28 Medi 2021
Dr William Stiles: IBERS, Prifysgol Aberystwyth.
Prif negeseuon:
- Defnyddir golau gan ffynonellau artiffisial yn gynyddol mewn systemau cynhyrchu garddwriaethol.
- Mae datblygiadau mewn technoleg LED yn golygu y gellir optimeiddio cyfansoddiad golau i gynyddu'r potensial er mwyn sicrhau llwyddiant wrth gynhyrchu.
- Gall deall ymatebion planhigion i gyfansoddiad sbectrol golau amrywiol gynnig cyfleoedd i wella canlyniadau cynhyrchu garddwriaethol.
Mae technoleg amaethyddiaeth mewn amgylchedd a reolir (CEA) yn datblygu'n gyflym ac yn cael ei gydnabod yn gynyddol fel rhan bwysig o weithgarwch cynhyrchu bwyd yn y dyfodol. Datblygiad allweddol sydd wedi gwella potensial y dull hwn ym maes cynhyrchu garddwriaethol fu cyflwyno technoleg deuod allyru golau (LED).
Mae golau LED yn llawer fwy effeithlon na dewisiadau golau garddwriaethol blaenorol, megis bylbiau sodiwm pwysedd uchel, o ran swm yr ynni a ddefnyddir a swm yr ymbelydredd gweithredol ffotosynthetig (PAR) y mae modd ei gyflenwi i ddeilen y planhigyn. Yn ogystal, mae LEDs yn cynnig hyblygrwydd aruthrol o ran cyfansoddiad y golau a gaiff ei ryddhau, sy'n golygu y gellir teilwra golau i gyd-fynd â gofynion y planhigyn yn benodol, gan wella effeithlonrwydd. Yn ogystal, ac efallai bod hyn yn fwy diddorol, mae modd newid cyfansoddiad sbectrol golau er mwyn cymell ymatebion newydd gan blanhigion. Fel hyn, gellir trin ffurf tyfu neu'r potensial ar gyfer cynhyrchu ffotocemegol er mwyn sicrhau canlyniadau a ddymunir.
Mae golau yn rhan hanfodol o ddatblygiad planhigyn ac mae'n ysgogydd allweddol ffisioleg a morffoleg planhigion. Mae golau yn hanfodol ar gyfer ffotosynthesis, yr adwaith cemegol sy'n gosod CO2 at ddibenion cynhyrchu bwyd, ond sy'n gweithredu fel ysgogiad amgylcheddol hefyd, gan hysbysu planhigion am y byd y maent yn bodoli ynddo. Mae planhigion yn cael gwybodaeth gan olau sy'n eu cyrraedd trwy ddefnyddio proteinau synhwyraidd aml-swyddogaethol soffistigedig o'r enw goleudderbynyddion. Mae gan blanhigion o leiaf bum dosbarth goleudderbynyddion: ffytocromau, cryptocromau, ffototropinau, proteinau F-bocs Fflafin-rwymol, ac UVR8. Mae llwybrau signalu go iawn, a'r rhyngweithio rhwng gwahanol dderbynyddion, yn gymhleth, ond yn ei hanfod, mae ffytocromau yn canfod golau coch a golau coch pell, mae cryptocromau yn canfod golau glas ac UV-A, mae ffototropinau a phroteinau F-bocs Fflafin-rwymol yn canfod golau glas ac mae URV8 yn canfod golau UV-B.
Mae planhigion yn organebau gyda chyfraddau plastigrwydd uchel, sy'n caniatáu iddynt newid eu ffisioleg a'u datblygiad er mwyn addasu i amodau amgylcheddol sy'n newid, sy'n strategaeth hanfodol ar gyfer organebau digoes nad ydynt yn gallu symud i sefyllfaoedd mwy ffafriol. Mae'r gallu i amrywio cyfansoddiad sbectrol golau, i ffafrio neu gyfyngu ar gyfran tonystodau penodol, yn cynnig cyfleoedd i optimeiddio dulliau cynhyrchu trwy efelychu ysgogiadau amgylcheddol ac ysgogi ymatebion gan blanhigion.
Golau a ffotosynthesis
Ymbelydredd electromagnetig yw golau, y byddwn yn ei ganfod fel golau gweladwy, o fewn 400-700 nanometr (nm) o ran ystod tonfedd. Mae hyn yn amrywio o olau uwchfioled (gyda thonfeddi byrrach) i olau isgoch (gyda thonfeddi hirach). Mae'r sbectrwm electromagnetig yn cynnwys tonfeddi golau na all llygaid dynol eu gweld, megis pelydrau gama, pelydrau X, micro-donnau a thonnau radio.
Gall sawl ffynhonnell wahanol ryddhau golau, gan gynnwys gwrthrychau y mae eu tymheredd yn ddigon uchel, ond nid yw pob ffynhonnell golau yn addas at ddibenion ffotosynthesis. Mae golau o fewn y sbectrwm gweladwy yn gyrru ffotosynthesis, yn enwedig golau o amrediad tonfeddi coch a glas, ond caiff y potensial ar gyfer ffotosynthesis ei lywodraethu gan swm yr ynni sydd ar gael ar ffurf ffotonau y gall planhigyn eu hamsugno. Cyfeirir at danbeidrwydd golau, a'i botensial i yrru ffotosynthesis, fel y dwysedd fflwcs ffoton ffotosynthetig (PPFD). Po uchaf yw'r PPFD, yr uchaf bydd y potensial ar gyfer ffotosynthesis.
Mae planhigion yn amsugno ynni golau trwy cloroffyl, y pigment sy'n amsugno golau. Mae cloroffyl yn ymddangos yn wyrdd oherwydd ei fod yn amsugno'r holl olau gweladwy ac eithrio tonfeddi gwyrdd, sy'n cael eu hadlewyrchu. Mae cloroffyl A a B yn amsugno golau coch a glas yn gryf, felly barnwyd mai'r tonystodau hyn yw'r unig gyfran golau sy'n wirioneddol bwysig er mwyn cynhyrchu planhigion. Fodd bynnag, cydnabyddir yn gynyddol bod planhigion yn defnyddio'r holl olau sydd ar gael, o leiaf i ryw raddau, gan gynnwys golau gwyrdd, a bod presenoldeb (neu absenoldeb) gwahanol donystodau yn dylanwadu ar ddatblygiad planhigion.
Effeithiau golau ar blanhigion
Mae gan bob planhigyn gryn dipyn o blastigrwydd o ran eu hymateb i amodau amgylcheddol. Mae hyn yn golygu y bydd yn edrych yn wahanol iawn, ac yn tyfu mewn ffordd wahanol iawn, gan ddibynnu ar nodweddion yr amgylchedd. Lle y mae argaeledd a chyfansoddiad golau yn dylanwadu ar ddatblygiad a phatrymau tyfu planhigion, cyfeirir at hyn fel ffotomorffogenesis. Ceir tri cham datblygiad lle y mae ffotomorffogenesis yn effeithio ar ddatblygiad, a'r newid o'r cyfnod llystyfol i'r cyfnod blodeuo.
Yn y ffordd hon, gall cyfansoddiad golau gael dylanwad mawr ar ffurf tyfiant planhigyn. Mae deall dylanwad golau ar ddatblygiad yn allweddol er mwyn hyrwyddo tyfiant sy'n ffafriol ar gyfer amgylchedd a reolir. Er enghraifft, bydd dail planhigion a dyfir mewn golau sbectrwm coch yn crychu yn fwy, a bydd dail planhigion a dyfir mewn amgylchedd lle y ceir golau sbectrwm glas yn gwastadu yn fwy. Gallai hyn olygu y gallai cyfradd uchel golau glas olygu bod planhigion yn gallu defnyddio golau nad yw'n dod o gyfeiriad penodol ac yn dod (yn bennaf o leiaf) o ffynhonnell uwch ben, yn well, sy'n nodweddiadol mewn sefyllfaoedd tyfu a reolir. Wrth gwrs, ceir ystyriaethau eraill niferus, ynghyd â goblygiadau eraill i'w hystyried, ond mae hyn o leiaf yn amlygu'r ffaith bod ffactorau fel hyn yn ystyriaethau allweddol mewn amgylchedd a reolir, lle y gallai dewis sbectra golau olygu y gallai ymatebion unigol y planhigyn beri i'r planhigyn fod yn fwy neu'n llai addas i dyfu yn yr amgylchedd hwnnw.
Bydd holl donystodau y sbectrwm golau, a'u cyfran gymharol yn y golau sydd ar gael, yn ysgogi ymateb yn y planhigyn. Mae'r gwahanol donystodau fel a ganlyn: Golau coch (600-700 nm) – golau o'r tonystodau coch yw prif ysgogydd tyfiant llystyfol. Mae hyn yn golygu mwy o ddail a mwy o fiomas. Ond gallai tyfu yn absenoldeb sbectra eraill arwain at ffenomen y cyfeirir ati fel syndrom golau coch, lle y gallai ffotosynthesis dail gael ei amharu. Heb bresenoldeb golau glas, gallai ffurf neu forffoleg meinweoedd planhigion arwain at broffiliau tyfiant anffafriol, lle y bydd planhigion yn cael eu hymestyn ac yn tyfu'n dal, gyda dail tenau, ac mae hyn yn broffil tyfiant anffafriol fel arfer. Gallai olygu hefyd na all planhigion ddefnyddio'r holl ynni golau sydd ar gael, gan arwain at aneffeithlonrwydd cyffredinol. Yn gyffredinol, coch yw'r donfedd bwysicaf ar gyfer tyfiant a datblygiad planhigion, ond nid ar ei phen ei hun.
Golau glas (400-500 nm) – mae golau o gyfran las y sbectrwm yn cael effaith fawr ar forffoleg planhigion. Gall gynyddu cymhareb gwreiddyn i eginyn mewn datblygiad planhigion, gan hyrwyddo tyfiant gwreiddiau a chrynoder planhigyn, ac mae hyn yn cael goblygiadau penodol, gan ddibynnu ar y nodau cynhyrchu. Yn ogystal, mae golau glas yn hyrwyddo mwy o agor stomataidd, sy'n golygu mwy o gyfnewid nwy a dargludiant stomataidd. Fel arfer, ystyrir bod hyn yn ffafriol o bersbectif iechyd planhigion, ond gallai arwain at fwy o botensial lleithder, sy'n ystyriaeth ar gyfer amgylcheddau a reolir. Caiff golau glas ei amsugno'n hawdd gan ffotodderbynyddion planhigion, ac mae'n ffactor pwysig mewn canfyddiad amgylcheddol planhigion. Er enghraifft, bydd cynyddu canran y golau glas yn argyhoeddi planhigion bod mwy o olau ar gael yn gyffredinol, a fydd yn newid ymddygiad y planhigyn.
Golau gwyrdd (500-600 nm) – caiff golau gwyrdd ei amsugno mewn ffordd wan o'i gymharu â thonfeddi coch a glas, ond caiff ei gydnabod yn gynyddol fel elfen bwysig ar gyfer y potensial ffotosynthesis cyffredinol. Caiff golau gwyrdd ei adlewyrchu a'i wasgaru o fewn dail a'r canopi, sy'n cynyddu'r potensial ar gyfer y cyfanswm amsugno. Mae gwyrdd yn arbennig o bwysig mewn sefyllfaoedd tyfiant dwys, lle y ceir cryn dipyn o gysgod, gan ei fod yn gyrru ffotosynthesis mewn dail is neu sydd yn y cysgod. Yn ogystal, mae golau gwyrdd yn effeithio ar forffoleg trwy gyfrwng y gymhareb golau gwyrdd i las. Mae hyn yn gweithredu fel signal er mwyn dynodi cyflwr y cysgod, gan hysbysu'r planhigyn a'r ddeilen o'u lleoliad yn y canopi, gan ysgogi ymddygiad tyfu sy'n gysylltiedig ag osgoi cysgod. Gall hyn gynnwys tyfiant ychwanegol neu ymestyn hyd y dail a'r internod, a gallai ongl y dail newid hefyd er mwyn cipio golau mwy achlysurol yn hytrach na golau uniongyrchol.
Coch pell (700-850 nm) – cyfeirir at y golau hwn fel uwch-weledol, gan bod mwyafrif y donystod hon y tu hwnt i gyfran weledol y sbectrwm. Ni ystyrir bod coch pell yn weithredol mewn ffordd ffotosynthetig gonfensiynol, ac mae'n gyrru ffotosynthesis mewn ffordd wan yn unig, ond bydd ychwanegu coch pell yn newid y ffordd y mae planhigion yn tyfu gan bod y golau hwn yn cael ei amsugno gan ffotodderbynyddion ffytocrom, sy'n ymwneud â rheoli ehangu gan ddail, blodeuo, ymestyn gan internodau, a dyrannu adnoddau rhwng organau. Yn ogystal, bydd coch pell yn cael yr effaith gyferbyniol i olau glas ar gymhareb y gwreiddyn i'r eginyn, gan arwain at ddosbarthiad eginyn i wreiddyn uwch. Er hyn, fel sy'n wir gyda holl elfennau'r sbectrwm golau, mae angen sicrhau cydbwysedd rhwng swm buddiol o olau coch pell a gormod ohono. Bydd planhigion a dyfir dan lefelau golau coch pell yn ymddangos yn dal ac wedi'u hymestyn, gyda llai o gloroffyl yn arwain at y dail yn melynu, ac efallai bod hyn yn anffafriol o bersbectif marchnata. Yn ychwanegol i effeithiau uniongyrchol, mae cymhareb golau coch i olau coch pell yn fecanwaith pwysig hefyd er mwyn rheoli ymatebion planhigion. Mae golau coch pell yn ymdreiddio trwy'r canopi yn fwy na golau coch, felly bydd planhigion sy'n cael swm uwch o olau coch pell o'i gymharu â golau coch yn dehongli hyn fel effaith cysgodi, gan gynyddu ymatebion er mwyn osgoi cysgod, megis mwy o dyfiant i fyny.
Sbectrwm UV (100-400 nm) – mae golau UV y tu allan i donfeddi PAR, ond bydd y golau hwn yn effeithio ar ddatblygiad planhigion o hyd. Mae ymatebion planhigion i olau UV-A yn debyg ag y mae eu hymatebion i olau glas. Mae golau
UV-B yn cynnwys mwy o ynni ac mae ganddo ei ffotodderbynnydd ei hun mewn planhigion, o'r enw UVR8. Bydd ychwanegu UV-B i'r sbectrwm yn newid y forffoleg mewn ffyrdd na ystyrir eu bod yn hanfodol ar gyfer goroesi, ond y gallent effeithio ar y potensial cynhyrchu. Er enghraifft, dan olau UV-B, gall cwtiglau planhigion dyfu'n fwy trwchus, gan beri i'r planhigion fod yn fwy cadarn yn gyffredinol, ond gallai hyd hypocotylau a phetiolau fod yn fyrrach, ac fe allai amharu ar ehangiad dail rhosglwm. Mae cynhyrchiant metabolynnau eilaidd yn uwch dan UV-B hefyd, sy'n ymateb ffafriol fel arfer, yn enwedig ar gyfer systemau cynhyrchu sy'n canolbwyntio ar gynhyrchiant fferyllol. Ni chredir bod
UV-C yn cael ei ganfod gan blanhigion yn uniongyrchol, ond gall fod yn ddefnyddiol iawn er mwyn rheoli plâu a chlefyd mewn amgylcheddau a reolir.
Dylanwad golau ar organebau eraill
Yn ogystal â'r dylanwad y bydd gwahanol gyfansoddiadau sbectrwm golau yn eu cael ar blanhigion mewn systemau cynhyrchu a reolir, gallai sbectra golau gwahanol ddylanwadu ar organebau eraill hefyd, gan gynnwys y rhai a ystyrir yn blâu neu'n bathogenau.
Bydd tanbeidrwydd golau, ffotogyfnod, a chyfansoddiad tonfeddi yn effeithio ar ymddygiad organebau plâu a phathogenau penodol. Gall hyn gynnig y potensial am effeithiau cadarnhaol a negyddol, oherwydd y gallai'r cyfansoddiad golau cywir ei gwneud yn heriol i blâu a phathogenau barhau, neu gallai gynnig amodau optimwm er mwyn iddynt ffynnu. Gall gwahanol donfeddi golau ddylanwadu ar ganfyddiadau a chyfraddau atgenhedlu anifeiliaid di-asgwrn-cefn/pryfed; er enghraifft, mae golau UV yn allweddol ar gyfer golwg pryfed, sy'n effeithiol yn rhanbarth UV-A, sy'n ei gwneud yn haws i lysysyddion sy'n bryfed adnabod planhigion i'w targedu, a gall golau UV-B ac UV-C gael effaith niweidiol ar boblogaethau pryfed a ffyngau, gan leihau eu heffaith. Yn ogystal, gallai rhywfaint o ryngweithio rhwng planhigion ac organebau plâu gael eu heffeithio gan ddarpariaeth tonfeddi golau penodol, megis coch pell, lle y gallai ymatebion sy'n cael eu cymell mewn planhigion megis cynhyrchu cyfansoddion ffenolig wella amddiffynfeydd naturiol planhigion yn erbyn anifeiliaid di-asgwrn-cefn llysysol.
Bydd y graddau y bydd hyn yn broblem yn dibynnu i ryw raddau ar y system gynhyrchu. Mewn sefyllfaoedd tra-reoledig, mae'n bosibl y gallai llysysyddion di-asgwrn-cefn gael eu hatal yn llwyr, er hyn, mae angen rhoi rhywfaint o ystyriaeth i effeithiau anfwriadol dewis y sbectrwm golau er mwyn sicrhau bod sialensiau cynhyrchu problematig yn cael eu hosgoi pan fo modd. Er hyn, mae sicrhau cydbwysedd perffaith rhwng gofynion golau ar gyfer y planhigyn a golau er mwyn rheoli plâu yn debygol o fod yn heriol iawn, gan ei bod yn annhebygol y bydd y ddau amcan hwn yn cydredeg.
Pan na fydd defnyddio goleuadau yn bosibl efallai, ond gallai manteision trin y golau a roddir fod o fudd, gallai defnyddio ffilmiau ffotoddewisol gynnig dewis amgen. Gellir cael rhagor o wybodaeth am y rhain yma.
Crynodeb
Wrth i dechnoleg goleuadau LED ddatblygu, mae newid cyfansoddiad golau yn rhywbeth sy'n gynyddol bosibl, gan ddewis tonystodau unigol neu newid cyfran tonfeddi penodol, er mwyn sicrhau ymateb tyfu wedi'i dargedu ymhlith planhigion. Felly, gellir defnyddio'r gallu i newid cyfansoddiad golau, ynghyd â dealltwriaeth o'r mecanweithiau biolegol wrth wraidd ymatebion planhigion i wahanol argaeledd a chyfansoddiadau golau, i roi 'cyfarwyddyd' i blanhigion o ran y ffordd yr ydych yn dymuno iddynt dyfu.
Mae'r cymhellion ar gyfer gwneud hyn yn amrywiol, ond y prif resymau fydd naill ai er mwyn cynyddu swm y biomas a gynhyrchir, ac felly, cyfanswm cyffredinol y cnwd, newid siâp ac ymddangosiad y planhigyn, neu newid ei gyfansoddiad cemegol, er mwyn sicrhau ei fod yn fwy apelgar i gwsmer, ac felly, yn fwy deniadol ar lefel fasnachol.
Mae dewis sbectra yn gallu bod yn faes cymhleth, fodd bynnag, oherwydd y bydd cynnwys, neu atal, golau o donfedd benodol yn cael effeithiau uniongyrchol ac anuniongyrchol. Er hyn, mae trin golau yn y fath ffordd yn cynnig nifer o ddewisiadau i'r sector garddwriaethol er mwyn optimeiddio trefniadau tyfu, neu er mwyn pennu ryseitiau ar gyfer darpariaeth golau sy'n gallu arwain at strwythurau newydd, neu gynhyrchu bio-gyfansoddion, y gallent gynnig mantais fasnachol enfawr.
Os hoffech fersiwn PDF o'r erthygl hon, cysylltwch â heledd.george@menterabusnes.co.uk