Beschleunigung des Pflanzenwachstums durch transparentes Eu3+

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 17155 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Stimulierung der Photosynthese ist eine Strategie zur Erreichung einer nachhaltigen Pflanzenproduktion. Rotes Licht ist für das Pflanzenwachstum nützlich, da es von Chlorophyllpigmenten absorbiert wird, die natürliche Photosyntheseprozesse in Gang setzen. Materialien, die die Wellenlänge von Ultraviolett (UV) in Rot umwandeln, sind vielversprechende Kandidaten für umweltfreundliche Pflanzenkulturen, die keinen Strom benötigen. In dieser Studie wurden transparente Filme, die mit einem UV-zu-Rot-Wellenlängenumwandlungsleuchtstoff, dem Eu3+-Komplex, ausgestattet waren, auf kommerziell erhältlichen Kunststofffolien für Pflanzenwachstumsexperimente hergestellt. Die vorliegenden Eu3+-basierten Filme absorbieren UV-Licht und zeigen unter Sonnenlicht eine starke rote Lumineszenz. Eu3+-beschichtete Folien sorgen für eine deutliche Wachstumsbeschleunigung mit zunehmender Größe und Biomasseproduktion für Pflanzenkulturen und Bäume in einer nördlichen Region. Die mit Eu3+-beschichteten Filmen kultivierten Pflanzen hatten eine 1,2-fache Höhe und eine 1,4-fache Gesamtkörperbiomasse als die Kulturen ohne die Eu3+-Luminophore. Der vorliegende Film kann den Pflanzenbau in der Land- und Forstwirtschaft fördern.

Nachhaltige wissenschaftliche und technologische Entwicklungen für die zukünftige Pflanzenproduktion gehören zu den wichtigsten Herausforderungen im Zusammenhang mit der Bereitstellung ausreichender globaler Nahrungsmittel und Bioenergie im Hinblick auf das Wachstum der Weltbevölkerung, das bis 2050 voraussichtlich fast neun Milliarden Menschen erreichen wird1,2,3,4. Die Stimulierung der Photosynthese ist eine vielversprechende Strategie zur Beschleunigung des Pflanzenwachstums und der Biomasseproduktion5,6. Lichtenergie wird von natürlichen photosynthetischen Organismen wie höheren Pflanzen, Algen und photosynthetischen Bakterien benötigt. In der Anfangsphase der Photosynthese absorbieren Chlorophyllpigmente Sonnenlicht und nutzen die Photonenenergie der Sonne für die Produktion von Bioressourcen7. Insbesondere Landpflanzen enthalten die Chlorophyll-a- und b-Pigmente in Lichtsammelantennen und Reaktionszentrumsgeräten, die sichtbares Licht im Roten (Qy-Band: 600–700 nm) und Blau (Soret-Band: 400–450 nm) absorbieren. Regionen. Die effektiven Wellenlängen für die Photosynthese stimmen gut mit den Absorptionsbanden überein. Die Lichtfarbe beeinflusst auch Pflanzenwachstum, Produktivität, Morphologie und Physiologie8,9,10. Die photosynthetischen Aktionsspektren haben gezeigt, dass rotes Licht zur Anregung im Qy-Band die höchste photosynthetische Quantenausbeute liefert11.

Sonnenlicht ist eine nachhaltige Energiequelle, umfasst jedoch auch ultraviolettes (UV) Licht, das im energiereichen Wellenlängenbereich (200–400 nm) liegt. Verschiedene Pflanzen reagieren auf UV-Licht12,13,14. Insbesondere UV-A-Licht (320–400 nm) beeinflusst nicht nur die Photohemmung des Photosystems (PS)-II15, sondern auch die Erhöhung der Photosyntheserate16. Es ist bekannt, dass UV-B (295–320 nm) eine Schädigung der DNA induziert15. Daher ist die Beschattung der Pflanzen vor UV-Licht der Sonne eine der Schlüsselstrategien zur Unterdrückung von Photoinhibition und Photoschäden an den Pflanzen. Die in Gewächshäusern verwendeten Kunststofffolien enthalten UV-blockierende Materialien. Die UV-blockierenden Moleküle wandeln UV-Licht in Wärmeenergie um. Im letzten Jahrzehnt wurde berichtet, dass wellenlängenkonvertierende Materialien (WCM) das UV-Licht für den Pflanzenanbau in rotes Licht umwandeln17,18,19,20,21. Der Einsatz von WCMs unter Sonnenlicht kann vorteilhaft sein, um das UV-Licht der Sonne zu filtern und rotes Licht für eine effiziente Photosynthese bereitzustellen. Die WCMs können eine nachhaltige Land- und Forstwirtschaft fördern, ohne Strom zu verbrauchen, wie dies bei Pflanzenfabriken der Fall ist, die mit LED-Geräten ausgestattet sind. Das dreiwertige Europium (Eu3+)-Luminophor ist ein vielversprechender Kandidat für nachhaltiges UV-zu-Rot-WCM22,23,24. Der Eu3+-Komplex zeigt eine starke rote Lumineszenz, basierend auf den 4f–4f-Übergängen durch die Anbindung organischer Liganden. Das Eu3+-Luminophor mit einem Photosensibilisator (Hexafluoracetylacetonato: hfa) und einem Stabilisator (Triphenylphosphinoxid: TPPO), [Eu(hfa)3(TPPO)2] (Abb. 1a und ergänzende Abb. S1), zeigt eine hohe Umwandlungseffizienz durch UV zu rotem Licht (Emissionsquantenausbeute ≃ 70 %) mit nahezu keinen Absorptionsbanden im Bereich des sichtbaren Lichts25. Dieses Material ist auch beim Erhitzen auf 200 °C26 und unter UV-Lichtbestrahlung27 stabil. Kürzlich haben wir berichtet, dass ein Eu3+-Komplex mit Tris(2,6-dimethoxyphenyl)phosphinoxid (TDMPPO, Abb. 1a und ergänzende Abb. S1) unter UV-Lichteinwirkung eine transparente amorphe Farbe mit roter Lumineszenz erzeugt .

Transparente UV-zu-Rot-WCM-Folie, ausgestattet mit einem Eu3+-Luminophor. (a) Schematische Darstellung der Beschleunigung des Pflanzenwachstums unter Verwendung eines WCM-Films (links) und molekularer Strukturen von [Eu(hfa)3(TPPO)2] und TDMPPO (rechts). (b) Fotos von Landwirtschaftsfolien, die mit oder ohne WCM unter Tageslicht (oben) und UV-Bestrahlung (unten) bemalt wurden. (c) Sonnenspektren ohne (schwarze Linie) und mit WCM-Film (durchgezogene Farben).

In dieser Studie haben wir zunächst die Beschleunigung des Pflanzenwachstums mithilfe eines neuartigen transparenten UV-zu-Rot-WCM mit einem stark lumineszierenden Eu3+-Komplex für die Land- und Forstwirtschaft unter Sonnenlicht der Gewächshausbedingungen demonstriert (Abb. 1a). Der transparente UV-zu-Rot-WCM-Film wurde durch Auftragen einer Mischung aus Luminophor [Eu(hfa)3(TPPO)2] und dem amorphen Reagens TDMPPO auf eine im Handel erhältliche Kunststoffabdeckungsfolie für Pflanzenwachstumsexperimente hergestellt. Die mit Eu3+ bemalten WCM-Filme förderten das Größenwachstum und die Biomasseproduktion von Pflanzen und Bäumen erheblich.

Als UV-zu-Rot-WCM wurde ein stark lumineszierender Eu3+-Komplex, [Eu(hfa)3(TPPO)2], verwendet. Die amorphe Bildung von [Eu(hfa)3(TPPO)2] wurde mittels Pulverröntgenbeugung (PXRD) analysiert. Die PXRD-Muster von [Eu(hfa)3(TPPO)2] und TDMPPO zeigten aufgrund der Kristallinität der Verbindungen spezifische Peaks (ergänzende Abbildung S2). [Eu(hfa)3(TPPO)2] und TDMPPO im Molverhältnis 1:2 wurden in Dichlormethan gelöst und eingedampft, um einen gemischten Feststoff zu ergeben. Die erhaltene Mischung zeigte breite PXRD-Signale, was darauf hinweist, dass die Mischung eine amorphe Phase bildete (ergänzende Abbildung S2).

Eine Mischung aus [Eu(hfa)3(TPPO)2] und TDMPPO wurde auf eine kommerziell erhältliche Abdeckfolie vom Polyolefintyp (Dicke: 0,1 mm, CI Takiron Co., Osaka, Japan) aufgetragen. Der lackierte Film schien unter UV-Bestrahlung klare Transparenz und leuchtend rote Lumineszenz aufzuweisen (Abb. 1b). Die konfokale Laser-Scanning-Mikroskopanalyse ergab, dass die Dicke des lackierten Films etwa 60 µm betrug (ergänzende Abbildung S3). Das amorphe WCM auf Eu3+-Basis auf der polyolefinartigen Folie wurde dem Sonnenlicht ausgesetzt. Der WCM-Film zeigt eine charakteristische Eu3+-Lumineszenz bei 614 nm und Absorption im UV-Bereich (Abb. 1c). Die Intensität des Sonnenlichts im sichtbaren Bereich wurde nicht verringert. Diese Ergebnisse zeigten, dass der mit einem amorphen Eu3+-Komplex bedeckte Film als UV-zu-Rot-WCM ohne Tageslichtunterdrückung fungierte. Darüber hinaus hatte der WCM-Film nur einen geringen Einfluss auf die Temperatur der Pflanzenoberfläche unter Sonnenlicht (ergänzende Abbildung S9).

Die photophysikalischen Eigenschaften der lackierten UV-zu-Rot-WCM-Filme wurden mithilfe spektroskopischer Techniken detailliert bewertet. Die UV-Vis-Absorptionsspektren des WCM-Films zeigten eine π-π*-Übergangsbande bei 298 nm, die den hfa-Liganden zugeschrieben wurde (Ergänzende Abbildung S5). Das Lumineszenzspektrum des WCM-Films unter UV-Bestrahlung zeigte charakteristische Emissionspeaks des Eu3+-Komplexes bei 578, 592, 614, 650 und 699 nm, die den 4f–4f-Übergängen entsprechen, die von 5D0 → 7FJ (J = 0, 1) abgeleitet sind , 2, 3 und 4) (Ergänzende Abbildung S6). Das bei der 614-nm-Emission detektierte Anregungsspektrum des WCM-Films zeigte auch eine π-π*-Übergangsbande bei 298 nm, die dem UV-Vis-Absorptionsspektrum des WCM-Films ähnelte (ergänzende Abbildung S7). Die Lumineszenzlebensdauer des amorphen Eu3+-Komplexes wurde auf 0,81 ms geschätzt (Ergänzende Abbildung S8). Basierend auf diesen photophysikalischen Daten wurde die Quanteneffizienz der 4f–4f-Übergänge mit 64 % berechnet (Ergänzungstabelle S1). Die Strahlungs- und Nichtstrahlungskonstanten des amorphen Eu3+-Komplexes wurden zu 7,9 × 102 bzw. 4,4 × 102 s−1 berechnet (Ergänzungstabelle S1). Die photophysikalische Leistung des mit Eu3+ beschichteten WCM-Films war ähnlich der des ursprünglichen [Eu(hfa)3(TPPO)2]-Pulvers. Für die Pflanzenwachstumsexperimente wurde erfolgreich ein hell leuchtender Eu3+-lackierter UV-zu-Rot-WCM-Film hergestellt. Die photophysikalischen Eigenschaften des WCM-Films nach den Pflanzenkulturexperimenten wurden auch mit den oben genannten spektroskopischen Methoden analysiert (Ergänzungsabbildungen S4, S6 und S8 sowie Ergänzungstabellen S1 und S2). Die verwendeten WCM-Filme zeigten unter UV-Lichtbestrahlung immer noch rote Lumineszenz (ergänzende Abbildung S4).

Der WCM-Film wurde für Pflanzenwachstumsexperimente an pflanzlichen Nutzpflanzen unter Sonnenlicht verwendet (Abb. 2a). Zehn Mangoldpflänzchen wurden im Sommer und Winter hydroponisch mit und ohne WCM-Folien kultiviert. Im Sommer erreichte der Mangoldanbau die für die Ernte erforderliche Pflanzengröße in 22 Tagen, im Winteranbau dauerte es jedoch 60 Tage, bis er die für die Ernte erforderliche Pflanzengröße erreichte (Abb. 2b). Der Unterschied im Erntealter ergibt sich aus der Umgebungstemperatur während der Saison. Die Pflanzenhöhe bei der Ernte kann durch zerstörungsfreie Inspektion überwacht werden und zeigt eine enge Korrelation mit dem Ertrag im Sommer und Winter unabhängig voneinander (Abb. 2c). Im Winter war die Wuchshöhe des mit WCM-Folie kultivierten Mangolds um das 1,2-fache höher als ohne Folie. Die Wirkung des WCM-Films blieb während des Versuchszeitraums (63 Tage) bestehen. Die gesamte Körperbiomasse stieg für den geernteten Mangold, der im Winter mit der WCM-Folie kultiviert wurde, um das 1,4-fache gegenüber der ohne WCM-Folie (Abb. 2d). Im Sommer war die Wuchshöhe des mit WCM-Folie kultivierten Mangolds ähnlich hoch wie ohne WCM-Folie. Der spezifische Effekt von WCM-Filmen auf die Gesamtkörperbiomasse wurde im Sommer ebenfalls nicht beobachtet. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die WCM-Folie gezielt das Pflanzenwachstum im Winter fördert. Obwohl das Pflanzenwachstum im Winter normalerweise unterdrückt wird, beschleunigt die WCM-Folie das Pflanzenwachstum auch bei schwacher Sonneneinstrahlung, kurzen Tageszeiten und niedrigen Umgebungstemperaturen. Der WCM-Film steigerte den Ertrag von Blattgemüse im Vergleich zu früheren Berichten23,24 auf eine marktfähige Größe. Wir gehen davon aus, dass die effektive Beschleunigung des Pflanzenwachstums durch die WCM-Folie auf die Akkumulation von rotem Licht während der langfristigen Pflanzenkultivierung zurückzuführen ist.

Kultur- und Wachstumsanalyse von Mangold. (a) Foto einer hydroponischen Kultur von Mangold, bedeckt mit WCM-Folie. (b) Pflanzenhöhen von hydroponisch kultiviertem Mangold. (c) Aus den Daten berechnete Zusammenhänge zwischen der Pflanzenhöhe und dem Blattertrag zum Erntezeitpunkt im Sommer und Winter. (d) Gesamtpflanzenbiomasse von hydroponisch kultiviertem Mangold. Die Pflanzenhöhe stellt den Durchschnitt ± Standardfehler dar (n = 10). Die Symbole * und † stellen die Signifikanz bei 5 % und 10 % des Student-t-Tests dar.

Japanische Lärchen wurden mit WCM-Folien unter Sonnenlicht kultiviert. Während einer Vegetationsperiode für Setzlinge japanischer Lärchen wurde die Leistung des WCM-Films als Beschleuniger des anfänglichen Wachstums einer mehrjährigen Pflanze in einem Kulturexperiment bewertet (Abb. 3a). Drei Monate nach der Aussaat (3. Juni 2021) beobachteten wir deutlich höhere Wuchshöhen der Lärchensämlinge. Die Größe der Sämlinge mit den WCM-Folien war bis zum Ende der Vegetationsperiode, dem 22. Oktober 2021, größer als die ohne Folien (Kontrolle) (Abb. 3b). Die relative Wachstumsrate (RGR) in der Kultur mit dem WCM-Film war bis Ende Juni deutlich höher als die ohne WCM. Wir haben im Sommer und Herbst keinen drastischen Unterschied zwischen der RGR mit und ohne WCM-Filme beobachtet (Abb. 3c). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die WCM-Folien das Höhenwachstum und die Beschleunigung des Anfangswachstums japanischer Lärchen positiv beeinflussten. Am Ende des Kultivierungsversuchs war der Durchmesser des Stängels auf Bodenoberflächenniveau bei Sämlingen unter WCM-Folie 1,2-fach größer als bei Sämlingen unter unbehandelten Folien (3,70 ± 0,20 vs. 4,51 ± 0,21 mm [± SE]; Student's t -Test, P < 0,001). Die Gesamtbiomasse der Sämlinge war bei Sämlingen unter WCM-Folie um das 1,4-fache höher, mit deutlichen Zuwächsen bei dicken Wurzeln, Zweigen, Stängeln und Blättern (Abb. 3d). Bei Verwendung der WCM-Filme konnte deutlich ein drastischer Anstieg der Größe und Biomasse beobachtet werden. Durch die Kultivierung mit WCM-Folien könnte die Keimlingsgröße einer einjährigen Lärche den Standardrang für verfügbare Pflanzungen in der Forstwirtschaft von Hokkaido, Japan, erreichen (> 25 cm Keimlingshöhe und > 4 mm Durchmesser). Die WCM-Folien können die Wachstumsphase von Sämlingen von zwei auf ein Jahr verkürzen und so zu einer kostengünstigen Produktion beitragen.

Wachstum japanischer Lärchensämlinge unter UV-zu-Rot-WCM-Folie. (a) Foto eines 4 Monate alten japanischen Lärchensetzlings, der unter UV-zu-Rot-WCM-Folie und unbehandelter Folie (Kontrolle) gewachsen ist. (b) Saisonale Änderung der Sämlingshöhe. (c) Saisonale Änderung der RGR. RGR wurde durch natürlichen Logarithmus pro Woche normalisiert. Offene und geschlossene Kreise bezeichnen Behandlungen der Kontroll- bzw. WCM-Filme. Fehlerbalken geben den Standardfehler an. Die statistische Signifikanz wurde in jedem Monat durch den Student-t-Test untersucht (n = 81 und 70, †P < 0,1, *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001). (d) Trockengewicht von Feinwurzeln, Dickwurzeln, Stängeln und Zweigen sowie Blättern. Fehlerbalken geben den Standardfehler der Gesamtbiomasse an. Die statistische Signifikanz wurde für jedes Organ und den gesamten Körper durch den Student-t-Test (n = 38 und 36) untersucht.

Durch die amorphe Bildung eines stark lumineszierenden Eu3+-Komplexes wurde ein neuartiger UV-zu-Rot-WCM-Film hergestellt. Der vorliegende WCM-Film beschleunigt die Größen- und Biomassezunahme von Pflanzen und Bäumen unter Sonnenlicht. WCM lässt sich leicht auf eine handelsübliche Kunststofffolie auftragen und seine UV-zu-Rot-Umwandlung erfolgt durch Sonnenlichteinstrahlung ohne jeglichen Strom. Somit kann die WCM-Folie die Zeitspanne der Pflanzenproduktion verkürzen und eine kostengünstige und umweltfreundliche Pflanzenwachstumsförderung für die Land-, Garten- und Forstwirtschaft ermöglichen. Es ist auch wichtig, in Zukunft mithilfe von WCM-Folien die wirksamen Pflanzenarten zur Wachstumsbeschleunigung und Biomasseproduktion zu untersuchen. Diese Lackiertechnik mit WCM kann für Anwendungen in Glasgewächshäusern nützlich sein. Der Eu(hfa)3(TPPO)2-Luminophor ist im Handel erhältlich, und außen bemalte WCM-Filme wurden nicht direkt mit Pflanzen verbunden. In unseren Experimenten wurde festgestellt, dass die Dicke des lackierten Films 60 μm beträgt. Der Absorptionskoeffizient des Eu3+-Komplexes im UV-Bereich wird auf etwa 30.000 cm−1 M−1 bei 310 nm geschätzt. Die Lackdicke dieses WCM reicht für eine effektive Absorption von UV-Licht aus. Das Überstreichen mit WCM kann sich positiv auf das Pflanzenwachstum auswirken. Zukünftige Luminophorstudien und Lackiertechnologien versprechen, UV-zu-rote WCM-Filme mit hoher Haltbarkeit, Langlebigkeit, hoher Quantenausbeute, niedrigen Kosten und geeigneter Dicke für die Pflanzenkultur bereitzustellen. Wir glauben auch, dass die UV-zu-Rot-WCM-Technologie zu den Zielen der nachhaltigen Entwicklung (SDGs) beitragen kann: SDG2 (Kein Hunger), SDG7 (bezahlbare und saubere Energie), SDG9 (Industrie, Innovation und Infrastruktur) und SDG15 (Leben weiter). Land).

UV-zu-Rot-WCM, [Eu(hfa)3(TPPO)2] (Lumisis E-300, CentralTechno Co., Osaka, Japan), wurde ohne weitere Reinigung verwendet. Das amorphe Reagens TDMPPO wurde gemäß einem beschriebenen Verfahren28 aus im Handel erhältlichem Tris(2,6-dimethoxyphenyl)phosphin (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., Tokio, Japan) hergestellt. Die Lösungsmittel wurden von Kanto Chemical Co. gekauft und ohne weitere Reinigung verwendet. Als landwirtschaftliche Kunststoffabdeckungsfolie wurde eine Folie vom Polyolefintyp (Coating 5 + 1, Dicke: 0,1 mm, CI Takiron Co., Osaka, Japan) verwendet. Die UV-zu-Rot-WCM-Filme wurden durch Auftragen einer Dichlormethanlösung bestehend aus [Eu(hfa)3(TPPO)2] (20 mM) und TDMPPO (40 mM) auf Kunststofffolien vom Polyolefintyp hergestellt.

Das UV-Vis-Absorptionsspektrum wurde im Transmissionsmodus mit einem JASCO V-670-Spektrophotometer gemessen. Die Lumineszenz- und Anregungsspektren wurden mit einem HORIBA Fluorolog-3-Spektrofluorometer aufgezeichnet und hinsichtlich der Reaktion des Detektorsystems korrigiert. Die Lumineszenzlebensdauern wurden unter Verwendung der dritten Harmonischen (355 nm) eines gütegeschalteten Nd:YAG-Lasers (Spectra Physics, INDI-50, FWHM = 5 ns, λ = 1064 nm) und eines Photomultipliers (Hamamatsu Photonics, R5108, Antwort) gemessen Zeit ≤ 1,1 ns). Die Reaktion des Nd:YAG-Lasers wurde mit einem digitalen Oszilloskop (Sony Tektronix, TDS3052, 500 MHz) überwacht, das mit der Einzelimpulsanregung synchronisiert war. Die Emissionsquantenausbeuten (Anregungswellenlänge: 330 nm) für die WCM-Filme wurden mit einem JASCO F-6300-H-Spektrometer gemessen, das an eine Ulbrichtkugel-Einheit JASCO ILF-533 (Φ = 100 mm) in Luft angeschlossen war. Die Sonnenstrahlungsspektren wurden mit einem Ocean Photonics USB4000-Spektrophotometer aufgenommen. Die PXRD-Daten wurden auf einem Rigaku SmartLab-Diffraktometer mit Cu-Kα-Strahlung und einem D/teX Ultra-Detektor aufgezeichnet. Die konfokale Rasterlasermikroskopie wurde mit einem Keyence VK-8710 mit einem 658-nm-Laser durchgeführt. Die Temperatur der Pflanzenoberfläche wurde mit einer Infrarotkamera (NS9500, InfReC, Nippon Avionics Co. Ltd., Kanagawa, Japan) gemessen.

Als Versuchsmaterial wurde die Mangoldsorte „Bietola Bianco“ (Beta vulgaris var. cicla (L.) K.Koch) verwendet. Die hochfunktionelle Sorte hat grüne Blätter und weiße Stiele, die für hydroponische Kultursysteme geeignet sind.

Als Versuchsmaterial wurde die Japanische Lärche (Larix kaempferi (Lamb.) Carr.) verwendet. Diese Art ist lichthungrig und wächst im Vergleich zu anderen Nadelbäumen relativ schnell. Lärchenarten sind wichtige Forstbäume in der nördlichen Biosphäre.

Das Kultivierungsexperiment wurde in einem Gewächshaus im Forschungs- und Bildungszentrum für robuste Land-, Forst- und Fischereiindustrie der Hokkaido-Universität in Sapporo, Nordjapan (43°04′N, 141°20′E, 15 m ü.M.) durchgeführt.

Vor der Aussaat wurden alle Samen (TOKITA SEED Co., Ltd., Saitama, Japan) 30 Sekunden lang mit 70 % Ethanol sterilisiert und mit sterilisiertem destilliertem Wasser gespült. Die Samen wurden mehrere Tage lang im Dunkeln auf nassem Filterpapier in einem Inkubator bei 25 °C gekeimt. Nach 80 % Samenkeimung wurden die Sämlinge auf Polyurethanschäume übertragen und anschließend in einem Hydrokultursystem unter Verwendung der Nährfilmtechnik (NFT) in einem Gewächshaus gepflanzt. Die Wurzel wurde in eine hydroponische Lösung getaucht (garantiert lösliche Verbindungen: N, 80 mg L−1; P, 76 mg L−1; K, 188 mg L−1; Mg, 20 mg L−1; Mn, 0,54 mg L). −1; B, 1,1 mg L−1, 500-fach verdünnte Lösung von Hyponica (Kyowa Co., Ltd., Osaka, Japan). Der pH-Wert und die elektrische Leitfähigkeit (EC) wurden auf 6,5–6,8 und 1,8–2,4 mS·cm eingestellt −1. Die Temperatur der Hydrokulturlösung wurde auf 18–22 °C geregelt. Die Hydrokulturkultur wurde zweimal durchgeführt: das Sommerexperiment von September 2018 bis Oktober 2018 und das Winterexperiment von Oktober 2018 bis Januar 2019.

Um die Reaktionen der Pflanzen auf WCM zu bewerten, wurde eine einfache, mit WCM-Folie abgedeckte Umgebung geschaffen, mit Ausnahme der Kontrollbehandlung ohne Folienabdeckung (Kontrolle). Für jede Behandlung wurden zehn Pflänzchen kultiviert und geerntet, als ihre Pflanzenhöhe 20 cm erreichte.

Die Pflanzenhöhe wurde als maximale Länge dargestellt, berechnet aus der Summe von Blattspreite und Blattstiel, und wurde alle 1–2 Wochen gemessen. Bei der Ernte wurde die gesamte Körperbiomasse über dem Boden des Mangolds gewogen. Die Daten für jede Wiederholung wurden als Durchschnittswert für die Pflänzchen berechnet. Das Experiment wurde in einem randomisierten Blockdesign angeordnet. Statistische Analysen, einschließlich Student-t-Test und Pearson-Korrelationskoeffizienten, wurden mit Statcel4 (OMS, Tokio, Japan) durchgeführt, einem Add-in-Formular in Microsoft Excel 2004 für Mac.

Um das Pflanzenwachstum als Reaktion auf WCM zu bewerten, wurden im Gewächshaus zwei Arten von Parzellen angelegt, die mit WCM-Folie und Nicht-WCM-Folie (Kontrolle) bedeckt waren. Die WCM- und Kontrollparzellen wurden dreimal wiederholt, um sechs Parzellen auf einer Linie zu bilden. Vor der Aussaat der japanischen Lärche wurden alle in der Stadt Yubetsu, Hokkaido, Japan, gesammelten Samen (Mutterbaum-ID: S199) gut gewaschen und einen Monat lang einer Kaltschichtung bei 4 °C unterzogen. Die Plastiktöpfe (330 ml mit Innenrippen und Schlitzen, HSK330, Hokkaido Forest Seeds and Seedling Cooperative Association) wurden mit einer handelsüblichen Bodenmischung (Kokostorf : Kanuma-Erde = 4:1 (Vol./Vol.)); pH-Wert gefüllt 6,0, EC = 0,2 mS cm−1, N = 500 mg L−1, P = 900 mg L−1, K = 750 mg L−1; Container-Sämlingserde, Top Co., Ltd, Osaka, Japan), ausreichend mit Leitungswasser benetzt. Ende Februar wurden die Samen einzeln in Topferde gesät, die mit einer dünnen Erdschicht bedeckt war. Der automatische Sprühnebel mit Leitungswasser wurde zweimal täglich am frühen Morgen und am Abend für 5 Minuten im Frühling und Herbst oder 10 Minuten im Sommer bewässert. Im April wurden 160 Setzlinge herangezogen. In jeder Parzelle waren die Positionen der Sämlingstöpfe vollständig randomisiert und rotiert. Eine zusätzliche Düngung mit einer 1000-fach verdünnten Lösung von HYPONeX (HYPONeX Japan Co., Ltd., Osaka, Japan) erfolgte vom 2. Juni bis August 2021 zehnmal wöchentlich.

Die Sämlingshöhe wurde monatlich von Juni bis Oktober 2021 gemessen. Der Stammdurchmesser wurde auf Bodenoberflächenniveau mit einem Messschieber mit einer Genauigkeit von 0,01 mm gemessen. Die Hälfte der Sämlinge wurde auf der Grundlage ihrer Größe gescreent, um in der Datenverteilung wieder aufzutauchen, und am Ende der Vegetationsperiode, dem 24. Oktober 2021, geerntet. Nach der Ernte wurden Blätter, Zweige, Stängel, dicke Wurzeln (> 2 mm Durchmesser), und Feinwurzeln (weniger als 2 mm) wurden jeweils über 3 Tage bei 70 °C getrocknet und das Trockengewicht gemessen. Der RGR der Sämlingshöhe wurde als Verhältnis der Höhe am Ende zur Anfangshöhe jeder Periode berechnet, normalisiert durch den natürlichen Logarithmus pro Woche. Die statistische Analyse wurde zu jedem Zeitpunkt mithilfe des Student-t-Tests durchgeführt.

Die Autoren bestätigen, dass alle Verfahren der Experimente, einschließlich der Sammlung von Pflanzenmaterialien und der Kultivierung der Pflanzen, den relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen entsprachen.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

Godfray, HCJ et al. Ernährungssicherheit: Die Herausforderung, 9 Milliarden Menschen zu ernähren. Wissenschaft 327, 812–818 (2010).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Lambin, EF & Meyfroidt, P. Globale Landnutzungsänderungen, wirtschaftliche Globalisierung und die drohende Landknappheit. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA. 108, 3465–3472 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Lowry, GV, Avellan, A. & Gilbertson, LM Chancen und Herausforderungen für die Nanotechnologie in der Agrartechnologie-Revolution. Nat. Nanotechnologie. 14, 517–522 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Shang, Y. et al. Anwendungen der Nanotechnologie im Pflanzenwachstum und Pflanzenschutz: Ein Rückblick. Molecules 24, 2558 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Ort, DR et al. Neugestaltung der Photosynthese, um den weltweiten Bedarf an Nahrungsmitteln und Bioenergie nachhaltig zu decken. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA. 112, 8529–8536 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Batista-Silva, W. et al. Technik verbesserte Photosynthese im Zeitalter der synthetischen Biologie. Pflanzenkommun. 1, 100032 (2020).

Artikel Google Scholar

Blankenship, RE Molecular Mechanisms of Photosynthese 2. Aufl. (Wiley, 2014).

Google Scholar

Folta, KM & Childers, KS Licht als Wachstumsregulator: Kontrolle der Pflanzenbiologie mit Festkörperbeleuchtungssystemen mit schmaler Bandbreite. HortScience 43, 1957–1964 (2008).

Artikel Google Scholar

Landi, M., Zivcak, M., Sytar, O. & Brestic, M. Plastizität von Prozessen und die Akkumulation von Sekundärmetaboliten in Pflanzen als Reaktion auf monochrome Lichtumgebungen: Eine Übersicht. Biochim. Biophys. Acta Bioenerg. 1861, 148131 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Rahman, MM et al. LED-Beleuchtung für hochwertiges und ertragreiches Pflanzenwachstum in geschützten Anbauumgebungen. Pflanzen 10, 2470 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Hogewoning, SW et al. Dynamik der photosynthetischen Quantenausbeute: Von Photosystemen zu Blättern. Pflanzenzelle 24, 1921–1935 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Huché-Thélier, L. et al. Lichtsignalisierung und Pflanzenreaktion auf blaue und UV-Strahlung: Perspektiven für die Anwendung im Gartenbau. Umgebung. Exp. Bot. 121, 22–38 (2016).

Artikel Google Scholar

Katsoulas, N., Bari, A. & Papaioannou, C. Pflanzenreaktionen auf UV-blockierende Gewächshausabdeckungsmaterialien: Eine Übersicht. Agronomie 10, 1021 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Roeber, VM, Bajaj, I., Rohde, M., Schmülling, T. & Cortleven, A. Licht wirkt als Stressor und beeinflusst abiotische und biotische Stressreaktionen in Pflanzen. Pflanzenzellumgebung. 44, 645–664 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Tyystjärvi, E. Photoinhibition des Photosystems II. Int. Rev. Cell Mol. Biol. 300, 243–303 (2013).

Artikel Google Scholar

Turnbull, TL, Barlow, AM & Adams, MA Photosynthetische Vorteile von Ultraviolett-A für Pimelea ligustrina, einen holzigen Strauch im subalpinen Australien. Oecologia 173, 375–385 (2013).

Artikel ADS Google Scholar

Hamada, K. et al. Auswirkungen von Filmen zur Umwandlung der spektralen Zusammensetzung und Pflanzenwachstumsregulatoren auf die Proliferation von Cymbidium protocorm like body (PLB)-Kulturen in vivo. Umgebung. Kontrollbiol. 48, 127–132 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Yoon, HI et al. Quantitative Methoden zur Bewertung der Umwandlungsleistung von Spektralumwandlungsfilmen und zum Testen der Pflanzenreaktionen unter simulierten Sonnenbedingungen. Hortisch. Umgebung. Biotechnologie. 61, 999–1009 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Simakin, AV, Ivanyuk, VV, Dorokhov, AS & Gudkov, SV Photokonversionsfolien aus Fluorpolymer für den Anbau landwirtschaftlicher Pflanzen unter Bedingungen unzureichender Sonneneinstrahlung. Appl. Wissenschaft. 10, 8025 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Gudkov, SV et al. Entwicklung und Anwendung von Photokonversions-Fluorpolymerfolien für Gewächshäuser in hohen oder polaren Breiten. J. Photochem. Photobiol. B. 213, 112056 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Wu, W. et al. Charakterisierung und Eigenschaften eines Sr2Si5N8:Eu2+-basierten Lichtumwandlungsfilms für die Landwirtschaft. J. Rare Earths 38, 539–545 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, D. et al. Polyactid/Poly(butylenadipat-co-terephthalat)/seltene Erden-Komplexe als biologisch abbaubare Lichtumwandlungsfolien für die Landwirtschaft. Polym. Adv. Technol. 30, 203–211 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, Z. et al. Einstufige Synthese eines Eu3+-modifizierten Celluloseacetatfilms und Lichtumwandlungsmechanismus. Polymere 13, 113 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, Z. et al. Lichtumwandlungsfilme aus Ethylzellulose/Seltenerdkomplexen und Untersuchungen zur Erkennung von saurem Regen. Makromol. Mater. Ing. 307, 2100630 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Hasegawa, Y. et al. Polymerdünne Filme, die einen Eu(III)-Komplex als Lanthanid-Lasermedium enthalten. Appl. Physik. Lette. 83, 3599–3661 (2003).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Hasegawa, Y. et al. Lumineszierendes Polymer, das den Eu(III)-Komplex enthält, mit schneller Strahlungsrate und hoher Emissionsquanteneffizienz. J. Phys. Chem. A 107, 1697–1702 (2003).

Artikel CAS Google Scholar

Kataoka, H. et al. Photo- und thermostabile Lumineszenzperlen aus Eu(III)-Komplexen und PMMA zur Verbesserung der Effizienz von Siliziumsolarzellen. J. Alloys Compd. 601, 293–297 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Kitagawa, Y. et al. Chirales Lanthanid-Luminoglas für eine Sicherheitsvorrichtung für zirkular polarisiertes Licht. Komm. Chem. 3, 119 (2020).

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Diese Arbeit wurde vom Forschungs- und Bildungszentrum der Universität Hokkaido für robuste Land-, Forst- und Fischereiindustrie unterstützt. Diese Arbeit wurde teilweise durch Grant-in-Aid für abteilungsübergreifende Nachwuchsstipendien der Universität Hokkaido (an SS) unterstützt. Diese Arbeit wurde teilweise von der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) unterstützt. KAKENHI-Zuschussnummern JP22K14741 (für SS), JP20K21201 (für YH), JP22H02152 (für YH), JP22H04516 (für YH), JP21H02180 (für TS), JP19K22902 (zu HS), JP21K18969 (zu YK) und JP20H02748 (zu YK). Diese Arbeit wurde teilweise auch vom Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (ICReDD) unterstützt, das von der World Premier International Research Initiative (WPI) von MEXT, Japan, gegründet wurde.

Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Hokkaido, Kita 13, Nishi 8, Kita-Ku, Sapporo, Hokkaido, 060-8628, Japan

Sunao Shoji, Koji Fushimi, Yuichi Kitagawa und Yasuchika Hasegawa

Institut für chemisches Reaktionsdesign und Entdeckung (WPI-ICReDD), Universität Hokkaido, Kita 21, Nishi 10, Kita-Ku, Sapporo, Hokkaido, 001-0021, Japan

Sunao Shoji & Yasuchika Hasegawa

Fakultät für Landwirtschaft, Universität Hokkaido, Kita 9, Nishi 9, Kita-Ku, Sapporo, Hokkaido, 060-8589, Japan

Hideyuki Saito, Yutaka Jitsuyama und Takashi Suzuki

Graduate School of Agriculture, Universität Hokkaido, Kita 9, Nishi 9, Kita-Ku, Sapporo, Hokkaido, 060-8589, Japan

Kotono Tomita, Qiang Haoyang, Yukiho Sakurai und Yuhei Okazaki

Graduate School of Chemical Sciences and Engineering, Universität Hokkaido, Kita 13, Nishi 8, Kita-Ku, Sapporo, Hokkaido, 060-8626, Japan

Kota Aikawa, Yuki Konishi und Kensei Sasaki

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SS, HS, TS und YH diskutierten und definierten das Projekt. SS, KA, YK, KS und YK bereiteten und analysierten Eu3+-lackierte UV-zu-Rot-WCM-Filme. SS und KS haben Pulver-XRD-Muster der Materialien gemessen. SS und KF führten eine optische mikroskopische Analyse des WCM-Films durch. KT, YS und YJ führten die hydroponische Kultur- und Wachstumsanalyse von Mangold durch. HS, QH und YO führten die Kultur- und Wachstumsanalysen der Baumpflanzen durch. SS, HS, YJ, TS und YH haben das Manuskript erstellt.

Korrespondenz mit Sunao Shoji, Hideyuki Saito, Takashi Suzuki oder Yasuchika Hasegawa.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Shoji, S., Saito, H., Jitsuyama, Y. et al. Beschleunigung des Pflanzenwachstums durch eine transparente Eu3+-lackierte UV-zu-Rot-Umwandlungsfolie. Sci Rep 12, 17155 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21427-6

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Eingegangen: 30. Mai 2022

Angenommen: 27. September 2022

Veröffentlicht: 26. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21427-6

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