اثر طیف نور بر رشد گیاه

همه می‌دانند که گیاه برای رشد به وسیله‌ی فتوسنتز به نور نیاز دارد. فتوسنتز فرآیندی شامل تثبیت انرژی و تولید قند است. اما نور علاوه بر فراهم آوردن انرژی در بسیاری از دیگر فرآیندهای گیاه مثل ریخت‌زایی نور و نوردورگی نقشی کلیدی ایفا می‌کند. این فرآیندها همگی تحت تأثیر طیف نور هستند که به معنای توزیع نور در طیف الکترومغناطیسی است. برای آنکه واکنش‌های مختلف گیاه به نور را توضیح دهیم، ابتدا باید به خود پدیده‌ی نور فکر کنیم.

اصل نور و طیف آن

نور نوعی تشعشع است که به صورت امواج الکترومغناطیسی از هوا یا خلاء عبور می‌کند. بنابراین می‌توان آن را با سه ویژگی فیزیکی توصیف کرد: شدت (یا بزرگی)، فرکانس (یا طول موج) و جهت قطبش. همه‌ی اشکال احتمالی تشعشع الکترومغناطیسی را می‌توان با قرار دادن آن‌ها در طیف الکترومغناطیسی توصیف کرد. شکل ۱ را ببینید.

زمانی که طیف الکترومغناطیسی یا نوری را توصیف می‌کنیم بهتر است درباره‌ی طول موج صحبت کنیم نه رنگ آن. علت آن است که نور مرئی برای انسان در کل فقط بخش کوچکی از طیف نور را تشکیل می‌دهد – یعنی دامنه‌ی طول موج‌های بین 400 و 700 نانومتر (هر nm معادل ۰٫۰۰۰۰۰۰۰۰۱ متر است).

(شکل ۱)

همانطور که در شکل ۱ می‌بینید، دامنه‌ی نور مرئی بسیار کوچک است. در حقیقت کمتر از ۱ درصد از کل طیف را تشکیل می‌دهد. تابش فعال فتوسنتزی (PAR) یا چگالی شار فوتون فتوسنتزی (PPFD) دامنه‌ی نوری است که مورد استفاده‌ی گیاهان قرار می‌گیرد تا عملیات فتوسنتز را انجام دهند. اما به این علت که PPFD حاصلجمع همه‌ی فوتون‌های دامنه‌ی 400 تا 700 نانومتری است، دو توزیع طیفی بسیار متفاوت ممکن است PPFD یکسان داشته باشند. معنایش این است که هیچ رابطه‌ی یک به یکی بین توزیع طیفی و PPFD وجود ندارد. همچنین به این معناست که زمانی که منابع نور را با هم مقایسه می‌کنیم باید داده‌های توزیع طیفی و PPFD را در نظر داشته باشیم.

PPFD نور به صورت μmol/m²/s نشان داده می‌شود و به ما می‌گوید چند فوتون نوری به سطح از پیش تعیین‌شده (m²) در طول مدت مشخص (یک ثانیه) می‌رسد. به عنوان مثال: بیشتر گیاهان به حداقل ۳۰ الی ۵۰ μmol/m²/s PPFD برای زنده ماندن نیاز دارند.

گیاه چگونه نور را حس می‌کند

نور علاوه بر فراهم آوردن انرژی برای فتوسنتز، به عنوان منبع اطلاعات برای گیاهان نیز عمل می‌کند. طیف‌های نوری مختلف اطلاعاتی از محیط گیاه و در نتیجه نحوه زنده ماندن و از آن بهتر شکوفایی و تولیدمثل آن به آن گیاه می‌دهند. با این تعریف، ترکیب نور به اندازه‌ی کل مقدار نوری که برای فتوسنتز استفاده می‌شود اهمیت پیدا می‌کند. طیف نور دامنه‌ی 300 تا 800 نانومتر واکنشی در جهت رشد گیاه ایجاد می‌کند. علاوه بر آن گفته می‌شود نور UV و مادون قرمز (IR) در ریخت‌زایی گیاه نقش ایفا می‌کند.

گیاه با استفاده از رنگ‌دانه‌های خاصی به نام گیرنده‌ی نور از نوری که به آن می‌رسد اطلاعات دریافت می‌کند. این گیرندگان نور به طول‌موج‌های مختلف طیف نور حساس هستند.

(شکل 2)

سه گروه گیرنده‌ی نور وجود دارد. شکل ۲ را ببینید:

• فتوتروپین (PHOT)
  
• کریپتوکروم (CRY)
  
• فیتوکروم (PHY)
  

دو گیرنده‌ی نور اول – فتوتروپین و کریپتوکروم – در دامنه‌ی پایین طول موج‌ها (UV (A) و آبی) فعال هستند. این دو گیرنده‌ی نور عملکردهایی به وضوح متفاوت دارند. فتوتروپین مسئول فتوتروپیسم یا حرکت گیاه و حرکت کلروپلاست در سلول در واکنش به مقدار نور است. فتوتروپین آن چیزی است که باعث می‌شود ساقه‌ها به سوی نور خم شوند و روزنه‌ها باز شوند.

کریپتوکروم رنگدانه‌ای است که جهت نور را تشخیص می‌دهد. جلوگیری از کشیدگی ساقه تحت کنترل کریپتوکروم و همچنین عملکرد روزنه‌ها، سنتز رنگدانه‌ها و دنبال کردن خورشید توسط برگ‌های گیاه است. گیرندگان دیگر نور – فیتوکروم‌ها – به نور قرمز و فراسرخ حساس هستند. دو نوع فیتوکروم وجود دارد، Pfr و Pr، که با هم در تعامل هستند. فیتوکروم‌ها بیشترین تأثیر را بر ریخت‌زایی نوری دارند. کشیدگی ساقه، فرار از سایه، سنتز کلروفیل و واکنش گل همه از عملکردهایی هستند که معمولاً توسط فیتوکروم کنترل می‌شوند.

حالا که طیف نوری و گیرندگان نور مسئول رشد گیاه را بررسی کردیم، به سوال بعدی می‌رسیم: چطور می‌توانیم به عنوان کشاورز و باغبان از این دانش استفاده کنیم؟ چه طیف نوری برای رشد خوب است؟ برای پاسخ به این سوال باید به واکنش گیاه به طیف‌های مختلف نور بیاندیشیم. از آنجایی که این موارد اساساً در حیطه‌ی نور مرئی قرار می‌گیرند، می‌توانیم درباره‌ی «رنگ» صحبت کنیم و ابتدا به مهمترین رنگ‌ها برای رشد گیاه بپردازیم.

نور آبی (400 تا 500 نانومتر)

درصد بیشتری از نور آبی اثر بازداری بر کشیدگی سلول دارد و حاصل آن ساقه‌ی کوتاه‌تر و برگ‌های ضخیم‌تر است. برعکس، کاهش مقدار نور آبی باعث بیشتر شدن مساحت برگ و درازتر شدن ساقه می‌شود. اگر نور آبی بیش از حد کم باشد، اثری منفی بر رشد گیاهان خواهد داشت. بسیاری از گیاهان به حداقل نور آبی ممکن نیاز دارند که دامنه‌ای بین 5 تا 30 μmol/m²/s برای کاهو و فلفل و تا 30 μmol/m²/s برای سویا را شامل می‌شود.

تعامل بین نور قرمز (600 تا 700 نانومتر) و فراسرخ (700 تا 800 نانومتر)

از آنجایی که نور قرمز و فراسرخ طول موج بیشتری دارند، نسبت به نور آبی کم‌انرژی‌تر هستند. در کنار تأثیر عمیق فیتوکروم‌های تحریک‌شده با قرمز بر ریخت‌زایی گیاه، نسبتاً نور قرمز و فراسرخ بیشتری برای رشد گیاه لازم است.

دو نوع فیتوکروم، Pfr و Pr، نقش مهمی در این فرآیند ایفا می‌کنند. از آنجایی که نور قرمز و فراسرخ هر دو در نور خورشید وجود دارند، گیاهان در طبیعت تقریباً همیشه حاوی هر دو فیتوکروم Pfr و Pr هستند. گیاه با نسبت بین این دو نوع محیط خود را حس می‌کند. این وضعیت، وضعیت ایستای فیتوکروم (PSS) نامیده می‌شود.

فیتوکروم Pr در طول موج 670 نانومتر به اوج جذب نور خود می‌رسد. زمانی که Pr نور قرمز را جذب می‌کند، به نوع Pfr تبدیل می‌شود. Pfr برعکس عمل می‌کند – زمانی که نور فراسرخ را با اوج 730 نانومتر جذب می‌کند، به شکل Pr درمی‌آید. اما از آنجایی که مولکول‌های Pfr نور قرمز را نیز می‌توانند جذب کنند، برخی از مولکول‌های Pfr به حالت Pr بازمی‌گردند. به خاطر همین پدیده، هیچ رابطه‌ی خطی بین PSS و نسبت نور قرمز به فراسرخ وجود ندارد. مثلاً زمانی که نسبت نور قرمز به فراسرخ از 2 بیشتر می‌شود، تقریباً هیچ واکنشی در PSS به وجود نمی‌آید و در نتیجه رشد گیاه تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد. بنابراین بهتر است درباره‌ی PSS صحبت شود نه نسبت قرمز به فراسرخ نور.

مقدار Pr و Pfr به گیاه می‌گوید کدام نور را دریافت می‌کند. زمانی که Pr زیادی وجود داشته باشد معنایش این است که گیاه نور فراسرخ بیشتری از نور قرمز دریافت می‌کند. زمانی که نور قرمز کمتری وجود داشته باشد برعکس آن تبدیل (از Pr به Pfr) تحمیل می‌شود که به معنای مقدار نسبتاً بیشتر Pr است.

(شکل 3)

در محیط‌هایی که گیاهان زیادی با فاصله‌ی کم نسبت به یکدیگر در آن رشد می‌کند همه‌ی نور قرمز خورشید برای فرآیند فتوسنتز مصرف می‌شود (بین 400 و 700 نانومتر) و قسمت زیادی از نور فراسرخ توسط گیاهان انعکاس می‌یابد (بیش از 700 نانومتر). بیشتر گیاهان، بخصوص گیاهانی که در سایه هستند، در این موقعیت نور فراسرخ بیشتری از نور قرمز دریافت می‌کنند. در نتیجه Pr افزایش می‌یابد و زمانی که چنین اتفاقی رخ می‌دهد، گیاه احساس می‌کند برای فتوسنتز به نور بیشتری نیاز دارد و کشیدگی ساقه تحریک می‌شود (شکل 3 را ببینید). نتیجه‌ی کار گیاهان بلندتر و فاصله‌ی بیشتر بین میانگره‌ها و ساقه‌ای نازک‌تر است. این نمونه‌ای بارز از واکنش فرار از سایه است که طی آن گیاهان برای زنده ماندن به دنبال جذب نور بیشتر هستند.

گیاهان بلندتر می‌توانند نور قرمز بیشتری جذب کنند و در نتیجه مقدار Pfr افزایش می‌یابد. همین امر شاخه‌های بیشتر، فواصل کوتاه‌تر بین میانگره‌ها و رشد عمودی کمتر برای جذب نور حداکثری برای فتوسنتز را سبب می‌شود. در نتیجه گیاهان انرژی کمتری برای بلندشدن تا حد امکان صرف می‌کنند و بیشتر انرژی را برای تولید دانه و وسعت بخشیدن به سیستم ریشه‌هایشان اختصاص می‌دهند.

تأثیر طیف نور بر گل‌دهی

گل‌دهی نیز تحت تأثیر شکل‌های Pr و Pfr قرار دارد. طول مدتی که Pfr به عنوان فیتوکروم غالب قرار می‌گیرد همان چیزی است که باعث گل دادن گیاه می‌شود. اساساً سطح Pfr به گیاه می‌گوید شب چه مدت طول می‌کشد (نوردورگی). زمانی که خورشید غروب می‌کند، مقدار نور فراسرخ از نور قرمز بیشتر می‌شود. به هنگام تاریکی شب، Pfr به آرامی به Pr تبدیل می‌شود. اگر شب طولانی باشد، زمان بیشتری برای این تبدیل وجود خواهد داشت. در نتیجه در انتهای دوره‌ی شب، انباشتگی Pfr کم می‌شود و همین باعث می‌شود گیاهان روز کوتاه گل بدهند (شکل 4 را ببینید).

اگر نسبت نور قرمز به نور فراسرخ کم باشد و در نتیجه مقدار کمی نور قرمز در ابتدای شب وجود داشته باشد، این مسئله تأثیر زیادی بر گل‌دهی گیاهان روز کوتاه می‌گذارد. تحقیقی که درباره‌ی سه گیاه روز کوتاه – داوودی، کوکب و جعفری آفریقایی – انجام شده است نشان می‌دهد که زمانی که فلش قرمز در میانه‌ی شب تابانده شده و باعث بالا رفتن نسبت نور قرمز به فراسرخ شود، گل‌دهی به ناگهان به حد زیادی کاهش پیدا می‌کند. همچنین نتیجه‌گیری شد که نور فراسرخ به تنهایی نمی‌تواند گل‌دهی را کنترل کند. نسبت برابر یا بیشتر نور فراسرخ در گیاهان روز کوتاه می‌تواند گل‌دهی را ارتقاء دهد.

(شکل 4)

تأثیر محدود نور سبز (500 تا 600 نانومتر) بر رشد گیاه

اغلب فرض بر این بوده است که تنها نور آبی و قرمز به رشد گیاهان کمک می‌کنند اما نمی‌توان گفت این مسئله کاملاً حقیقت داشته باشد. گرچه بخش زیادی از نور سبز از سطح گیاه منعکس می‌شود (به همین دلیل گیاهان به چشم ما انسان‌ها سبزرنگ هستند) اما نور سبز به خودی خود نیز می‌تواند برای گیاه مفید باشد. ترکیب رنگ‌های نور مختلف می‌تواند به فتوسنتز بیشتری از مجموع اجزاء آن بیانجامد. تحقیقی که درباره‌ی کاهو انجام شده است نیز نشان داد که با اضافه کردن 24% نور سبز به LED رشد قرمز-آبی در حالی که مقدار PAR (150 μmol/m²/s) بین دو شیء را برابر نگاه داشتند، رشد و زیست‌توده گیاه افزایش یافت.

نور فرابنفش (300 تا 400 نانومتر)

نور فرابنفش (UV) نیز بر گیاهان اثر می‌گذارد و باعث رشد متراکم و میانگره‌های کوتاه و برگ‌هایی کوچک و ضخیم می‌شود. اما نور فرابنفش بیش از حد برای گیاهان مضر است زیرا اثر منفی بر DNA و غشای گیاه می‌گذارد. نور بیش از اندازه فرابنفش می‌تواند فتوسنتز را متوقف کند. تحقیقات نشان می‌دهد که این اتفاق با مقدار فرانبفش بیشتر از 4 kJ/m² در روز رخ می‌دهد.

نتیجه‌گیری

ارائه پاسخی کلی به این پرسش که «چه طیف نوری برای رشد مناسب است؟» کار دشواری است زیرا به شدت به نوع گیاه و نیازهای پرورشی آن بستگی دارد. برای رشد یک گیاه «نرمال» موارد زیر پیشنهاد می‌شود:

• بیشتر گیاهان حداقل مقدار 30 تا 50 μmol/m²/s نور فتوسنتزی نیاز دارند تا زنده بمانند.
• حداقل مقدار نور آبی باید فراهم باشد و این مقدار بین 5 تا 30 μmol/m²/s است.
• بخش نسبتاً بیشتری از نور قرمز و فراسخ نسبت به نور آبی نیاز است.
• بین نور قرمز و فراسرخ تعادل وجود داشته باشد: ترجیحاً نسبت نور قرمز به فراسرخ کمتر از 2 باشد.
• مقدار کمی نور فرانبفش وجود داشته باشد، کمتر از 4 kJ/m² در روز.

همچنین به یاد داشته باشید که

• نور آبی بیشتر باعث ایجاد ساقه‌های کوتاه‌تر و برگ‌های ضخیم‌تر می‌شود.
• نور فراسرخ بیش از اندازه یا تعادل نابرابر آن با نور قرمز باعث کشیدگی گیاهان می‌شود.
• نسبت کم نور قرمز به فراسرخ و در نتیجه مقدار کمی نور قرمز در ابتدای شب برای گل‌دهی گیاهان روز کوتاه اهمیت پیدا می‌کند.
• نور فراسرخ به تنهایی گل‌دهی را کنترل نمی‌کند.
• نور سبز برای فتوسنتز مفید است گرچه تأثیری بر گل‌دهی یا رشد گیاه ندارد.

گام بعدی فراهم آوردن بهترین طیف نوری برای موقعیتی که در آن قرار دارید، است. اگر نور خورشید کافی نباشد، می‌توانید یک لامپ رشد گیاه خوب انتخاب کنید. LEDهای رشد گیاه کار را برای پرورش‌دهندگان گیاه از هر زمانی در گذشته ساده‌تر کرده‌اند تا بتوانند طیف نور بهینه را در اختیار گیاه قرار دهند.