Valo antaa kasveille fotosynteesiin tarvittavan energian, jonka avulla ne voivat tuottaa orgaanista ainesta jamuuntaa energiaa kasvun ja kehityksen aikanaValo antaa kasveille tarvittavan energian ja on perusta solujen jakautumiselle ja erilaistumiselle, klorofyllin synteesille, kudosten kasvulle ja ilmarakojen liikkeelle. Valon intensiteetti, fotoperiodi ja valon laatu ovat tärkeitä näissä prosesseissa. Kasvien sokeriaineenvaihduntaan liittyy monia säätelymekanismeja. Valo yhtenä säätelytekijöistä vaikuttaa soluseinän koostumukseen, tärkkelysjyväsiin, sakkaroosisynteesiin ja johtosolukkokimppujen muodostumiseen. Vastaavasti valon säätelemän sokeriaineenvaihdunnan yhteydessä myös sokerityypit ja geenit vaikuttavat. Tutkimme olemassa olevia tietokantoja ja löysimme vain vähän asiaankuuluvia katsauksia. Siksi tässä artikkelissa esitetään yhteenveto valon vaikutuksista kasvien kasvuun ja kehitykseen sekä sokeriaineenvaihduntaan ja käsitellään valon vaikutusmekanismeja kasveihin yksityiskohtaisemmin, tarjoten uusia näkemyksiä kasvien kasvun säätelymekanismeista erilaisissa valaistusolosuhteissa.
Valo tarjoaa energiaa kasvien fotosynteesille ja toimii ympäristösignaalina, joka säätelee useita kasvifysiologian osa-alueita. Kasvit voivat aistia ulkoisten valo-olosuhteiden muutoksia erilaisten fotoreseptorien, kuten fytokromien ja fototropiinien, kautta ja luoda sopivia signalointireittejä säädelläkseen kasvuaan ja kehitystään. Alhaisissa valaistusolosuhteissa kasvien kokonaiskuiva-ainepitoisuus laskee, samoin kuin fotosynteesinopeus, haihtumisnopeus, ilmarakojen konduktanssi ja varren halkaisija. Lisäksi valon intensiteetti on kriittinen muuttuja, joka säätelee prosesseja, kuten kasvien itämistä, lehtien lisääntymistä ja laajenemista, ilmarakojen kehitystä, fotosynteesiä ja solujen jakautumista. Fotoreseptorien kautta välittyvän valon laatu säätelee kasvien koko elinkaarta, ja eri valonlaadulla on erilaisia vaikutuksia kasvien morfologiaan, fotosynteesiin, kasvuun ja elinten kehitykseen. Kasvit voivat säädellä kasvuaan ja kehitystään valojakson avulla, mikä edistää prosesseja, kuten siementen itämistä, kukintaa ja hedelmien kypsymistä. Se osallistuu myös kasvien reaktioihin epäsuotuisiin tekijöihin ja sopeutuu erilaisiin vuodenaikojen muutoksiin (Bao et al., 2024; Chen et al., 2024; Shibaeva et al., 2024).
Sokeri, kasvien kasvun ja kehityksen kannalta olennainen aine, käy läpi monimutkaisen kuljetus- ja kertymisprosessin, johon vaikuttavat ja jota säätelevät useat tekijät. Kasvien sokeriaineenvaihdunta kattaa sokereiden synteesin, katabolian, hyödyntämisen ja muuntumisen kasveissa, mukaan lukien sakkaroosin kuljetus, signaalinvälitys sekä tärkkelyksen ja selluloosan synteesi (Kudo et al., 2023; Li et al., 2023b; Lo Piccolo et al., 2024). Sokeriaineenvaihdunta hyödyntää ja säätelee tehokkaasti sokereita, osallistuu kasvien sopeutumiseen ympäristömuutoksiin ja tarjoaa energiaa kasvien kasvulle ja kehitykselle. Valo vaikuttaa kasvien sokeriaineenvaihduntaan fotosynteesin, sokerisignaloinnin ja valojakson säätelyn kautta, ja valo-olosuhteiden muutokset aiheuttavat muutoksia kasvien aineenvaihduntatuotteissa (Lopes et al., 2024; Zhang et al., 2024). Tämä katsaus keskittyy valon vaikutuksiin kasvien fotosynteesin suorituskykyyn, kasvuun ja kehitykseen sekä sokeriaineenvaihduntaan. Artikkelissa käsitellään myös valon vaikutusten tutkimusta kasvien fysiologisiin ominaisuuksiin tavoitteena tarjota teoreettinen perusta valon käytölle kasvien kasvun säätelemiseksi sekä sadon ja laadun parantamiseksi. Valon ja kasvien kasvun välinen suhde on edelleen epäselvä ja viittaa mahdollisiin tutkimussuuntiin.
Valolla on monia ominaisuuksia, mutta sen intensiteetillä ja laadulla on suurin vaikutus kasveihin. Valon intensiteettiä käytetään yleisesti valonlähteen kirkkauden tai säteen voimakkuuden mittaamiseen. Aallonpituuden perusteella valo voidaan jakaa ultraviolettiin, näkyvään ja infrapunaan. Näkyvä valo jaetaan edelleen punaiseen, oranssiin, keltaiseen, vihreään, siniseen, indigonsiniseen ja violettiin. Kasvit absorboivat ensisijaisesti punaista ja sinistä valoa fotosynteesin ensisijaisena energiana (Liang et al., 2021).
Erilaisten valonlaatujen soveltaminen pellolla, valojakson hallinta ja valon intensiteetin muutosten vaikutukset kasveihin ovat kuitenkin monimutkaisia ongelmia, jotka on ratkaistava. Siksi uskomme, että valo-olosuhteiden järkevä käyttö voi tehokkaasti edistää kasvien mallinnusekologian kehitystä sekä materiaalien ja energian kaskadikäyttöä, mikä parantaa kasvien kasvutehokkuutta ja ympäristöhyötyjä. Ekologisen optimoinnin teorian avulla kasvien fotosynteesin sopeutumiskyky keskipitkän ja pitkän aikavälin valoon sisällytetään maapallon järjestelmämalliin, mikä vähentää fotosynteesimallinnuksen epävarmuutta ja parantaa mallin tarkkuutta (Luo ja Keenan, 2020). Kasvit sopeutuvat yleensä keskipitkän ja pitkän aikavälin valoon, ja niiden fotosynteesikapasiteettia ja valoenergian käytön tehokkuutta keskipitkällä ja pitkällä aikavälillä voidaan parantaa, mikä saavuttaa tehokkaammin peltoviljelyn ekologisen mallinnuksen. Lisäksi peltokasveja käytettäessä valon intensiteettiä säädetään kasvilajin ja kasvuominaisuuksien mukaan terveen kasvien kasvun edistämiseksi. Samalla säätämällä valon laadun suhdetta ja simuloimalla luonnonvalosykliä on mahdollista kiihdyttää tai hidastaa kasvien kukintaa ja hedelmöittymistä, jolloin saavutetaan tarkempi kenttämallinnuksen ekologinen säätely.
Valon säätelemä sokeriaineenvaihdunta kasveissa edistää kasvien kasvua ja kehitystä, sopeutumista ja vastustuskykyä ympäristöstressitekijöille. Sokerit signaalimolekyyleinä säätelevät kasvien kasvua ja kehitystä vuorovaikuttamalla muiden signaalimolekyylien (esim. fytohormonien) kanssa ja siten vaikuttamalla kasvien fysiologisiin prosesseihin (Mukarram et al., 2023). Uskomme, että valoympäristön ja kasvien kasvun sekä sokeriaineenvaihdunnan välisten säätelymekanismien tutkiminen on tehokas taloudellinen strategia jalostus- ja tuotantokäytäntöjen ohjaamiseksi. Teknologian kehittyessä voidaan tulevaisuudessa tehdä tutkimusta valonlähteiden valinnasta, kuten keinotekoisista valaistusteknologioista ja LEDien käytöstä, valaistuksen tehokkuuden ja kasvien sadon parantamiseksi, mikä tarjoaa lisää säätelytyökaluja kasvien kasvu- ja kehitystutkimukseen (Ngcobo ja Bertling, 2024). Punaisen ja sinisen valon aallonpituudet ovat kuitenkin yleisimmin käytettyjä nykyisessä tutkimuksessa valon laadun vaikutuksista kasveihin. Näin ollen tutkimalla monipuolisempien valonlaatujen, kuten oranssin, keltaisen ja vihreän, vaikutuksia kasvien kasvuun ja kehitykseen voimme kehittää useiden valonlähteiden vaikutusmekanismeja kasveihin ja siten hyödyntää tehokkaammin eri valonlaatuja käytännön sovelluksissa. Tämä vaatii lisätutkimuksia ja parantamista. Fytokromit ja fytohormonit säätelevät monia kasvien kasvu- ja kehitysprosesseja. Siksi spektraalisen energian ja endogeenisten aineiden vuorovaikutuksen vaikutus kasvien kasvuun on tulevaisuuden tutkimuksen keskeinen suunta. Lisäksi perusteellinen tutkimus molekyylimekanismeista, joilla erilaiset valo-olosuhteet vaikuttavat kasvien kasvuun ja kehitykseen, sokeriaineenvaihduntaan sekä useiden ympäristötekijöiden synergistisiin vaikutuksiin kasveihin, edistää erilaisten kasvien potentiaalin jatkokehitystä ja hyödyntämistä, mikä mahdollistaa niiden soveltamisen esimerkiksi maataloudessa ja biolääketieteessä.
Julkaisun aika: 11. syyskuuta 2025