Effects of Blue Light on Assimilation, Growth, Morphology, and Water Usage in Cucumber Seedlings

Abstract

Blått lys (BL) kan påvirke plantevekst og -utvikling på flere måter, og agurk (Cucumis sativus) er spesielt sensitiv for lyskvalitet. Formålet med denne studien var å undersøke hvordan ulike andeler BL påvirker assimilasjon, vekst, morfologi og vannforbruk i småplanter av agurk. Sorten ‘Hi Light’ ble eksponert for ulike andeler BL, enten 10% eller 30% av fotosyntetisk aktiv stråling (PAR) i forsøkskammere med 23, 60% relativ luftfuktighet og en irradians på 235 mol m-2s-1 PAR i seksten dager. Assimilasjon ble studert med målinger på bladnivå av fotosyntesehastighet, innhold av fotosyntesepigmenter og karbohydrathusholdning – mer spesifikt konsentrasjon av stivelse og løselig sukker i eldreblader. Biomasse og morfologi ble målt og benyttet i vekstkomponentanalyse. Vannforbruk av hele planter ble målt, og spalteåpningstetthet ble undersøkt for å bedre forstå årsaken til ulikt vannforbruk. Effektiviteten av vannforbruk ble estimert basert på fotosyntesehastighet og konduktans på bladnivå.

Planter dyrket med 30% BL hadde høyere fotosyntesekapasitet, høyere konsentrasjon av klorofyll a and b, samt betraktelig lavere stivelseskonsentrasjon sammenliknet med planter dyrket med 10% BL. Det var også en tendens til høyere konsentrasjon av løselig sukker i planter dyrket med 30% BL, men det ble kun statistisk signifikant utslag på konsentrasjonen av raffinose. Det var små forskjeller i plantehøyde, totalt bladareal og relativ veksthastighet mellom plantene fra de to lysbehandlingene. Vekstkomponentanalysen viste at sistnevnte var forårsaket av motsatte effekter på assimilasjonshastighet og spesifikt bladareal (SLA) i de to gruppene. En lavere assimilasjonshastighet ble forklart med høyere mørkerespirasjon og potensielt mer rotvekst og/eller kortere petioler i plantene dyrket med 30% sammenliknet med 10% BL, og tilsvarende kunne høyere SLA forklares med tynnere blader og/eller med lavere tetthet. Til slutt, det høyeste vannforbruket ble målt i plantene dyrket under 30% BL, noe som antakelig kun skyldtes en direkte effekt på spalteåpningene. Som en konsekvens hadde disse plantene også den laveste vannforbrukseffektiviteten, men kun ved lave lysnivåer på grunn av en høy fotosyntese ved høye lysnivåer.

Med en bedre forståelse av fysiologiske og morfologiske effekter av BL kan resultatene i denne oppgaven brukes som et grunnlag for videre forskning for å kartlegge den optimale andelen BL i ulike produksjonsstadier, fra produksjon av frøplanter til fruktbærende planter, og i ulike produksjonssystemer som topp- og mellombelysning.

Blue light (BL) affects plant growth and development in many ways, and cucumber (Cucumis sativus) is a species known to be particularly sensitive to light quality. The objective of this thesis was to better understand how different proportions of BL affect assimilation, growth, morphology, and water usage in cucumber seedlings. The cultivar ‘Hi Light’ was exposed to two fractions of BL, either 10% or 30% (of photosynthetic active radiation), in controlled environment chambers with 23, 60% relative humidity and a photosynthetic photon flux density of 235 mol m-2 s-1. The duration of the experiment was sixteen days. The effects on assimilation were investigated with single-leaf measurements of photosynthetic rate, photosynthetic pigments, and carbohydrate status – specifically the concentration of starch and soluble sugars in source leaves. Biomass and morphological traits were measured and used in an analysis of growth components. Water usage was measured on the whole-plant level, its underlying mechanism investigated by calculating the stomatal density, and the water-use efficiency was estimated based on photosynthetic rate and stomatal conductance on a single-leaf level.

Plants grown with 30% BL had a higher photosynthetic capacity, higher concentrations of chlorophyll a and b, and a considerably lower concentration of starch than plants grown with 10% BL. There was also a trend for higher concentrations of soluble sugars in plants acclimated to 30% BL, but only that of raffinose was statistically significant. Shoot length, total leaf area and relative growth rate (RGR) were similar between both treatments. Growth analysis revealed that the latter was due to opposite effects on net assimilation rate (NAR) and specific leaf area (SLA) between treatments. In plants grown with 30% compared to 10% BL, lower NAR was explained by a higher dark respiration and possibly enhanced root growth and/or shorter petioles, while higher SLA was due to thinner and/or less dense leaves. Finally, 30% BL resulted in the highest water usage, and this was likely due to instantaneous rather than acclimatory effects on stomata. Consequently, the 30% BL treatment resulted in the lowest water-use efficiency, but only at low irradiances due to high photosynthesis at high irradiances.

With a better understanding of the physiological and morphological responses to BL, the results presented here can be used as a foundation for further research to find the optimal fraction of BL in different stages of the crop, from seedlings to fruiting crops of cucumber, and in different production systems such as top- and interlighting.