DOI: https://doi.org/10.1093/jxb/eraf315
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40662485
تاريخ النشر: 2025-07-14
المؤلف: E. Heuvelink وآخرون
الموضوع الرئيسي: تأثيرات الضوء على النباتات
نظرة عامة
لقد عزز إدخال الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LEDs) في أبحاث النباتات بشكل كبير فهمنا لدور الضوء في تنظيم العمليات الفسيولوجية في الزراعة ذات البيئة المتحكم بها، وخاصة في الطماطم (Solanum lycopersicum). تسلط هذه المراجعة الضوء على كيفية تأثير الضوء على جوانب مختلفة من فسيولوجيا الطماطم، بما في ذلك التشكيل، واختراق الضوء، والتمثيل الضوئي، وتفاعلات المصدر-المستودع، وتقسيم المواد الغذائية، وتكوين الثمار، وتطور الثمار، وعلاقات النبات بالماء. تحدد الدراسة خمسة معلمات ضوئية حاسمة – الكثافة، وفترة الإضاءة، والطيف، والاتجاه، والطاقة – التي تشكل استجابات النباتات. تستخدم نباتات الطماطم مجموعة من المستقبلات الضوئية، بما في ذلك خمسة فيتوكرومات وأربعة كريبتوكروما، للتوسط في هذه الاستجابات، مما يؤثر على الشكل، وامتصاص الكربون، وجودة الثمار من خلال عمليات ديناميكية تتأثر بالضوء.
تؤكد الاستنتاجات على الحاجة إلى مزيد من البحث حول التفاعلات بين معلمات الضوء وتأثيرها الجماعي على نمو الطماطم وجودة الثمار. بينما ركزت الدراسات الحالية على النباتات الخضرية الصغيرة، هناك فجوة في فهم الاستجابات الفسيولوجية لنباتات الطماطم المثمرة، التي تعاني بشكل أساسي من نقص في المصادر. تدعو المراجعة إلى التحول من النهج التجريبي التقليدي “مع بقاء العوامل الأخرى ثابتة” إلى استكشاف التفاعلات بين طيف الضوء، والكثافة، ودرجة الحرارة، وعوامل بيئية أخرى. بالإضافة إلى ذلك، تدعو إلى التحقيق في الظروف المتغيرة والإدراك المكاني للضوء داخل النباتات. يجب أن تهدف الأبحاث المستقبلية إلى توضيح التفاعل بين كثافة الضوء وتركيب الطيف لتعزيز كفاءة استخدام المياه وجودة الثمار، مما يسهم في تحسين استراتيجيات التربية وحلول الإضاءة المخصصة لزراعة الطماطم.
مقدمة
يبرز إدخال ورقة البحث أهمية الطماطم (Solanum lycopersicum) كمحصول خضار حيوي، حيث تحتل المرتبة الثانية بعد البطاطس وتعتبر المحصول الفاكهي الأكثر قيمة على مستوى العالم. على مدار العقود الأربعة الماضية، زادت غلة الفواكه في البيوت الزجاجية في هولندا بأكثر من 200%، وذلك بفضل التقدم في تكنولوجيا البيوت الزجاجية، وتحسين نفاذية الضوء، والإضاءة التكميلية، والتحكم في المناخ، والتحسينات الجينية. تكشف تحليلات مكونات الغلة أن الأصناف الحديثة تظهر غلات أعلى بكثير من الأصناف القديمة بسبب كفاءة استخدام الضوء المحسنة، الناتجة عن زيادة معدلات التمثيل الضوئي للأوراق وتحسين بنية النبات. ساهمت جهود التربية بحوالي 15% من إجمالي تحسين الغلة، مما يبرز أهمية تطوير الأصناف في إنتاج الطماطم.
تناقش هذه الفقرة أيضًا دور الضوء في تنظيم العمليات الفسيولوجية والمورفولوجية المختلفة في النباتات، وخاصة في الطماطم. تم تحديد الخصائص الرئيسية للضوء – الكثافة، وفترة الإضاءة، والطيف، والاتجاه، والطاقة – كعوامل حاسمة تؤثر على التمثيل الضوئي، وشكل النبات، وتقسيم المواد الغذائية الكربونية، مما يؤثر في النهاية على النمو وجودة الثمار. تهدف الورقة إلى مراجعة تأثير الضوء، وخاصة من LEDs والمصادر الشمسية، على العمليات الفسيولوجية للنبات بالكامل، بما في ذلك التشكيل، واختراق الضوء، والتمثيل الضوئي، وتفاعلات المصدر-المستودع، وتكوين الثمار، وعلاقات النبات بالماء. بالإضافة إلى ذلك، تقدم دور المستقبلات الضوئية في استشعار الضوء وبدء الاستجابات الفسيولوجية، موضحة الأنواع المختلفة من المستقبلات الضوئية الموجودة في الطماطم ووظائفها في تنظيم النمو والتكيف مع التغيرات البيئية.
مناقشة
في مناقشة المستقبلات الضوئية في نباتات الطماطم، يتم تسليط الضوء على الفيتوكرومات، والكريبتوكروما، والفوتروبينات، ومقاومة UV-B 8 (UVR8) لدورها في إدراك الضوء والاستجابات الفسيولوجية اللاحقة. تعتبر الفيتوكرومات، التي تصنف إلى الفئة الأولى والفئة الثانية، ضرورية لعمليات مثل إنبات البذور، وإزالة التظليل، وتجنب الظل، حيث تظهر فيتوكرومات محددة مثل phyA وphyB1 وphyB2 وظائف مميزة ومتداخلة. من ناحية أخرى، تنظم الكريبتوكروما الاستجابات للضوء الأزرق، مما يؤثر على إطالة السويقة، والإزهار، وتكوين الصبغات. تشارك الفوتروبينات في الفوتروبيزم وحركة البلاستيدات الخضراء، بينما تحمي UVR8 من الأضرار الناتجة عن الأشعة فوق البنفسجية وتؤثر على تراكم الصبغات في الثمار. يبرز التفاعل المعقد بين هذه المستقبلات الضوئية أهميتها في تحسين نمو الطماطم وتطورها تحت ظروف ضوئية متغيرة.
تناقش الفقرة أيضًا تأثير كثافة الضوء، والطيف، والاتجاه، وفترة الإضاءة على التمثيل الضوئي وشكل النبات. يمكن أن تؤدي ظروف الضوء المتغيرة إلى تقليل كفاءة استخدام الضوء، مما يستلزم استراتيجيات لتحسين التمثيل الضوئي في البيوت الزجاجية. يمتد تأثير طيف الضوء إلى ما هو أبعد من نطاق الإشعاع النشط للتمثيل الضوئي التقليدي (PAR)، مع تأثيرات متباينة على امتصاص CO2 وشكل النبات. علاوة على ذلك، تلعب بنية نباتات الطماطم، التي تتأثر بإشارات الضوء، دورًا حاسمًا في اختراق الضوء والإنتاجية العامة. إن فهم هذه الديناميات أمر ضروري لتحسين الغلة وتطوير استراتيجيات إضاءة فعالة في إنتاج الطماطم التجاري. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف تكامل إشارات الضوء وتأثيراتها على بنية النبات والاستجابات الفسيولوجية.
DOI: https://doi.org/10.1093/jxb/eraf315
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40662485
Publication Date: 2025-07-14
Author(s): E. Heuvelink et al.
Primary Topic: Light effects on plants
Overview
The introduction of light-emitting diodes (LEDs) in plant research has significantly enhanced our understanding of light’s role in regulating physiological processes in controlled-environment agriculture, particularly in tomato (Solanum lycopersicum). This review highlights how light influences various aspects of tomato physiology, including morphogenesis, light interception, photosynthesis, source-sink interactions, assimilate partitioning, fruit set, fruit development, and plant-water relations. The study identifies five critical light parameters—intensity, photoperiod, spectrum, directionality, and energy—that shape plant responses. Tomato plants utilize a range of photoreceptors, including five phytochromes and four cryptochromes, to mediate these responses, affecting morphology, carbon assimilation, and fruit quality through dynamic processes influenced by light.
The conclusions emphasize the need for further research on the interactions between light parameters and their collective impact on tomato growth and fruit quality. While existing studies have focused on young vegetative plants, there is a gap in understanding the physiological responses of fruiting tomato plants, which are primarily source-limited. The review advocates for a shift from the traditional ‘ceteris paribus’ experimental approach to exploring the interactions among light spectrum, intensity, temperature, and other environmental factors. Additionally, it calls for investigations into fluctuating conditions and the spatial perception of light within plants. Future research should aim to elucidate the interplay between light intensity and spectral composition to enhance water use efficiency and fruit quality, ultimately contributing to improved breeding strategies and tailored lighting solutions for tomato cultivation.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of tomato (Solanum lycopersicum) as a vital vegetable crop, ranking second only to potato and being the most valuable fruit crop globally. Over the past four decades, greenhouse fruit yields in the Netherlands have surged by over 200%, attributed to advancements in greenhouse technology, improved light transmissivity, supplementary lighting, climate control, and genetic enhancements. Yield component analyses reveal that modern cultivars exhibit significantly higher yields than older varieties due to enhanced light-use efficiency, resulting from increased leaf photosynthesis rates and improved plant architecture. Breeding efforts have contributed approximately 15% to the total yield improvement, underscoring the importance of cultivar development in tomato production.
The section further discusses the role of light in regulating various physiological and morphological processes in plants, particularly in tomatoes. Key characteristics of light—intensity, photoperiod, spectrum, directionality, and energy—are identified as critical factors influencing photosynthesis, plant morphology, and carbon assimilate partitioning, which ultimately affect growth and fruit quality. The paper aims to review the impact of light, specifically from LEDs and solar sources, on whole-plant physiological processes, including morphogenesis, light interception, photosynthesis, source-sink interactions, fruit set, and plant-water relations. Additionally, it introduces the role of photoreceptors in sensing light and initiating physiological responses, detailing the various types of photoreceptors present in tomatoes and their functions in regulating growth and adaptation to environmental changes.
Discussion
In the discussion of photoreceptors in tomato plants, phytochromes, cryptochromes, phototropins, and UV-B Resistance 8 (UVR8) are highlighted for their roles in light perception and subsequent physiological responses. Phytochromes, which are categorized into Class I and Class II, are crucial for processes such as seedling germination, de-etiolation, and shade avoidance, with specific phytochromes like phyA, phyB1, and phyB2 exhibiting distinct and overlapping functions. Cryptochromes, on the other hand, regulate blue light responses, affecting hypocotyl elongation, flowering, and pigment synthesis. Phototropins are involved in phototropism and chloroplast movement, while UVR8 protects against UV damage and influences pigment accumulation in fruit. The intricate interplay of these photoreceptors underscores their significance in optimizing tomato growth and development under varying light conditions.
The section also addresses the impact of light intensity, spectrum, direction, and photoperiod on photosynthesis and plant morphology. Fluctuating light conditions can reduce light-use efficiency, necessitating strategies to optimize photosynthesis in greenhouse settings. The light spectrum’s influence extends beyond the traditional photosynthetically active radiation (PAR) range, with varying effects on CO2 assimilation and plant morphology. Moreover, the architecture of tomato plants, influenced by light cues, plays a critical role in light interception and overall productivity. Understanding these dynamics is essential for improving yield and developing effective lighting strategies in commercial tomato production. Further research is warranted to explore the integration of light signals and their effects on plant architecture and physiological responses.