Photosynthesis and growth at high day temperatures in a CO2 enriched atmosphere

Abstract

Increasing energy prices have led to the attempt of energy saving and are one of the main research areas in greenhouse plant production. Technical disintegration has been developed, and the greenhouse concept ‘Closed/Semi-Closed Greenhouse’ was introduced. The idea of this concept is to reduce energy consumption by cooling the greenhouse under high light intensities, and storing the heat in an underground aquifer to be regained for heating. In order to improve the efficiency of the concept the main focus of this work is investigating how high day temperatures the plants can tolerate at high CO2 levels without a reduction in photosynthesis or growth. The average 24 hour temperature is the most important number for the development rate of plants. When day temperatures are high it is therefore desirable to lower the night temperatures. Plants that tolerate high day/low night temperatures will reduce the energy input for cooling in ‘Closed/Semi-Closed’ greenhouses during the day, and will reduce heating demand during the night. In this study we used different maximum day temperatures, low and moderate night temperatures, high and ambient CO2 levels, and manipulation of light quality because high day/low night temperatures lead to shoot elongation. Eight species of herbs, basil (Ocimum basilicum), rocket (Eruca vesicaria), thyme (Thymus vulgaris), oregano (Origanum vulgare), lemon balm (Melissa officinalis), cilantro (Coriandrun sativum), sage (Salvia officinalis) and rosemary (Rosmarin officinalis) were used for investigating the effect of high day temperature on biomass production and morphology. The tomato varieties (Solanum lycopersicum “Mecano”, “Capricia”, “Cederico”) were used to investigate plant response on growth, pollination and fruit development under high day temperatures. The plants were grown in phytotron growth rooms, common greenhouse growth rooms, and gas exchange chambers. When testing the increase of red/far-red light ratio on the elongation of herbs, the plants were covered with a colored plastic film. The first two investigations were performed by increasing the maximum day temperature stepwise with increasing light intensity while keeping night temperatures steady. The third and fourth investigations were performed using natural increase of maximum day temperature from increasing light intensities, and different but steady night temperatures. The herbs responded positive to increased maximum day temperatures from 22°C to 29°C with increased dry matter production. An increase of the red/far-red ratio from 1.1 to 10.2 reduced the elongation growth, but also reduced dry matter production due to the 34% lower light intensity below the plastic film. Increasing the maximum day temperature from 23°C to 29°C under high CO2 conditions and constant night temperatures did not affect total dry matter production of the tomato plants, but reduced the yield when the maximum day temperature was higher than 23°C, due to a reduction in fruit number and size. Above 23°C maximum day temperature and constant night temperatures a high number of un-pollinated fruits developed. At constant mean day temperature, flowers developed under the highest day and lowest night temperatures (30/11 °C) showed the highest number of pollen and best germination. However, fruits developed under lower day and higher night temperatures (24/17 °C) had a higher amount of soluble solids, dry matter and titratable acid. The carbon exchange rate (CER) of single tomato plants increased under high CO2 concentrations with increasing light up to a temperature of 40-45°C. The CER was about 100% higher for plants grown under high CO2 conditions compared to plants grown under ambient conditions. Chlorophyll fluorescence measurements showed no effect of high maximum day temperatures on the activity of photosystem II. Night temperatures down to 10-11°C showed no negative effect on the CER during the following days and the dark respiration. The results achieved in this study show that under high CO2 concentration and high light intensities, the maximum day temperature can be increased and low night temperatures can be accepted without any negative effects on photosynthesis and plant growth. These results can be used in the future to develop strategies with controlled maximum day temperatures in relation to lower night temperatures and combined with CO2 strategies. They will have great potential for energy saving especially connected to the ‘Closed/Semi-Closed’ greenhouse concept.

Økende energipriser har ført til at veksthusnæringen er meget bevist på å redusere energiforbruket og at energieffektivisering har blitt et sentralt forskningsområde. Tekniske løsninger har blitt utviklet og et nytt dyrkingssystem kalt «lukkede/delvis lukkede veksthus» blitt introdusert. Dette dyrkingssystemet har som mål å redusere energiforbruket ved blant annet å kjøle veksthuset ved sterk innstråling og lagre denne energien for så å bruke den til oppvarming ved behov. For å bedre energieffektiviteten ved dette dyrkingssystemet har en i dette arbeidet undersøkt hvor høye temperaturer plantene kan tolerere ved høy CO2 uten reduksjon i fotosyntese eller vekst. Det er den gjennomsnittlige døgntemperaturen som hovedsakelig bestemmer utviklingshastigheten hos planter. Ved høye dagtemperaturer er det derfor ønskelig å senke natt temperaturen. For planter som tolererer høye dagtemperaturer/lave natt temperaturer vil det være et mindre krav til kjøling om dagen ved høy innstråling og redusert behov for oppvarming om natta ved bruk av lukkede/delvis lukkede veksthus. I dette arbeideidet ble brukt høye dagtemperatuerer, natt temperaturer, ulike CO2 nivåer og regulering av lyskvaliteten da en kjenner til at høye dag/lave natt temperaturer gir strekningsvekst hos planter. Det ble brukt åtte ulike arter av urter: basilikum (Ocimum basilicum), ruccola (Eruca vesicaria), timian (Thymus vulgaris), oregano (Origanum vulgare), sitronmelisse (Melissa officinalis), koriander (Coriandrun sativum), salvie (Salvia officinalis) and rosmarin (Rosmarin officinalis) for å undersøke virkningen på vekst og morfologi. Videre ble brukt tomat (Solanum lycopersicum “Mecano”, “Capricia”, “Cederico») for å undersøke virkningen på vekst, pollinering og fruktkvalitet ved høye dagtemperaturer. Plantene ble dyrket i dagslysrom i fytotron, vekshusavdelinger eller gassutvekslingskammere. For å teste rød/mørkerødt forholdet på strekningsvekst hos planter ble brukt en farget plastikk. De to første arbeidene ble utført ved en gradvis økning av den maksimale dagtemperaturen ved økende belysningsstyrke og med faste natt temperaturer. De to siste arbeidene ble utført ved at dagtemperaturen økte naturlig ved økende belysningsstyrke og ved forskjellige natt temperaturer. Hos urter økte veksten ved å øke den maksimale dagtemperaturen fra 22 °C til 29 °C, mens en i kommersiell dyrking bruker en betydelig lavere temperatur, 13-18 °C. Ved å øke rød/mørkerødt forholdet fra 1,1 til 10,2 ble strekningsveksten redusert, men det førte også til en redusert vekst da plastikken som ble brukt førte til en lysreduksjon på 34 %. Ved å øke den maksimale dagtemperaturen fra 23 °C til 29 °C ved høy CO2 og konstant natt temperatur ble det ingen virkning på tørrstoffproduksjonen hos tomatplantene, men en redusert avling ved maksimale dag temperaturer over 23 °C, som skyltes redusert antall og størrelse på fruktene. Maksimale dagtemperaturer over 23 °C og konstant natt temperatur, førte til et økende antall ikke pollinerte tomater. Ved konstant gjennomsnitts temperatur, utviklet tomatblomsterne ved høy dag og lav natt temperatur (30/11 °C) det største antall pollen og med best spireevne. Mens tomater utviklet under midlere dag/natt temperatur (24/11 °C) hadde høyest mengde oppløst tørrstoff, høyest tørrstoffinnhold og høyest titrerbar syre. Måling av CO2 opptaket (CER) hos enkeltplanter av tomat ved høye CO2 nivåer viste at ved økende belysningsstyrke økte fotosyntesen helt opp til 40-45 °C. CO2-opptaket var dobbelt så høyt for planter dyrket ved høyt CO2 som ved normalt CO2 nivå ved disse betingelsene. Målinger av klorofyll fluorescens viste ingen virkning på fotosystem II ved høye dag temperaturer. Natt temperaturer ned til 10-11 °C viste ingen negativ virkning på CO2 opptaket eller mørke respirasjonen. Resultatene i dette arbeidet viser at dag temperaturen kan økes betydelig under gode lysforhold og høye CO2 nivåer. Resultatene viser også at natt temperaturen kan senkes uten at fotosyntesen eller veksten reduseres for tomat. I fremtiden bør disse resultatene kunne brukes for utvikling av strategier for å øke dagtemperaturen ved økende belysningsstyrke og høy CO2, samtidig som natt temperaturen kan senkes. Dette vil kunne føre til en betydelig energisparing ved bruk av lukkede/delvis lukkede veksthus.