Vyvážená chuť, výživa a úroda plodín pomocou expozície UV žiareniu

Počas leta si pripomíname, že slnečné svetlo môže byť škodlivé. Používame opaľovacie krémy a nosíme slnečné okuliare so sklíčkami s ultrafialovými (UV) blokátormi. Zakrývame sa, pretože vieme, že slnečné UV žiarenie môže byť škodlivé pre živé bunky; niektoré z nich môže dokonca zabiť.

Slnečné svetlo zahŕňa vlnové dĺžky mimo viditeľného spektra: svetlo s dlhšími vlnovými dĺžkami [> 700 nm, ďaleko červené a infračervené (IR) svetlo] a svetlo s kratšími vlnovými dĺžkami (<400 nm alebo UV svetlo). Pri vlnovej dĺžke pod 400 nm sa UV žiarenie stáva energetickejším, čím sa vlnová dĺžka znižuje a schopnosť UV žiarenia narušiť chemické väzby sa naopak postupne zvyšuje. Kvôli zmenám v týchto chemických účinkoch sa rozsahy vlnových dĺžok UV žiarenia typicky rozdeľujú na pásma UV-A (400 - 315 nm), UV-B (315 - 280 nm) a UV-C (280 - 100 nm). Pretože horná atmosféra Zeme absorbuje takmer celé UV spektrum svetla pri vlnových dĺžkach kratších ako 300 nm, na povrchu zvyčajne uvažujeme biochemické vplyvy UV svetla s vlnovými dĺžkami medzi 300 a 400 nm, pokiaľ ide o živé organizmy.

Pochopenie dopadov pozemského UV žiarenia na rastliny a zvieratá môže byť komplikované. Zatiaľ čo UV-B svetlo (315 nm a kratšie) môže spôsobiť väčšie poškodenie exponovaného tkaniva (napr. spálenie od slnka), absorbuje sa priamo na povrchu. UV-A žiarenie sa stáva menej škodlivým pre exponované tkanivo, čím sa vlnová dĺžka predlžuje, ale taktiež preniká hlbšie do exponovaného tkaniva, čo vytvára ďalšie fotochemické účinky. Tieto účinky ovplyvňujú všetky exponované živé tkanivá.

Rastliny vyvinuli rozsiahle biochemické prostriedky na riadenie účinkov všetkého svetla dopadajúceho na zemský povrch zo slnka. Sú to odborníci na snímanie a používanie rôznych vlnových dĺžok svetla. Napríklad najznámejší vegetatívny pigment, chlorofyl, absorbuje hlavne modré a červené spektrum a prostredníctvom fotosyntézy premieňa fotóny na biochemickú energiu (molekuly cukru). Iné molekuly pigmentu absorbujú svetlo v časti spektra s kratšou vlnovou dĺžkou. Rastliny vidia svetlo pomocou špecializovaných proteínov a rastlinné fotoreceptory sú špecifické pre rôzne vlnové dĺžky, ako sú fytochrómy pre červené a kryptochrómy pre detekciu modrého svetla. Bol identifikovaný jeden UV receptor - UVR8, ktorý detekuje UVB svetlo - ale ešte stále sa musí veľa preskúmať, pokiaľ ide o molekulárne vnímanie UV svetla v rastlinách.

Snímanie UV svetla je dôležité pre rast a vývoj rastlín. Napríklad vo fáze semenáčikov musí byť orientácia rastu zameraná na optimálne zachytenie svetla, distribúciu vlnových dĺžok a fotosyntézu. V kontrolovanom prostredí poľnohospodárstva (CEA) existujú ďalšie vplyvy. Rastliny pestované v skleníkoch dostávajú filtrované slnečné svetlo, pretože ultrafialové svetlo kratšie ako asi 350 nm neprechádzacez sklo alebo plastické materiály a neprítomnosť vlnových dĺžok medzi 300 a 350 nm môže mať rôzne dopady na rastliny buď priame alebo tým, že spôsobí zmeny vo vývoji iných organizmov (napr. hmyz, mikróby, huby) v ich ekosystéme.

UV svetlo môže indukovať biosyntézu sekundárnych metabolitov, ako sú flavonoidy. Táto biochemická reakcia je primárne obranným mechanizmom, pretože farebné flavonoidy, ako sú antokyány, zachytávajú UV žiarenie, a preto pôsobia ako ochranné látky pred škodlivými lúčmi. Zároveň sa zmení chuť ovocia alebo listu, ale často žiadúcim spôsobom, ako zvýšením príjemnej arómy v rajčiakoch alebo zníženie horkosti šalátu.

Ďalšími zlúčeninami reagujúcimi na stres, ktoré prispievajú k chemotypu rastliny sú terpenoidy, ktoré sú tiež dôležité pre arómu a pigmentáciu rastlín a ich plodov. Všeobecne sa predpokladá, že sekundárne metabolity zlepšujú výživovú kvalitu plodiny, predovšetkým vďaka antioxidačným a antimikrobiálnym vlastnostiam týchto zlúčenín.

Vývoj LED osvetlenia v CEA poskytuje príležitosť na pridanie UV LED svetla do režimu pestovania svetla, ale štúdie o tom, či doplnkové osvetlenie UV môže zlepšiť arómu a chuť zeleniny, sú stále v plienkach. Posledné správy, ako napríklad „Manipulácia so senzorickými a fytochemickými profilmi skleníkových rajčiakov s použitím environmentálne významných dávok ultrafialového žiarenia“ (august 2016) a „Zmeny kvality morfológie, antioxidačnej kapacity a prchavej výroby v sladkej bazalke (Ocimum basilicum) závislé od kvality svetla“ (september 2016) našli, že niektoré bylinky (napr. bazalka) a paradajky dosiahli zlepšenú chuť z doplnkového UV žiarenia.

Pri aplikácii doplnkového ultrafialového žiarenia v pestovateľskom zariadení môžu, samozrejme, vzniknúť ďalšie otázky. Potrebujú rastliny nepretržitú expozíciu, aby sa dosiahla vyššia kvalita výslednej plodiny? Môžu rastliny dosiahnuť správnu zmes chuti, živín a veľkosti? Môžu sa vyskytnúť aj ďalšie obavy týkajúce sa bezpečnosti - koľko vystavenia UV žiareniu je pre pracovníkov zariadenia bezpečné, ak sa v procese CEA vyžaduje UV svetlo? Už vieme, že príliš veľká expozícia UV-B môže spôsobiť závažné problémy s očami a pokožkou.

Budúce štúdie v LESA (Centrum svetlených systémov a aplikácií osvetlenia v Rensselaer Polytechnic Institute) pomôžu rozobrať účinok rôznych vlnových dĺžok UV svetla na kvalitu produktov, chuť, výživu, biomasu a úrodu plodín s cieľom vyrábať produkty CEA s vyššou hodnotou, o čo sa tím oddelenia vedy o rastlinách LESA snaží.