Уровень освещенности как регулятор роста микрорастений картофеля in vitro

Цель исследований – определить влияние увеличения плотности потока фотосинтетически активных фотонов (ППФАФ) со 100 до 200 мкмоль/м²с на рост, развитие и морфогенез in vitro одноузловых микрочеренков картофеля сортов Краса Мещеры, Садон (ФГБНУ ФИЦ картофеля им. А. Г. Лорха), Былина Сибири, Иртыш (Омский АНЦ). Увеличение ППФАФ сопровождалось укорачиванием побегов на 12–32 % в зависимости от сорта и уменьшением числа междоузлий у всех сортов минимум на 10 %. Наблюдали перераспределение накопления биомассы в сторону корневой системы у всех сортов, кроме Иртыш. Сорта селекции ФИЦ картофеля им. А. Г. Лорха формировали более плотные листья. У сорта Иртыш отмечено снижение содержания хлорофиллов и каротиноидов, у сорта Краса Мещеры – увеличение. Площадь четвертого листа была максимальной у этих сортов при 200 мкмоль/м²с. Увеличивалась устойчивость цепи передачи электронов фотосистемы 2 к высокой ППФАФ, что видно из роста параметров флуоресценции хлорофилла А: максимальной скорости транспорта электронов и минимальной насыщающей интенсивности света, а также динамики быстрых световых кривых фотохимического тушения флуоресценции. Только у сорта Краса Мещеры наблюдали снижение F_v/F_m. К сортоспецифичным реакциям также отнесены: сокращение доли растений с ветвлением у сорта Иртыш; увеличение частоты образования каллусных глобул в корневой зоне и эдем на листьях и побегах у сортов омской селекции; формирование микроклубней в пазухе инициирующего черенка у сорта Краса Мещеры. Таким образом, увеличение ППФАФ до 200 мкмоль/м²с у большинства исследованных сортов приводит к формированию более подходящих растений для высадки в грунт или условия аэропонных/гидропонных установок: невысокие, с хорошо развитой корневой системой, большей площадью листьев и адаптированностью фотосистем к высокой интенсивности света. Исключением является сорт Краса Мещеры, в том числе из-за чрезмерно коротких побегов (от 2 до 36 мм). Для микроклонального размножения более подходящим является уровень ППФАФ 100 мкмоль/м²с, за исключением сорта Иртыш из-за увеличивающейся в этих условиях частоты ветвления.

1. Wolf S., Kalman-Rotem N., Yakir D., Ziv M. Autotrophic and heterotrophic carbon assimilation of in vitro grown potato (Solanum tuberosum L.) plants. Journal of Plant Physiology. 1998;153(5-6):574–580. DOI: https://doi.org/10.1016/S0176-1617(98)80206-X

2. Seabrook J. Light effects on the growth and morphogenesis of potato (Solanum tuberosum) in vitro: A review. American Journal of Potato Research. 2005;82:353–367. DOI: https://doi.org/10.1007/BF02871966

3. Головацкая И. Ф., Дорофеев В. Ю., Медведева И. Е., Никифоров П. Е., Карначук Р. А. Оптимизация условий освещения при культивировании микроклонов Solanum tuberosum L. сорта Луговской in vitro. Вестник Томского государственного университета. Биология. 2013;(4):133–144. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=21134451 EDN: RUMPUZ

4. Kepenek K. Photosynthetic Effects of Light-emitting Diode (LED) on in Vitro-derived Strawberry (Fragaria x Ananassa cv. Festival) Plants Under in Vitro Conditions. Erwerbs-Obstbau. 2019;61:179–187. DOI: https://doi.org/10.1007/s10341-018-00414-0

5. Khalil M., Samy M., Aal A., Hamed A. The effect of light quality and intensity on in vitro potato cultures. Journal of Agricultural Sciences – Sri Lanka. 2023;18(3):364–374. DOI: https://doi.org/10.4038/jas.v18i3.9930

6. Мартиросян Ю. Ц., Диловарова Т. А., Мартиросян В. В., Креславский В. Д., Кособрюхов А. А. Действие светодиодного облучения различного спектрального состава на фотосинтетический аппарат растений картофеля в культуре in vitro. Сельскохозяйственная биология. 2016;51(5):680–687. DOI: https://doi.org/10.15389/agrobiology.2019.1.130rus EDN: WZJQJN

7. Nakonechnaya O. V., Subbotin E. P., Grishchenko O. V., Gafitskaya I. V., Orlovskaya I. Yu., Kholin A. S. et al. In vitro potato plantlet development under different polychromatic LED spectra and dynamic illumination. Botanica Pacifica: a Journal of Plant Science and Conservation. 2021;10(1):69–74. DOI: https://doi.org/10.17581/bp.2021.10102

8. Grishchenko O., Subbotin E., Gafitskaya I., Vereshchagina Y., Burkovskaya E., Khrolenko Y. et al. Growth of Micropropagated Solanum tuberosum L. Plantlets under artificial solar spectrum and different mono- and polychromatic LED lights. Horticultural Plant Journal. 2022;8(2):205–214. DOI: https://doi.org/10.1016/j.hpj.2021.04.007

9. Stutte G. W., Yorio N. C., Wheeler R. M. Interacting effects of photoperiod and photosynthetic photon flux on net carbon assimilation and starch accumulation in potato leaves. Journal of the American Society for HortScience. 1996;121(2):264–268. DOI: https://doi.org/10.21273/JASHS.121.2.264

10. Субботин Е. П., Гафицкая И. В., Наконечная О. В., Журавлев Ю. Н., Кульчин Ю. Н. Влияние искусственного солнечного света на рост и развитие растений регенерантов Solanum tuberosum. Turczaninowia. 2018;21(2):32–39. DOI: https://doi.org/10.14258/turczaninowia.21.2.4 EDN: XVLNAT

11. Kulchin Y. N., Nakonechnaya O. V., Gafitskaya I. V., Grishchenko O. V., Epifanova T. Y., Orlovskaya I. Y. et al. Plant Morphogenesis under Different Light Intensity. Defect and Diffusion Forum. 2018;386:201–206. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ddf.386.201

12. Лисина Т. Н., Бурдышева О. В., Шолгин Е. С. Влияние светодиодного освещения различного спектра на растения картофеля (Solanum tuberosum L.) при выращивании in vitro (обзор). Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2023;24(6):913–923. DOI: https://doi.org/10.30766/2072-9081.2023.24.6.913-92 EDN: XSVSWJ

13. Варушкина А. М., Луговская Н. П., Максимов А. Ю. Рост и продуктивность картофеля (Solanum tuberosum L.) в условиях светокультуры. Вестник Пермского федерального исследовательского центра. 2019;(2):37–46. DOI: https://doi.org/10.7242/2658-705X/2019.2.4 EDN: LBXBRF

14. Lee Ni, Wetzstein H. Y., Sommer H. E. Effects of Quantum Flux Density on Photosynthesis and Chloroplast Ultrastructure in Tissue-Cultured Plantlets and Seedlings of Liquidambar styraciflua L. towards Improved Acclimatization and Field Survival. Plant Physiology. 1985;78(3):637–641. DOI: https://doi.org/10.1104/pp.78.3.637

15. Kadleček P., Tichá I., Haisel D., Čapková V., Schäfer C. Importance of in vitro pretreatment for ex vitro acclimatization and growth. Plant Science. 2001;161(4):695–701. DOI: https://doi.org/10.1016/S0168-9452(01)00456-3

16. Sáez P. L., Bravo L. A., Latsague M. I., Sánchez M. E., Ríos D. G. Increased light intensity during in vitro culture improves water loss control and photosynthetic performance of Castanea sativa grown in ventilated vessels. Scientia Horticulturae. 2012;138:7–16. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scienta.2012.02.005

17. Kitaya Y., Fukuda O., Kozai T., Kirdmanee C. Effects of light intensity and lighting direction on the photoautotrophic growth and morphology of potato plantlets in vitro. Scientia Horticulturae. 1995;62(1–2):15–24. DOI: https://doi.org/10.1016/0304-4238(94)00760-D

18. Lichtenthaler H. K. Chlorophylls and carotenoids: Pigments of photosynthetic biomembranes. Methods in Enzymology. 1987;148:350–382. DOI: https://doi.org/10.1016/0076-6879(87)48036-1

19. Platt T., Gallegos C. L., Harrison W. G. Photoinhibition of photosynthesis in natural assemblages of marine phytoplankton. Journal of Marine Research. 1980;38:687–701.

20. Kacheyo O. C., Schneider H. M., de Vries M. E., Struik P. C. Shoot growth parameters of potato seedlings are determined by light and temperature conditions. Potato Research. 2024;67:1159–1186. DOI: https://doi.org/10.1007/s11540-023-09681-1

21. Naqvi B., Abbas H., Ali H. Evaluation of in vitro tuber induction ability of two potato genotypes. Pakistan Journal of Agricultural Sciences. 2019;56:77–81.

22. Wilson D. A., Weigel R. C., Wheeler R. M., Sager J. C. Light spectral quality effects on the growth of potato (Solanum tuberosum L.) nodal cuttings in vitro. In Vitro Cellular & Developmental Biology – Plant. 1993;29:5–8. DOI: https://doi.org/10.1007/BF02632231

23. Sita N. C., Iriawati, Kiriiwa Y., Suzuki K. Intumescence: A Serious Physiological Disorder in Plants. Reviews in Agricultural Science. 2024;12:182–212. DOI: https://doi.org/10.7831/ras.12.0_182

24. Zheng Y., Zou J., Lin S., Jin C., Shi M., Yang B. et al. Effects of different light intensity on the growth of tomato seedlings in a plant factory. PLoS ONE. 2023;18(11):e0294876. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0294876