О причинах фотоповреждения листьев растений в условиях аномальных свето-темновых циклов

Александр Владимирович Мамаев, Татьяна Геннадиевна Шибаева, Alexander Mamaev, Tatyana Shibaeva

Аннотация


Феномен фотоповреждения листьев в виде потенциально летального межжилкового хлороза и некроза, наблюдаемый у некоторых видов растений (томат, баклажан, огурец и др.) в условиях длинных фотопериодов, включая круглосуточное освещение (КО), был впервые описан более 100 лет назад, однако причины его до сих пор не вполне ясны. В последние годы интерес к этому явлению заметно усилился, поскольку выращивание растений в условиях КО при относительно невысокой плотности потока фотонов считается одним из возможных эффективных способов экономии ресурсов и повышения продуктивности растений в теплицах и на фабриках растений с искусственным освещением. В статье обобщены и проанализированы литературные и собственные данные в поддержку или против имеющихся на сегодняшний день гипотез, объясняющих причины фотоповреждения листьев в условиях длинных фотопериодов. Среди них называют фотоокисление, гипераккумуляцию крахмала и растворимых сахаров, индукцию процесса старения, несоответствие между частотой внутренних (циркадных) биоритмов и внешних свето-темновых циклов и др. Авторы констатируют, что, несмотря на почти вековую историю изучения, пока так и не найден однозначный ответ на вопрос, почему КО оказывает положительное воздействие на одни виды и отрицательное на другие и каковы причины фотоповреждения листьев. Ни одна из существующих гипотез пока не нашла надежного экспериментального подтверждения. По-видимому, в условиях КО фотоповреждение листьев у чувствительных видов возникает в силу ряда причин, из которых трудно выделить одну главную, но, возможно, первой в цепочке последовательных событий, заканчивающихся хлорозом и некрозом листьев, является циркадная асинхрония, то есть сбой эндогенной циркадной ритмики многих процессов, возникающий в растениях в результате воздействия аномального свето-темнового цикла.


Ключевые слова


фотопериод; круглосуточное освещение; хлороз; циркадные ритмы

Полный текст:

PDF

Литература


Шибаева Т. Г., Рубаева А. А., Шерудило Е. Г., Лёвкин И. А., Титов А. Ф. Вызывает ли круглосуточное освещение преждевременное старение листьев? // Физиология растений. 2025. Т. 72, № 3. С. 181–192. doi: 10.7868/S3034624X25030021

Шибаева Т. Г., Титов А. Ф. Влияние круглосуточного освещения на пигментный комплекс растений сем. Solanacea // Труды Карельского научного центра РАН. Серия Экспериментальная биология. 2017. № 5. С. 111118. doi: 10.17076/eb498

Arthur J. M. Plant growth in continuous illumination // Biological effects of radiation. Vol. 2 / Ed. B.M. Duggar. New York: McGraw-Hill Book Company. 1936. P. 715725.

Arthur J. W., Guthrie J. D., Newell J. M. Some effects of artificial climates on the growth and chemical composition of plants // Amer. J. Bot. 1930. V. 17. P. 416482. doi: 10.2307/2435930

Bell-Pedersen D., Cassone V. M., Earnest D. J., Golden S. S., Hardin P. E., Thomas T. L., Zoran M. J. Circadian rhythms from multiple oscillators: lessons from diverse organisms // Nat. Rev. Genet. 2005. Vol. 6. P. 544556. doi: 10.1038/nrg1633

Bradley F. M., Janes H. W. Carbon partitioning in tomato leaves exposed to continuous light // Acta Hortic. 1985. Vol. 174. P. 293302. doi: 10.17660/ActaHortic.1985.174.37

Cao W., Tibbitts T. W. Physiological responses in potato plants under continuous irradiation // J. Am. Soc. Hort. Sci. 1991. Vol. 116. P. 525527. doi: 10.21273/JASHS.116.3.525

Chen X., Li Y., Wang L., Yang Q., Guo W. Responses of butter leaf lettuce to mixed red and blue light with extended light/dark cycle period // Sci. Rep. 2022. Vol. 12(1):6924. doi: 10.1038/s41598-022-10681-3

Cushman K. E., Tibbitts T. W. Root-zone temperature effects on continuous irradiation injury on potato // Hort. Sci. 1991. Vol. 26:745.

Cushman K. E., Tibbitts T. W. The role of ethylene in the development of constant-light injury of potato and tomato // J. Am. Soc. Hort. Sci. 1998. Vol. 123. P. 239245.

Cushman K. E., Tibbitts T. W., Sharkey T. D., Wise R. R. Constant-light injury of potato: temporal and spatial patterns of carbon dioxide assimilation, starch content, chloroplast integrity, and necrotic lesions // J. Amer. Soc. Hort. Sci. 1995. Vol. 120. P. 1032−1040. doi: 10.21273/JASHS.120.6.1032

Daskaloff C., Ognjanova A. Dasverhaltenvon Lycopersycon esculentum Mill., L. racemigerum Lange und L. hirsutum Humb. et Bonpl. gegenüber dauerbelichtung // Z. Pflanzenzuchtg. 1965. Vol. 54. P. 169–181.

Demers D. A., Gosselin A. Growing greenhouse tomato and sweet pepper under supplemental lighting: optimal photoperiod, negative effects of long photoperiod and their causes // Acta Hortic. 2002. Vol. 580. P. 8388. doi: 10.17660/ActaHortic.2002.580.9

Dorais M., Gosselin A. Physiological response of greenhouse vegetable crops to supplemental lighting // Acta Hort. 2002. V. 580. P. 5967. doi: 10.17660/ActaHortic.2002.580.6

Facella P., Lopez L., Carbone F., Galbraith D. W., Giuliano G., Perrotta G. Diurnal and circadian rhythms in the tomato transcriptome and their modulation by cryptochrome photoreceptors // PLoS One 2008. Vol. 3(7):e2798. doi: 10.1371/journal.pone.0002798

Fukuda H., Murase H., Tokuda I. T. Controlling circadian rhythms by dark-pulse perturbations in Arabidopsis thaliana //Sci. Rep. 2013. Vol. 3:1533. doi: 10.1038/srep01533

Globig S., Rosen I., Janes H. W. Continuous light effects on photosynthesis and carbon metabolism in tomato // Acta Hort. 1997. Vol. 418. P. 141152. doi: 10.17660/ActaHortic.1997.418.19

Haque M. S., de Sousa A., Soares C., Kjaer K. H., Fidalgo F., Rosenqvist E., Ottosen C.-O. Temperature variation under continuous light restores tomato leaf photosynthesis and maintains the diurnal pattern in stomatal conductance // Front. Plant Sci. 2017. Vol. 8:1602. doi: 10.3389/fpls.2017.01602

Haque M. S., Kjaer K. H., Rosenqvist E., Ottosen C.-O. Continuous light increases growth, daily carbon gain, antioxidants, and alters carbohydrate metabolism in a cultivated and a wild tomato species // Front. Plant Sci. 2015а. V. 6:522. doi: 10.3389/fpls.2015.00522

Haque M. S., Kjaer K. H., Rosenqvist E., Ottosen C.-O. Recovery of tomato (Solanum lycopersicum L.) leaves form continuous light induced injury // J. Plant Physiol. 2015б. Vol. 185. P. 24–30. doi: 10.1016/j.jplph.2015.06.011

Hillman W. S. Injury of tomato plants by continuous light and unfavorable photoperiodic cycles // Amer. J. Bot. 1956. Vol. 43. P. 8996. doi: 10.2307/2438816

Ikkonen E. N., Shibaeva T. G., Rosenqvist E., Ottosen C.-O. Daily temperature drop prevents inhibition of photosynthesis in tomato plants under continuous light // Photosynthetica. 2015. Vol. 53. P. 389–394. doi: 10.1007/s11099-015-0115-4

Ikkonen E. N., Shibaeva T. G., Sherudilo E. G., Titov A. F. Daily short-term temperature drops can alleviate the negative effect of continuous lighting on the photosynthetic apparatus in plants // Russ. J. Plant Physiol. 2023. Vol. 70:79. doi: 10.1134/S1021443723700140

Jiao Y., Lau O. S., Deng X. W. Light-regulated transcriptional networks in higher plants // Nat. Rev. Genet. 2007. Vol. 8. P. 217–230. doi: 10.1038/nrg2049

Koontz H. V., Prince R. P. Effect of 16 and 24 hours daily radiation (light) on lettuce growth // Hort. Sci. 1986. Vol. 21. P. 123124.

Lim P. O., Kim H. J., Nam H. G. Leaf senescence // Annu. Rev. Plant Biol.

V. 58. P. 115−136. doi: 10.1146/annurev.arplant.57.032905.105316

Logendra S., Putman J. D., Janes H. W. The influence of light period on carbon partitioning, translocation and growth in tomato // Sci. Hort. 1990. V. 42. P. 7583. doi: 10.1016/0304-4238(90)90149-9

Matsuda R., Ozawa N., Fujiwara K. Effects of continuous lighting with or without a diurnal temperature difference on photosynthetic characteristics of tomato leaves // Acta Hort. 2012. Vol. 956. P. 165170. doi: 10.17660/ActaHortic.2012.956.16

Matsuda R., Ozawa N., Fujiwara K. Leaf photosynthesis, plant growth, and carbohydrate accumulation of tomato under different photoperiods and diurnal temperature differences // Sci. Hortic. 2014. Vol. 170. P. 150−158. doi: 10.1016/j.scienta.2014.03.014

Millenaar F. F., Van Zanten M., Cox M. C. H., Pierik R., Voesenek L. A. C. J., Peeters A. J. M. Differential petiole growth in Arabidopsis thaliana: photocontrol and hormonal regulation // New Phytologist. 2009. Vol. 184. №1. P. 141-152.

Moglich A., Yang X., Ayers R. A., Moffat K. Structure and function of plant photoreceptors // Annu. Rev. Plant Biol. 2010. Vol. 61. P. 21−47. doi: 10.1146/annurevarplant042809-112259

Murage E., Watashiro N., Masuda M. Leaf chlorosis and carbon metabolism of eggplant in response to continuous light and carbon dioxide // Sci. Hortic. 1996. Vol. 67. P. 2737. doi: 10.1016/S0304-4238(96)00930-2

Murage E. N., Masuda M. Response of pepper and eggplant to continuous light in relation to leaf chlorosis and activities of antioxidative enzymes // Sci. Hortic. 1997. Vol. 70. P. 269279. doi: 10.1016/S0304-4238(97)00078-2

Murage E. N., Sato Y., Masuda M. Influence of light quality, PPFD and temperature on leaf chlorosis of eggplants grown under continuous illumination // Sci. Hort. 1997. Vol. 68. P. 7382. doi: 10.1016/S0304-4238 (96)00953-3

Rikin A, Dillwith J. W., Bergman D. K. Correlation between the circadian rhythm of resistance to extreme temperatures and changes in fatty acid composition in cotton seedlings // Plant Physiol. 1993. Vol. 101. P. 3136. doi: 10.1104/pp.101.1.31

Shibaeva T. G., Mamaev A. V., Sherudilo E. G, Ikkonen E. N., Titov A. F. Responses of tomato and eggplant to abnormal light/dark cycles and continuous lighting // Russ. J. Plant Physiol. 2024б. Vol. 71:12. doi: 10.1134/S1021443723602951

Shibaeva T. G., Mamaev A. V., Sherudilo E. G. Ikkonen E. N., Titov A. F. Age-related changes in sensitivity of tomato (Solanum lycopersicum L.) leaves to continuous light // Russ. J. Plant Physiol. 2021. Vol. 68. P. 948957. doi: 10.1134/S1021443721040154

Shibaeva T. G., Mamaev A. V., Sherudilo E. G., Titov A. F. The role of photosynthetic daily light integral in plant response to extended photoperiods // Russ. J. Plant Physiol. 2022а. Vol. 69:7. doi: 10.1134/S1021443722010216

Shibaeva T. G., Mamaev A. V., Titov A. F. Possible physiological mechanisms of leaf photodamage in plants grown under continuous lighting // Russ. J. Plant Physiol. 2023а. Vol. 70:15. doi: 10.1134/S1021443722602646

Shibaeva T. G., Markovskaya E. F. Growth and development of cucumber Cucumis sativus L. in the prereproductive period under long photoperiods // Russ. J. Dev. Biol. 2013. Vol. 44. P. 7885. doi: 10.1134/S1062360413020082

Shibaeva T. G., Rubaeva A. A., Sherudilo E. G., Titov A. F. Continuous lighting increases yield and nutritional value and decreases nitrate content in Brassicaceae microgreens // Russ. J. Plant Physiol. 2023в. Vol. 70:15. doi: 10.1134/S1021443723601337

Shibaeva T. G., Sherudilo E. G., Rubaeva A. A., Shmakova N. Y., Titov A. F. Response of native and non-native Subarctic plant species to continuous illumination by natural and artificial light // Plants. 2024а. Vol.13:2742. doi: 10.3390/plants13192742

Shibaeva T. G., Sherudilo E. G., Rubaeva A. A., Titov A. F. Continuous lighting enhances yield and nutritional value of four genotypes of Brassicaceae microgreens // Plants. 2022б. Vol. 11(2):176. doi: 10.3390/plants11020176

Shibaeva T. G., Sherudilo E. G., Rubaeva A.A., Levkin I. A., Titov A. F. Effect of abnormal light/dark cycles on the pigment complex of Brassicaceae and Solanaceae plants // Russ. J. Plant Physiol. 2023г. Vol. 70:168. doi: 10.1134/S1021443723700310

Shibaeva T. G., Titov A. F. Photoperiod stress in plants: A new look at plant response to abnormal light-dark cycles // Russ. J. Plant Physiol. 2025. Vol. 72:120. doi: 10.1134/S102144372560165X

Sysoeva M. I., Markovskaya E. F., Shibaeva T. G. Plant under continuous light: a review // Plant Stress. 2010. V. 4. P. 517.

Sysoeva M. I., Shibaeva T. G., Sherudilo E. G., Ikkonen E. N. Control of continuous irradiation injury on tomato plants with a temperature drop // Acta Hort. 2012. Vol. 956. P. 283290.

Velez-Ramirez A., Carreno-Quintero N., Vreugdenhil D., Millenaar F. F., van Ieperen W. Sucrose and starch content negatively correlates with PSII maximum quantum efficiency in tomato (Solanum lycopersicum) exposed to abnormal light/dark cycles and continuous light // Plant Cell Physiol. 2017б. Vol. 58(8):1339. doi: 10.1093/pcp/pcx068

Velez-Ramirez A. I., Dünner-Planella G., Vreugdenhil D., Millenaar F. F., van Ieperen W. On the induction of injury in tomato under continuous light: Circadian asynchrony as the main triggering factor // Funct. Plant Biol. 2017a. Vol. 6. P. 597611. doi: 10.1071/FP16285.

Velez-Ramirez A. I., van Ieperen W., Vreugdenhil D., Millenaar F. F. Plants under continuous light // Trends Plant Sci. 2011. Vol. 16. P. 310318. doi: 10.1016/j.tplants.2011.02.003

Velez-Ramirez A. I., van Ieperen W., Vreugdenhil D., van Poppel P. M. J. A., Heuvelink E., Millenaar F. F. A single locus confers tolerance to continuous light and allows substantial yield increase in tomato // Nature Commun. 2014. Vol. 5:4549. doi: 10.1038/ncomms5549

Velez-Ramirez A. I., van Ieperen W., Vreugdenhil D., Millenaar F. F. Continuous-light tolerance in tomato is graft-transferable // Planta. 2015. Vol. 241. №1. P. 28590. doi: 10.1007/s00425-014-2202-3

Velez-Ramirez A. I., Vreugdenhil D., Millenaar F. F., van Ieperen W. Phytochrome A protects tomato plants from injuries induced by continuous light // Front. Plant Sci. 2019. Vol. 10:19. doi: 10.3389/fpls.2019.00019

Vezina F., Trudel M. J., Gosselin A. Influence du mode d’utilisation de l’éclairage d’appoint sur la productivité et la physiologie de la tomate se serre // Can. J. Plant Sci. 1991. Vol. 71. P. 923932.

Withrow A. P., Withrow R. B. Photoperiodic chlorosis in tomato // Plant Physiol. 1949. Vol. 24. P. 657663. doi: 10.1104/pp.24.4.657

Wolff S. A., Langerud A. Fruit yield, starch content and leaf chlorosis in cucumber exposed to continuous lighting // Europ. J. Hortic. Sci. 2006. Vol. 71. P. 259261.

Zha L., Liu W., Zhang Y., Zhou C., Shao M. Morphological and physiological stress responses of lettuce to different intensities of continuous light // Front. Plant Sci. 2019. Vol. 10:1440. doi: 10.3389/fpls.2019.01440




DOI: http://dx.doi.org/10.17076/eb2343

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


© Труды КарНЦ РАН, 2014-2019