augalų fiziologijos tyrimai: raidos, streso, produktyvumo ir kokybės valdymas“.

Apšvietimo kokybė

Receptorinės sistemos

Maistinė kokybė

Morfogenezė Produktyvumas Augimas

Subalansuota plėtra

•Didėja izoliacija nuo kintančios aplinkos

•Didėja investicijos į ploto vienetą

•Didėja derliaus indeksai

Nuo „Low tech“Prie „High tech“Di

desn

is p

rodu

ktyv

umas

su

maž

esnė

mis

ene

rgijo

s są

naud

omis

Pasaulinės šiltnamių daržininkystės vystymosi kryptys

Nuo maksimalaus natūralios šviesos panaudojimo šiltnamyjelink hyperlokalių “augalų gamyklų”

Kodėl ir Kam?

*LED – ekonomiškas, draugiškas aplinkai šaltinis – progresyvus, lengvai integruojamas į skaitmenines valdymo sistemas – tiksliai parenkamų parametrų, atitinkančių augalų

poreikius.

Fotobiologinės žinios, progresyvumas, ekonomiškumas ir nauda žmogaus mitybai

*Per pastaruosius 40 metų, mineralų, baltymų ir vitaminų kiekis daržovėse sumažėjo 5-40% (Davis, 2009).

*Šiaurės Europos šalyse, žalumyninės daržovės intensyviai auginamos šiltnamiuose žiemos / pavasario sezonu, kai natūralus apšvietimas netenkina augalų poreikių ir nukenčia jų maistinės savybės, sukaupiama daug nitratų.

*Skatinama įvairiomis agrotechnologinėmispriemonėmis gerinti daržovių maistinę kokybę ir praturtinti mitybos racioną natūraliomis fitocheminėmismedžiagomis, vitaminais ir antioksidantais (Simon, 2014).

Ekonomiškas, Aplinkai ir vartotojui draugiškas, Lengvai inkorporuojamas į skaitmenines valdymo sistemas; Tiksliai reguliuojamų valdomų parametrų, kurie atitinka augalo poreikius.

LED – mada ar vienas didžiausių pasiekimų šiltnamių apšvietimo srityje?

Uždaros klimato kameros–erdvė fundamentiniams ir taikomiesiems tyrimams

Šiltnamyje-Natūralaus apšvietimo fonas ir

sezoniškumo efektai

Taikomųjų mokslų institutas, Vilniaus universitetasLAMMC Sodininkystės ir daržiinkystės institutas

2003

Ulinskaitė et al., 2004

Nuo pirmųjų eksperimentų ik išmaniųjų technologijų

O ką regi augalai?

Sacc

harid

es

Nitr

ates

Antio

xida

nt

pote

ntia

l

Phen

ols

Anth

ocya

ns

Caro

teno

ids

Asco

rbic

aci

d

α to

coph

erol

Red ↑ ↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ Yellow/Orange ↑ ↑

Green ↓ ↑ ↑ ↑ ↑ Blue ↑ UV-A ↑ ↑ UV-B ↑ ↑ ↑

Internal and external quality

Šviesos spektro įtaka augalų metabolitų kiekiui

Skirtingi genotipai – skirtingi augimo tarpsniai – skirtingi efektai

Daigintos ridikėlių sėklos Ridikėlių mikrožalumynai Mažosios salotos Techninė branda

+

Šviesos spektro efektai

0500

100015002000250030003500

545

440

330

220

110

545

440

330

220

110

Kiniškas kopūstas Burokėlis

Nitr

atai

, mg

kg-1

µmol m-2s-1

01234567

545

440

330

220

110

545

440

330

220

110

Kiniškas kopūstas Burokėlis

Ant

ocia

nai,

mg

g-1

µmol m-2s-1

00,20,40,60,8

1

545

440

330

220

110

545

440

330

220

110

Kiniškas kopūstas BurokėlisFe

nolia

i, m

g g-1

µmol m-2s-1

Daiginiai. Apšvietimo srauto efektai (µmol m-2 s-1)

00,20,40,60,8

11,21,4

545

440

330

220

110

545

440

330

220

110

Kiniškas kopūstas Burokėlis

Alfa

toko

fero

lis, m

g g-1

µmol m-2s-1

Skirtingos mažųjų salotų veislės išaugintos po 640 nm ~160 μmol m-2 s-1PPFD šviesa, 18 and 24 h fotoperiodu.

Mažosios salotos. Fotoperiodo efektai

Optimizuotas apšvietimas ar nedidelės stresinės įtampos sąlygos?

0500

1000150020002500

18 h 24 h 18 h 24 h 18 h 24 h

Multiblond 2 Multigreen 3 Multired 4

Nitr

atai

, mg

kg-1

01234567

18 h 24 h 18 h 24 h 18 h 24 h

Multiblond 2 Multigreen 3 Multired 4

DPP

H r

adik

alų

suri

šimo

geba

, µm

ol g-

1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

HPS

HPS

+638

HPS

HPS

+638

HPS

HPS

+638

HPS

HPS

+638

HPS

HPS

+638

HPS

HPS

+638

1 day 2 days 3 days 4 days 5 days 6 days

mg

g-1 a a

aa

a

a

Žalumyninės daržovės, išaugintos po įprastiniu apšvietimu, 3 dienas prieš derliaus nuėmimą

apdorotos didelio srauto tankio 640 nm šviesa.

Nitratų kiekis ‘Grand rapids‘ salotose

0500

1000150020002500300035004000

HPS

HPS

+638

HPS

HPS

+638

HPS

HPS

+638

HPS

HPS

+638

HPS

HPS

+638

HPS

HPS

+638

1 day 2 days 3 days 4 days 5 days 6 days

mg

kg-1

aa a

a a Fenolinių junginių kiekis

Ar švitinti augalus ilgiau nei 3 dienas?

Apšvietimo prieš derliaus nuėmimą efektai

HPS – aukš to slėgio natrio lepmosL2-

Nitratų kiekis ‘Grand rapids‘ salotose, apšviestose LED 3 dienas prieš derliaus nuėmimą.

0500

100015002000250030003500400045005000

24 h 48 h 72 h 24 h 48 h 72 h 24 h 48 h 72 h 24 h 48 h 72 h 24 h 48 h 72 h 24 h 48 h 72 h

K HPS L2 K HPS L2 K HPS L2

100% hidroponinis tirpalas 30% hidroponinis tirpalas vanduo

mg

kg-1

a a

a a

a

a

a

Šviesos ir kitų aplinkos faktorių sąveika

0

500

1000

1500

2000

K HPS L1 L2 HP S L1 L2

po 72 h švit inimo po 24 h esant+4°C

mg

kg-1

ab

ab

Salotų lapai Svogūnų laiškai Mairūnų ūgliai

Askorbo rūgšties kiekis

00,05

0,10,15

0,20,25

0,30,35

0,4

K HPS L1 L2 HPS L1 L2

po 72 h švit inimo po 24 h esant+4°C

mg

g-1

a

0

500

1000

1500

2000

K HP S L1 L2 HPS L1 L2

po 72 h švit inimo po 24 h esant+4°C

mg

kg-1 a a

ab

0

500

1000

1500

2000

K HP S L1 L2 HPS L1 L2

po 72 h švit inimo po 24 h esant+4°C

mg

kg-1

a aa

b

Nitratų kiekis

00,05

0,10,15

0,20,25

0,30,35

0,4

K HPS L1 L2 HPS L1 L2

po 72 h švitinimo po 24 h esant+4°C

mg

g-1 a

00,05

0,10,15

0,20,25

0,30,35

0,4

K HPS L1 L2 HP S L1 L2

po 72 h švit inimo po 24 h esant+4°C

mg

g-1

a a

K Kontrolinis matavimas prieš švitinimąHPS Aukšto slėgio natrio lemposL1 638 nmL2 447 nm 638 nm 669 nm 731 nm

Išliekamieji efektai?

Kiekvienai augalo rūšiai (net veislei!) –savitas optimalus šviesos bangų ilgių derinys

00,20,40,60,8

11,21,4

'Grand Rapids' 'Lolo Bionda' 'Lolo Rossa'

mg

g-1

HPS HPS+638 nm a

aa

Fenolinių junginių kiekis

0

500

1000

1500

2000

2500

'Grand Rapids' 'Lolo Bionda' 'Lolo Rossa'

mg

kg-1

HPS HPS+638 nma

Nitratų kiekis salotose

02468

1012

'Grand Rapids' 'Lolo Bionda' 'Lolo Rossa'µm

ol g

-1

HPS HPS+638 nm

a

DPPH radikalų imobilizavimo geba

0

5

10

15

20

25

HPS HPS+638 HPS HPS+638 HPS HPS+638

'Grand Rapids' 'Lolo Bionda' 'Lolo Rossa'

mg

g-1

Fruktozė Gliukozė Sacharozė

Mėlyna šviesa– efektyviai fotosintezės veiklaiŽalia šviesa – neefektyvi, nes augalai ją atspindi?

Fotofiziologiniai efektai jautriai kinta priklausomai nuo aplinkos sąlygų kaitos šiltnamyje

Samuolienė ir kt., 2012

Sezoniškumo efektai šiltnamyje

Apšvietimo receptūros perkėlus iš uždaros klimato kameros į šiltnamį ne visuomet pasiteisina.

L1 – (pagrindinis šviestukų derinys) –445, 638, 669, 731 nmL2 – pagrindinis + 380 nmL3 – pagrindinis + 520 nmL4 – pagrindinis + 595 nmL5 – pagrindinis + 622 nm

Pomidorų daigai. UV spinduliuotės nauda

L1 – (pagrindinis šviestukų derinys) –445, 638, 669, 731 nmL2 – pagrindinis + 380 nmL3 – pagrindinis + 520 nmL4 – pagrindinis + 595 nmL5 – pagrindinis + 622 nm

Agurkų daigai. Žalios šviesos nauda

Pramoniniu būdu pagamintų šviestuvų srauto parinkimas. UAB Hortiled

Energijos sąnaudos, lyginant su HPS lempomis – 2,5 karto mažesnės

Agurkų daigų fotosintezės intensyvumas ir žiedynų išsivystymas

Geresnis mineralinių elementų įsisavinimas.

Antrinių metabolitų valdymas

Sudėtinga pasiekti visapusiškai teigiamo šviesos efekto augalo metaboliniams procesams, tačiau galima pasitelkti šviesą kaip įrankį padidinti savitų fitocheminių

medžiagų kiekį augalinėje žaliavoje.

Junginiai, kurie tiesiogiaiabsorbuoja šviesą (pvz.Fenoliai, karotinoidai)

Šviesos spektras

Trumpalaikis ir ilgalaikis

efektas

Raudonlapė ir žalialapė perilė

Efektai antriniams metabolitams

Junginiai, kurių kiekisįtakojamas netiesiogiai permetabolinius procesus (pvz.Askorbo rūgštis, tokoferoliai irkt. )

0102030405060708090

R66

0

R64

0

R66

0+B

R66

0+Y

R66

0+G

R66

0+U

V

R66

0

R64

0

R66

0+M

R66

0+G

R66

0+Ž

R66

0+U

V

Subrendę lapai Jauni lapai

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Cyanin Kuromarin DelphinidinCianidin Pelargonidin Malvidin

Antrinio metabolizmo valdymas

Trumpalaikis šviesos efektas Ilgalaikis šviesos efektas

RaudonaAlfa tokoferolisFenoliniai junginiaiDPPH imobilizavimo aktyvumas

Alfa tokoferolisFenoliniai junginiaiDPPH imobilizavimo aktyvumasKarotinoidas violaksantinasEpikatechinas raudonlapėse perilėseUrsolinė rūgštis žalialapėse perilėse

Mėlyna Fenoliniai junginiaiDPPH imobilizavimo aktyvumas

Fenoliniai junginiaiDPPH imobilizavimo aktyvumasAntocianinų kiekis žalialapėse perilėse

Geltona Antocianinai raudonlapėse perilėseViolaksantinas žalialapėse perilėse Violaksantinas žalialapėse perilėse

Žalia Alfa tokoferolisAntocianinai raudonlapėse perilėse Antocianinai raudonlapėse perilėse

UV-A Ursolinė rūgštis raudonlapėse perilėse

Jauni lapai Subrendę lapai

Trumpalaikis šviesos efektas antocianinų kiekiui raudonlapėse krūminėse perilėse.

Ačiū už dėmesį!