Особенности фотоморфогенеза Arabidopsis thaliana в условиях LED-освещения различного спектрального состава

В работе применена ранее разработанная в Институте медико-биологических проблем РАН методика выращивания растений ArabidopsisthalianaHeynh на поверхности гидратцеллюлозной пленки в стерильных условиях на гелевых средах. При этом растения полностью доступны для наблюдения, включая корневую систему, а их листья и корни равномерно освещены. С применением данной методики изучены особенности влияния света с различным соотношением физиологически значимых спектральных диапазонов на морфогенез A. thaliana. В спектральном составе LED-облучателей, содержащем все длины волн фотосинтетически активной радиации (ФАР), варьировали соотношение красного света к синему (К/С) от 1 до 5, красного к сине-зеленому (К/(С + З) от 0,7 до 4,1 и красного к дальнему красному (К/ДК) от 2,6 до 5,6. Люминесцентное освещение с соотношениями К/С, К/(С + З) и К/ДК, равными 2, 1 и 11,9 соответственно, использовали в качестве контрольного. Полученные результаты свидетельствуют о том, что рост надземной части и корневой системы, синтез хлорофилла, накопление сухого вещества A. thaliana можно стимулировать, повышая уровень красного и снижая уровень дальнего красного света, а при наличии всех других диапазонов ФАР - достигать определенного их соотношения в спектре LED-освещения. Так, вариант LED-освещения с соотношениями К/С, К/(С + З) и К/ДК, равными 4, 2, и 5,6 соответственно, был наиболее эффективен для накопления сырой и сухой массы надземной части, образования хлорофилла, а также для формирования разветвленной корневой системы. Кроме того, при LED-освещении всех вариантов у растений в среднем на 5-6 дней раньше образовывались соцветия, а их количество было больше, чем при люминесцентном освещении.

1. Циклический гуанозинмонофосфат и сигнальные системы клеток растений / Л. В. Дубовская [и др.]. - Минск : Беларус. навука, 2014. - 273 c.

2. Furuya, M. Phytochromes: their molecular species, gene family and functions / M. Furuya // Ann. Rev. Plant Phys. Plant Mol. Biol. - 1993. - Vol. 44, N 1. - P. 617-645. https://doi.org/10.1146/annurev.pp.44.060193.003153

3. Lin, C. Cryptochrome structure and signal transduction / C. Lin, D. Shalitin // Ann. Rev. Plant Biol. - 2003. - Vol. 54, N 1. - P. 469-496. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.54.110901.160901

4. The phototropin family of photoreceptors / W. R. Briggs [et al.] // Plant Cell. - 2001. - Vol. 13, N 5. - P. 993-997. https://doi.org/10.1105/tpc.13.5.993

5. Phytochrome Signaling Mechanisms / J. Li [et al.] // Arabidopsis Book. - 2011. - Vol. 2011, N 9. - P. e0148. https://doi.org/10.1199/tab.0148

6. Gyula, P. Light perception and signalling in higher plants / P. Gyula, E. Schafer, F Nagy // Curr. Opin. Plant Biol. - 2003. - Vol. 6, N 5. - P. 446-452. https://doi.org/10.1016/s1369-5266(03)00082-7

7. Jiao, Y. Light-regulation transcriptional networks in higher plants / Y. Jiao, O. S. Lau, X. W. Deng // Nat. Rev. Genet. - 2007. - Vol. 8, N 3. - P. 217-230. https://doi.org/10.1038/nrg2049

8. Galvao, V. C. Sensing the light environment in plants: photoreceptors and early signaling steps /V. C Galvao, C. Fankhauser // Curr. Opin. Neurobiol. - 2015. - Vol. 34. - P. 46-53. https://doi.org/10.1016/j.conb.2015.01.013

9. Folta, K. Light as a growth regulator: controlling plant biology with narrow-bandwidth solid-state lighting systems / K. Folta, K. S. Childers // Horticult. Sci. - 2008. - Vol. 43, N 7. - P. 1957-1964. https://doi.org/10.21273/HORTSCI.43.7.1957

10. Gelderen, K. Light signaling, root developmet and plasticity / K. Gelderen, C. Kang, R. Pierik // Plant Physiol. - 2018. - Vol. 176, N 2. - P. 1049-1060. https://doi.org/10.1104/pp.17.01079

11. S®b0, A. Light quality affects photosynthesis and leaf anatomy of brich plantlets in vitro / A. S®b0, T. Krekling, M. Appelgren // Plant Cell, Tiss. Organ Cult. - 1995. - Vol. 41, N 2. - P. 177-185. https://doi.org/10.1007/bf00051588

12. Senger, H. The effect of blue light on plants and microorganisms / H. Senger // Phytochem. Photobiol. - 1982. - Vol. 35, N 6. - P. 911-920. https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.1982.tb02668.x

13. McCree, K. J. The action spectrum, absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants / K. J. McCree // Agricult. Meteorol. - 1972. - Vol. 9. - P. 191-216. https://doi.org/10.1016/0002-1571(71)90022-7

14. The research on LED supplementary lighting system for plants / Y. Xu [et al.] // Optik. - 2016. - Vol. 127, N 18. - P. 7193-7201. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2016.05.056

15. Fraszczak, B. Effect of short-term exposure to red and blue light on dill plants growth / B. Fraszczak // Hortcult. Sci. (Prague). - 2013. - Vol. 40, N 4. - P. 177-185. https://doi.org/10.17221/149/2013-HORTSCI

16. Gupta, S. D. Fundamentals and applications of light-emitting diodes (LEDs) in in vitro plant growth and morpho-genesis : review / S. D. Gupta, B. Jatothu // Plant Biotechnol. Rep. - 2013. - Vol. 7, N 3. - P. 211-220. https://doi.org/10.1007/s11816-013-0277-0

17. Morrow, R. C. LED lighting in horticulture / R. C. Morrow // HortScience. - 2008. - Vol. 43, N 7. - P. 1947-1950. https://doi.org/10.21273/HORTSCI.43.7.1947

18. Poudel, P. R. Effect of red- and blue-light-emitting diodes on growth and morphogenesis of grapes / P. R. Poudel, I. Kataoka, R. Mochioka // Plant Cell Tiss. Organ Cult. - 2008. - Vol. 92, N 2. - P. 147-153. https://doi.org/10.1007/s11240-007-9317-1

19. Dastidar, M. G. Root branching: mechanisms, robustness and plasticity / M. G. Dastidar, V. Jouannet, A. Maizel // Wiley Interdiscipl. Reviews: Dev. Biol. - 2012. - Vol. 1, N 3. - P. 329-343. https://doi.org/10.1002/wdev.17

20. Ivanov, V. B. Cytokinins regulate root growth through its action on meristematic cell proliferation but not on the transition to differentiation / V. B. Ivanov, A. N. Filin // Funct. Plant Biol. - 2017. - Vol. 45, N 2. - P. 215-221. https://doi.org/10.1071/FP16340

21. Halliday phytochrome coordinates Arabidopsis shoot and root development / F. J. Salisbury [et al.] // Plant J. - 2007. - Vol. 50, N 3. - P. 429-438. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2007.03059.x

22. Kutschera, U. Root phototropism: from dogma to the mechanism of blue light perception / U. Kutschera, W. R. Briggs // Planta. - 2012. - Vol. 235, N 3. - P. 443-452. https://doi.org/10.1007/s00425-012-1597-y

23. Применение гидратцеллюлозной пленки для исследования роста и развития корневой системы модельного растения Arabidopsis thaliana L. / А. С. Кривобок [и др.] // Биотехнология. - 2020. - Т. 36, № 1. - C. 36-43. https://doi.org/10.21519/0234-2758-2020-36-1-36-43

24. Особенности формирования фотосинтетического аппарата микроклонов Populus tremula L. и Betula pendula Roth. при LED-освещении различного спектрального состава в процессе адаптации ex vitro / Т. Н. Куделина [и др.] // Вес. Нац. диад. навук Беларусь Сер. бiял. навук. - 2019. - Т. 64, № 4. - С. 456-466.

25. Wettstein, D. Formula of chlorophyll determination / D. Wettstein // Exp. Cell Res. - 1957. - Vol. 12, N 3. - P. 427-489.

26. Рокицкий, П. Ф. Биологическая статистика / П. Ф. Рокицкий. - Минск : Выш. шк., 1973. - 320 с.

27. Photosynthetic efficiency and phytochrome photoequilibria determination using spectral data / J. Sager [et al.] // Transactions ASAE. - 1988. - Vol. 31, N 6. - P. 1882-1889. https://doi.org/10.13031/2013.30952

28. Root phototropism: how light and gravity interact in shaping plant form / J. Z. Kiss [et al.] // Gravit. Space Biol. Bull. - 2003. - Vol. 16, N 2. - P. 55-60.

29. Plant responses to red and far-red lights, applications in horticulture / S. Demotes-Mainard [et al.] // Environ. Exp. Botany. - 2016. - Vol. 121. - P. 4-21. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2015.05.010

30. Phytochrome coordinates Arabidopsis shoot and root development / F. J. Salisbury [et al.] // Plant J. - 2007. - Vol. 50, N 3. - P. 429-438. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2007.03059.x

31. Чайлахян, М. Х. Регуляция цветения высших растений / М. Х. Чайлахян. - Минск : Наука, 1988. - 558 с.

32. Kim, S. Y. Regulation of constans and flowering locus T expression in response to changing light quality / S. Y. Kim, X. Yu, S. D. Michaels // Plant Physiol. - 2008. - Vol. 148, N 1. - P. 269-279. https://doi.org/10.1104/pp.108.122606

33. Regulation of photoperiodic flowering by Arabidopsis photoreceptors / T. Mockler [et al.] // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 2003. - Vol. 100, N 4. - P. 2140-2145. https://doi.org/10.1073/pnas.0437826100

34. Suarez-Lopez, P. CONSTANS mediates between the circadian clock and the control of flowering in Arabidopsis / P. Suarez-Lopez // Nature. - 2001. - Vol. 410, N 6832. - P 1116-1120. https://doi.org/10.1038/35074138