Vai trò của ánh sáng với đời sống thực vật

Tác động của ánh sáng đối với quá trình sinh trưởng của thực vật • Hệ thống quang hợp Photosynthesis • Quang sinh hình thái Photomorphogenesis 3.. Các đặc tính của bức xạ liên quan đến

Vai trò của ánh sáng với đời

sống thực vật

PGS TS Phạm Hồng Dương

Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam

Hà nội ngày 20 tháng 3 năm 2012

Nội dung bài thuyết trình

1 Ánh sáng và phương pháp đo ánh sáng

2 Tác động của ánh sáng đối với quá trình sinh

trưởng của thực vật

• Hệ thống quang hợp (Photosynthesis)

• Quang sinh hình thái (Photomorphogenesis)

3 Điều khiển ánh sáng tự nhiên

4 Nguồn sáng nhân tạo

5 Lựa chọn giải pháp

1 Ánh sáng và phương pháp đo

ánh sáng

LIGHT!!!

Ánh sáng là sóng điện từ? Photon ?

Đo đạc lượng ánh sáng

• PP bức xạ (Radiometric Method)

• PP trắc quang (Photometric Method)

• PP lượng tử (Quantum Method)

Đo bức xạ điện từ

• Đo cường độ sóng điện từ

Dùng cảm biến quang (quang trở, photo-diode; cặp nhiệt điện chân không

Quang trở, photo-diode có độ nhạy cao, nhưng có dải phổ độ nhạy hẹp và không phẳng.

Cặp nhiệt điện chân không biến đổi năng lượng điện từ thành nhiệt, có dải phổ rộng, phẳng nhưng độ nhạy thấp.

• Đo phổ sóng điện từ (Spectro-photometry)

Ghép các cảm biến quang điện với phổ kế, đo được hàm phân

bố năng lượng theo bước sóng

Trắc quang:photon với mắt người

Ánh sáng = photon + hệ thống thị giác + thụ cảm

+ ý thức nhận biết

Đường nhạy sáng của mắt người

Đường cong nhìn đêm (scotopic vision)

có cực đại ở 507 nm

Đỉnh độ nhạy của đường cong photopic nằm ở

555 nm Tại bước sóng này, mỗi W ánh sáng tạo nên 683 lumen

Hiện tượng nhìn lai (mesopic vision), cả hai loại tế bào đều tham gia sự nhìn

Đường cong độ nhạy của mắt người

Phương pháp trắc quang

Lux kế: thiết bị đo độ rọi có độ nhạy phổ thương

ứng với độ nhạy mắt người quan sát chuẩn

Quả cầu tích phân- phổ kế: Quả cầu tích phân được nối với thiết

bị đo sáng và phổ kế Quang thông của bộ đèn LED có thể đo được bằng cách dùng quả cầu tích phân đủ lớn nối với cảm biến có độ nhạy phù hợp với hàm độ nhạy mắt người V(λ) )

Từ đó tính ra quang thông

Đại lượng trắc quang (Photometric quantity) Đơn vị Unit

Cây có đường nhạy sáng khác mắt người

Mắt người không phải là phương tiện đánh giá khả năng quang hợp vì có sự đối nghịch giữa thị giác người và độ nhạy quang hợp

Lá Lạp lục Diệp lục

Các đặc tính của bức xạ liên quan

đến tăng trưởng thực vật

• Quang lượng (Cường độ)

– Quang hợp (photosynthesis)

• Chất lượng quang (bước sóng)

– Quang sinh hình thái (photomorphogenesis)

• Độ dài chiếu sáng

– Quang kỳ (photoperiodism)

Đo bức xạ quang hợp (PAR)

• PAR (Photosynthetic Active Radiation)

• Đo quang thông quang hợp (Photosynthetic Photon Flux -PPF): là tổng số photon trong vùng (400-700nm)

• Đơn vị đo = mol = (6.02 x 1023) photons

hoặc mol = (6.02 x 1017) photons

• Là phương pháp tốt nhất dùng cho nhà xanh

Thiết bị đo PAR cầm tay

Đo và tính PAR bằng quả

cầu tích phân + phổ kế

400 450 500 550 600 650 700 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Total: 62.6

2 Tác động của ánh sáng đối với

quá trình sinh trưởng của thực

2 Lục lạp (Chloroplast) là 1 trong 3 dạng lạp thể (vô sắc lạp, sắc lạp và lục lạp) có chức năng quang hợp của tế bào thực vật, tạo ra năng lượng cho tế bào thực vật

3 Diệp lục (chlorophyll) là sắc tố quang hợp của thực vật, tảo và vi khuẩn lam; ngoài chất diệp lục, carotene và xantophyl cũng là sắc tố cảm quang

Diệp lục a Diệp lục b Diệp lục c1 Diệp lục c2 Diệp lục d

Công thức

phân tử C55 H72O5N4Mg C55H70O6N4Mg C35H30O5N4Mg C35H28O5N4Mg C54H70O6N4Mg

Hệ thống quang hợp của thực vật

1 Lá cây

Hệ thống quang hợp 2 thường tạo cặp Mỗi tổ hợp protein chứa khoảng 50 pigment (phần lớn là diệp lục, một vài carotene), còn tổ hợp harveting có chức năng điều hoà giữa Hệ thống quang hợp 2 và hệ thống quang hợp 1 để

tránh hiện tượng ức chế quang hợp khi ánh sáng quá mạnh.

Hệ thống quang hợp của thực vật

Phổ hấp thụ của diệp lục

Phổ hấp thụ của diệp lục a và b

Quang sinh hình thái là sự thay đổi hình dạng của

thực vật gây ra bởi một loại ánh sáng đặc biệt không phụ thuộc vào quang hợp

Quang sinh hình thái (Photomorphogenesis PMG)

Quang sinh hình thái liên quan đến một số loại cảm

quang thực vật Các cảm quang này biến thông tin môi trường thành các mẫu sinh trưởng

Ví dụ:

• Vị trí trong tán lá

• Độ sâu của hạt trong đất

• Sự có mặt của đối tượng cạnh tranh

• Thời điểm mặt trời lên

• Độ dài của ngày

Tính chất của PMG

Gieo hạt rau diếpLần lượt chiếu sáng hạt rau diếp bằng ánh sáng

đỏ R (650 - 680 nm) và đỏ xa FR (710 - 740 nm)

Thí nghiệm cổ điển về hiện tượng

Quang đảo (photoreverse

phenomena)

Hệ PC cổ điển- gieo hạt rau diếp

Trong bóng tối-rất ít nảy mầm

Ánh sáng đỏ gây nảy mầm

FR sau

R rồi FR - không nảy mầm

R trước

FR tiếp theo

R + FR + R = nảy mầm

Thảo luận kết quả

Ta thấy rằng R và FR tao hai tác động ngược nhauMỗi loại ánh sáng đảo ngược tác động của loại kia

Chúng hoạt động ra sao?

1 Có hai loại thụ cảm khác nhau??

2 Hay một loại thụ cảm có hai dạng?

Hai loại cảm quang chính

1 Phytochrome PC (Sắc tố thực vật) – một loại hạt protein hấp thụ

ánh sáng đỏ và đỏ xa và hoán đổi hai dạng với nhau, liên quan đến nhiều đáp ứng khác nhau PC nằm trong nhân tế bào.

2 Cảm quang với ánh sáng màu lam (cryptochrome)

- Đáp ứng của tế bào gác (guard cell là tế bào phụ trách việc đóng

mở cửa trao đổi khí CO2 và O2)

- Hướng quang (phototropisms) Hướng quang

(phototropisms)

Trả lời câu hỏi của cây:

Có ánh sáng không?

Có cây nào bên cạnh không?

Đã đến lúc nở hoa chưa?

Loại cây Thời kỳ phát triển Tác động của ánh sáng đỏ

Rau diếp (lettuce)

Nảy mầm Tạo mầm Trưởng thành

Kích thích nảy mầm Kích thích đâm chồi Giảm độ dài giữa các chồi Tăng tích tụ diệp lục

Kích thích chia hạt Kích thích lục lạp hướng về phía tối hơn

Một số đáp ứng điển hình của Phytochrome (PC)

Hai dạng phytochrome

“Pr” dạng đỏ, có đình hấp thụ vùng đỏ

“Pfr” dạng đỏ xa, có đình hấp thụ đỏ xa

Pfr

Cấu trúc hóa học

Pr Pfr

Red light

Far-red light Pfr: Dạng hoạt động sinh lý của PC

Nảy mầm

Mọc lá

Sản sinh diệp lục

Chậm NhanhĐáp ứng hình thái Đáp ứng sinh hóaHiệu ứng biểu lộ gene Hiệu ứng dòng ion

và sức trương

Đáp ứng của PC theo thời gian

Hiệu ứng khép lá cây buổi đêm là kết

quả của đáp ứng PC nhanh

Ngày Đêm

Sự khép mở lá cây điều khiển nhịp sinh học

Cơ chế chuyển động lá thông qua PC

PC dạng (Pfr) điều khiển bơm H + và K + vào kênh

tế bào vận động

Fig 17.14

Đáp ứng của PC theo thời gian

Đáp ứng chậm của Phytochrome

theo thời gian là biểu lộ gien

• Khi đó nó sẽ điều khiển để cành vươn ra chỗ ánh sáng có

chất lượng cao hơn (nhiều ánh sáng xanh đỏ)

Phổ phản xạ, truyền qua và hấp thụ của lá cây

Tăng trưởng cây khi tỷ lệ

R:FR thấp (R<FR hay R/FR< 1:1)

Xảy ra khi FR tăng hoặc R giảm:

1 Gióng cây dài hơn

Tăng trưởng cây khi tỷ lệ

R:FR cao (R>FR hay R/FR>

1:1)

Xảy ra khi FR tăng hoặc R giảm:

1 Gióng cây ngắn hơn

Cây nào thiếu ánh sáng?.

Để ý rẳng cả hai cây hoa Lily đều nở hoa.

Bạn có thể nói cây nào được chiếu ánh sáng có tỷ lrrj R/FR cao ?

Tác dụng chung của Pfr là giảm độ dài của gióng cây.

Cây ưa nắng nhạy cảm với Pfr, trong khi đó cây bóng râm ít

Far red reflected from other plants.

Red absorbed

R/FR giảm=có mặt hàng xóm =>

gióng cây dài ra

PC và sự cạnh tranh: làm thế nào cây cối cảm nhận được sự có mặt của ccay khác bên cạnh và cạnh tranh

để lấy ánh sáng?

Các vai trò khác của Phytochrome

PC và kỳ ra hoa Khi nào thì thực vật ra hoa?

• Thực vật ra hoa vào đúng mùa trong năm, làm sao thực vật nhận biết thời gian?

• Các yếu tố thay đổi theo mùa như

– Nhiệt độ, độ ẩm, cường độ sáng không phải là chỉ dẫn đáng tin cậy

• Chỉ dẫn đáng tin cậy: độ dài của ngày

• Thay đổi theo mùa và theo vĩ độ

• Thu nhận bằng PC

Cây ngày dài (Long day plant-LDP) = Cây đêm ngắn (Short night plants)

• Cần có đêm ngắn để ra hoa

• Cần có mặt P fr khi đêm kết thúc

• P fr kích thích LDPs ra hoa

Cây ngày ngắn (Short day plant-SDP) =

Cây đêm dài (Long night plants)

• Cần có đêm dài để ra hoa

• Cần có mặt Pr khi đêm kết thúc

• Pfr ngăn chặn SDPs ra hoa

Ánh sáng mặt trời

Chủ yếu là R, phần nhỏ FR

Đáp ứng cuối ngày (End of Day Response-EOD)

•Cây cối đáp ứng với sự thay đổi tỷ lệ Red/FR

•Do hiệu ứng tán xạ tổ hợp của ánh sáng (~^4), khi mặt trời lặn màu xanh tán xạ nhiều hơn nên mất đi, phổ mặt trời đỏ hơn và nhiều FR hơn

Đáp ứng quang kỳ

Chờ đến đúng mùa ra hoa

• Thực vật phát triển lá đợi kỳ ra hoa

• Cây LDP chờ ngày dài đêm ngắn

• Cây SDP chờ ngày ngắn đêm dài

• Sau đó mới ra hoa

Vì vây ta có thể dùng nguồn sáng nhân tạo để thay đổi thời kỳ ra hoa

Có một số loài cây không nhạy

với độ dài ngày đêm

EOD - quan trọng điều khiển thời gian ra hoa

3 Điều khiển ánh sáng

tự nhiên

Các yếu tố tự nhiên

• Thời gian trong năm (mùa)

• Vĩ độ

• Độ dài của ngày

• Mây (giảm cường độ 3-6x)

*

Lượng sáng phụ thuộc thời gian trong năm

Mây che phủ

A cloudy day in May provides more photosynthetic light than a clear day in December, mostly because of the

duration of the light period.

Cường độ sáng phụ thuộc góc tới: tính

Chọn hướng tối ưu

Vật liệu che phủ và bảo dưỡng ảnh hưởng đến ánh sáng truyền qua

• Vật liệu phủ (% truyền qua)

– Kính (ít sắt) (93%)

– Exolite (hai lớp acrylic) (92%)

– Lexan (hai lớp polycarbonate) = (78%)

• Vệ sinh mái

– Vài lần 1 năm (thường do mưa )

• Siêu cấu trúc

– ↑ Siêu cấu trúc , ↑ bóng – Vật liệu phủ nặng cần siêu cấu trúc – Dầm che 10-12%, xà che 5-7%

– Máng đèn cchieeus sáng cũng che

• Siêu cấu trúc sạch và sơn trắng

– Nhôm = phản xạ cao – Gỗ cần sơn trắng và giữ sạch

Cấu trúc mái và bảo dưỡng ảnh hưởng

đến ánh sáng truyền qua

Nhiều cấu trúc trắng và sạch vẫn

phản xạ tốt

Loại bỏ các vật tạo bóng râm

Bóng râm trong nhà xanh gây ra vấn đề nghiêm trọng, nhất là khi chúng không thay đổi trong ngày

Hệ thống che sáng bên trong và bên ngoài

Hệ thống che tự động

Vải che sáng Tổ hợp che sáng

Ưu điểm: Dễ che hoặc tháo Giảm nhiệt độ hiệu quả

Biết T%

Nhược điểm: Giảm nhiệt không tốt Khó thay

Cường độ sáng tiêu biểu cho một số mục đích

Điều khiển Quang kỳ

• Kiểm soát thời điểm ra hoa

• Sinh trưởng >< sinh sản

– Ngày ngắn nhân tạo

• Che vải đen

– Ngày dài nhân tạo

• Kéo dài ngày

Ngày ngắn nhân tạo

• Che vải đen

– Vải đen che hoàn toàn

Ngày dài nhân tạo

• Kéo dài ngày

Điều khiển tỷ lệ R:FR

• Giảm đáp ứng tránh bóng râm

• Cắt bỏ sinh trưởng qua mức để ngăn cản tự che phủ (vd hoa phong lữ)

• Ngăn cản bóng râm của cây khác

– Giảm thiểu các giỏ treo trên cây

– Tạo khoảng cách hợp lý

• Khoảng cách đủ nhìn thấy các cây, nhất là khi thu hoạch

Ví dụ về hiệu ứng hấp thụ FR ảnh hưởng đến phát triển cành Màu đậm chứng tỏ hấp thụ FR nhiều

Chiếu sáng bổ sung cho quang hợp

• Quy luật tương hỗ

– 500 mol/m2/s trong 1 h = 100 mol/m2/s

trong 5 h

• Sử dụng quy luật này theo nhu cầu, cường

độ thấp thời gian dài

– Tăng cường độ quá mức sẽ tăng giá thành và tạo nhiều bóng râm

Nguồn sáng nhân tạo

• Khó lắp đặt hơn đèn sợi đốt (trừ đèn HQ compact)

• Có thể thay phosphor để đổi phổ

Phổ đèn HQ đáp ứng nhu cầu quang hợp?

Đèn phóng điện cường độ cao (HID)

Metal Halide

Thích hợp nhất cho quang hợp

Đèn thuỷ ngân lai tóc:

• Tỷ lệ R/FR hơi nhỏ

• Hiệu suất cao hơn đèn sợi đốt

• Thích hợp cho điều khiển hình thái

Đèn LED trắng

•Thiếu R và FR

• Giá thành cao Tuổi thọ caoHiệu suất cao

Chao chụp thường dùng cho nhà xanh

HID’s dùng chiếu

bổ sung cho nhà xanh ở điều kiện chiếu sáng yếu

Tổng kết các giải pháp cổ điển

(không tính LED và growth lamp)

• Phá đêm:

Huỳnh quang > Sợi đốt > HID

• Kéo dài ngày cho quang hợp

HID Sợi đốt Huỳnh quang

• Bổ sung ánh sáng cho quang hợp

HID > Huỳnh quang* Sợi đốt

* Nguồn sáng tốt nhất cho quang hợp trong phòng gieo hạt hoặc phòng lạnh

• Thời gian chiếu sáng từ18 đến 20 h/ngày ( tự nhiên + bổ

sung ) tăng năng suất rất cao

• Để ước tính, mỗi m 2 diện tích cần 60 W đèn cho khoảng 600 lux (khoảng cách 2-3 m

• Mỗi 1000 lux tăng nhiệt độ khoảng 1 độ

• 1 Micromol (umol)= 82 lux

Một số thông tin bổ ích

Giải pháp mới: Growth LED

•Điều chỉnh phổ chính xác

• Dễ điều khiển độ sáng

• Giá thành cao

Tuổi thọ cao Hiệu suất cao

Lý tưởng cho mọi ứng dụng

Giải pháp mới: đèn HQ phủ bột R ngoài

350 400 450 500 550 600 650 700 750 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

400 450 500 550 600 650 700 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Công nghệ Thuỷ canh tăng năng suất 2-10 lần

Công nghệ Thuỷ canh

• Dưỡng chất bao gồm cả nguyên tố vi lượng

• Khí CO2 gấp 5-10 lần nồng độ chuẩn khi đủ ánh sáng và dưỡng chất

• Không dùng đất, có thể thay nước bằng phun hơi

Cám ơn Chúc thành công!