Проекты экспертно-аналитической группы Отдела комплексных научных исследований КарНЦ РАН

Актуальность и важность тематики проекта определяется тем, что выращивание растений в условиях длинных фотопериодов, в частности, при круглосуточном освещении (КО) (при относительно невысокой плотности потока фотонов), потенциально считается одним из способов экономии ресурсов и повышения продуктивности растений (интенсивная светокультура) в теплицах и на так называемых «фабриках растений». В естественных условиях на значительных по площади территориях (в Арктике и Субарктике) в период активной вегетации растения подвергаются КО. Однако, на сегодня отсутствует понимание и единое мнение относительно механизмов, определяющих реакцию растений на КО. В литературе высказано несколько гипотез и предположений относительно причин повреждения растений, вызванных КО (гипераккумуляция крахмала, постоянное фотоокислительное воздействие, сигнальное воздействие на фоторецепторы и циркадная асинхрония), но однозначные результаты в их поддержку, а тем более надежные доказательства пока отсутствуют. В рамках данного проекта впервые будет проведено комплексное исследование влияния КО на растения, которое позволит сопоставить фотозащитные процессы и механизмы их регуляции, с одной стороны, у устойчивых растений, к которым относится ряд сельскохозяйственных культур, а также многие представители флоры высоких широт (территории Субарктики и Арктики), хорошо адаптированные к условиям длинного полярного дня, а с другой стороны, у светочувствительных сельскохозяйственных культур, у которых в условиях КО наблюдается фотоповреждение листьев. В ходе проекта будет установлена значимость суточного интеграла радиации («суммарного освещения») в реакциях растений на КО и роль онтогенетической изменчивости в чувствительности растений к КО. Впервые будет проведена оценка возможности предупреждения фотоповреждения листьев с помощью веществ, обладающих выраженными антиоксидантными свойствами (мелатонин, эпибрассинолид). Полученные результаты будут иметь фундаментальное значение для понимания механизмов устойчивости и адаптации растений к КО, а также явятся теоретической основой для разработки способов оптимизации световой среды с целью интенсификации технологии светокультуры, как одного из путей повышения экономической эффективности растениеводства в условиях контролируемого климата (теплицы и «фабрики растений»).

Предложенный проект направлен на решение актуальной и важной задачи - повышение эффективности производства растительной с/х продукции в закрытых системах с искусственным освещением, примером которых являются фабрики растений с искусственным освещением (PFAL -plant factory with artificial lighting). На PFAL имеется возможность контролировать и управлять всеми основными факторами внешней среды, но наиболее важными и перспективными в плане повышения энергоэффективности производства считаются манипуляции со световым фактором, т.к. именно с ним связаны основные затраты на энергопотребление. При этом исходят из общепринятых представлений о существовании у светового фактора трех составляющих, оказывающих существенное влияние на жизнедеятельность растений – интенсивность света, фотопериод (продолжительность светового периода в суточном цикле) и качество света (спектральный состав) и поэтому в исследованиях, проводимых на PFAL,изучают эффекты всех этих составляющих на продуктивность растений, качество урожая и энергозатраты на его получение. Однако на PFAL имеется возможность не только регулировать любой из указанных трех световых параметров, но и изменять распределение интеграла дневного освещения (суммарного количества фотонов, получаемых растением за сутки) во времени, что позволяет говорить о существовании еще одного, т.е. четвертого параметра светового фактора, который также может оказывать значительное влияние на растения. Учитывая же, что в закрытых системах нет необходимости привязываться к суточному 24 ч циклу, то логично расширить понятие «распределение интеграла света» во времени, выйдя за пределы суток, т.е. использовать в экспериментах и на практике аномальные (abnormal), отличные от 24-часового, свето-темновые циклы (они могут быть как короче, так и длиннее 24 ч). В единичных работах показано, что аномальные свето-темновые циклы, включая круглосуточное освещение, способны оказывать на растения положительный эффект (ускорять рост и развитие, увеличивать накопление ценных метаболитов и снижать содержание нежелательных, например, нитратов) и при этом уменьшать энергозатраты на единицу продукции. Однако, биологическая природа данного явления (феноменология и механизмы) пока не изучена и это является главной задачей проекта. В случае ее решения будут получены новые фундаментальные знания, на основе которых будут предложены новые научно-обоснованные способы повышения эффективности работы PFAL и увеличения рентабельности производства на них растительной с/х продукции.