Effects of light spectra from light-emitting diodes on the growth and quality of grafted watermelon seedlings

Abstract

Watermelon (Citrullus lanatus) is an economically important crop which is mainly propagated through grafting. Grafted watermelon seedlings are produced in three separate stages: growing of scion and rootstock seedlings to-be-grafted (stage I), grafting and healing of grafted seedlings (stage II), and acclimatization of grafted seedlings (stage III). The main objective of the thesis was to investigate whether artificial lighting provided by light-emitting diodes (LEDs) and employed either as sole or as supplemental light source imposes significant positive effect on the quality of scion and rootstock seedlings to-be-grafted, as well as grafted watermelon seedlings. Moreover, the effect of LED spectral composition was tested in the three production stages of grafted watermelon seedlings both under growth chamber and greenhouse conditions. As model plants we used watermelon (Celine F1) scion and interspecific squash (Cucurbita maxima × C. moschata “TZ-148) rootstock. Initially we defined seedling quality categories in the three production stages. We report that shoot and root biomass, stem diameter and leaf area are the most valuable indicators of seedling quality in all production stages. A combination between “high” scions and “optimum” characterized rootstocks is ideal for high-quality grafted seedlings. Moreover, the necessity of artificial lighting was evaluated in all production stages and we concluded that supplemental lighting is necessary in the greenhouse for the growth of watermelon seedlings used as scion as well as for acclimatization of grafted seedlings, while fluorescent lamps are not as efficient as needed during the healing stage. Following, we tested the response of scions and rootstocks under wide spectra LEDs employed in a growth chamber and found that LEDs with relatively high red (53–64%), and low blue (8–14%) light emission enhanced seedling quality. When grown in a greenhouse, watermelon scions showed improved qualitative characteristics under supplemental LED compared to high-pressure sodium (HPS) lamps due to favorable spectral distribution. Healing is a delicate procedure where physiological and histological modifications take place on both segments, thus, we examined the impact of LEDs emitting narrow-band red (R) or blue (B), or red-blue combinations as sole light source during healing. From the results it is evident that R along with red with 12 or 24% blue (12B or 24B) light addition performed greatly in valuable growth and morphological parameters, while B promoted gas exchange parameters. The results were also reaffirmed by the examination of four genotype combination where no significant genotype dependency was detected. Following, we investigated the anatomical and root architecture modifications and we report that blue light proved beneficial for the rapid formation of scion-rootstock vascular bridges and subsequently for a quick start of root formation in the first three days after grafting. In the following days where all vascular bridges were already formed, red light presence enhanced the root system development. Moreover, grafted watermelon seedlings acclimatizing in a greenhouse showed enhanced quality under supplemental LED compared to HPS lamps. In all LED experiments, we also addressed the effects of red and blue light bands on the seedling morphology and physiology and we showed that even small interplays in the light spectra triggers a significant effect in plant behavior.

Το καρπούζι (Citrullus lanatus) είναι οικονομικά σημαντικό προϊόν το οποίο πολλαπλασιάζεται κυρίως μέσω εμβολιασμού. Η παραγωγή εμβολιασμένων σποροφύτων καρπουζιού αποτελείται από τρία διακριτά στάδια: την παραγωγή σποροφύτων προς εμβολιασμό (εμβόλιο και υποκείμενο) (στάδιο Ι), τον εμβολιασμό και την επούλωση των τομών εμβολιασμού (στάδιο ΙΙ), και τη σκληραγώγηση των εμβολιασμένων σποροφύτων (στάδιο ΙΙΙ). Ο κύριος στόχος της διατριβής ήταν η διερεύνηση της επίδρασης τεχνητού φωτισμού από διόδους εκπομπής φωτεινής ακτινοβολίας (light-emitting diodes, LEDs) ως συμπληρωματικός ή αποκλειστικός φωτισμός στην ποιότητα εμβολίων και υποκειμένων προς εμβολιασμό, καθώς και εμβολιασμένων σποροφύτων καρπουζιού. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση του φάσματος ακτινοβολίας λαμπτήρων LED στα τρία στάδια παραγωγής εμβολιασμένων σποροφύτων σε θάλαμο ανάπτυξης και σε θερμοκήπιο. Μελετώμενα είδη αποτέλεσαν το καρπούζι (εμβόλιο Celine F1) και το διειδικό υβρίδιο κολοκυθιού (υποκείμενο Cucurbita maxima × C. moschata “TZ-148). Αρχικά, καθορίσαμε κατηγορίες ποιότητας σποροφύτων στα τρία στάδια παραγωγής. Αναφέρουμε ότι το ξηρό βάρος υπέργειου τμήματος και ριζικού συστήματος, η διάμετρος ριζικού κόμβου και η φυλλική επιφάνεια είναι οι σημαντικότεροι δείκτες ποιότητας σποροφύτων στα τρία στάδια παραγωγής. Συνδυασμός «high» εμβολίων με «optimum» υποκειμένων είναι ιδανικός για την παραγωγή εμβολιασμένων σποροφύτων υψηλής ποιότητας. Επιπλέον, διερευνήθηκε η ανάγκη χρήσης τεχνητού φωτισμού στα τρία στάδια παραγωγής και καταλήξαμε ότι είναι απαραίτητος ο συμπληρωματικός φωτισμός στο θερμοκήπιο παραγωγής εμβολίων καθώς και σκληραγώγησης εμβολιασμένων σποροφύτων, ενώ οι λαμπτήρες φθορισμού δεν έχουν υψηλή απόδοση κατά το στάδιο επούλωσης. Κατόπιν, μελετήσαμε την επίδραση λαμπτήρων LED με ευρύ φάσμα ακτινοβολίας στην παραγωγή εμβολίων και υποκειμένων σε θάλαμο ανάπτυξης και βρήκαμε ότι LEDs με σχετικά υψηλό ποσοστό ερυθρού φωτός (53-64%) και χαμηλό ποσοστό κυανού φωτός (8-14%) οδήγησε σε ενισχυμένη ποιότητα. Στην περίπτωση του θερμοκηπίου, εμβόλια καρπουζιού παρουσίασαν βελτιωμένα ποιοτικά χαρακτηριστικά κάτω από συμπληρωματικό φωτισμό με LEDs συγκριτικά με λαμπτήρες υψηλής πίεσης νατρίου (HPS) λόγω ευνοϊκότερου φάσματος ακτινοβολίας. Η επούλωση αποτελεί ευαίσθητη διαδικασία κατά την οποία λαμβάνουν χώρα φυσιολογικές και ιστολογικές μεταβολές στα δύο τμήματα. Επομένως, μελετήσαμε την επίδραση φωτισμού με LEDs που εκπέμπουν ακτινοβολία μονοχρωματική ερυθρή (R), κυανή (Β) και συνδυασμούς ερυθρής-κυανής κατά τη διάρκεια της επούλωσης. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι η R καθώς και ερυθρή με 12 ή 24% επιπρόσθετη κυανή ακτινοβολία (12Β ή 24Β) είχε θετική επίδραση σε σημαντικές μορφολογικές παραμέτρους, ενώ η Β ενίσχυσε παραμέτρους ανταλλαγής αερίων. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν από τη διερεύνηση τεσσάρων συνδυασμών γενοτύπων όπου δεν εντοπίστηκε σημαντική επίδραση του γενοτύπου. Κατόπιν, μελετήσαμε μεταβολές στην ανατομία της τομής εμβολιασμού και της αρχιτεκτονικής ρίζας και βρήκαμε ότι η κυανή ακτινοβολία είναι ευνοϊκή για την ταχεία ένωση του αγγειακού συστήματος εμβολίου-υποκειμένου και τον σχηματισμού ριζικού συστήματος τρεις μέρες από τον εμβολιασμό. Τις επόμενες ημέρες συνεχίστηκε η ένωση του αγγειακού συστήματος και η παρουσία ερυθρής ακτινοβολίας βελτίωσε την ανάπτυξη του ριζικού συστήματος. Επιπλέον, εμβολιασμένα σπορόφυτα κατά την σκληραγώγηση στο θερμοκήπιο παρουσίασαν αυξημένη ποιότητα κάτω από συμπληρωματικό φωτισμό με LEDs συγκριτικά με λαμπτήρες υψηλής πίεσης νατρίου (HPS). Σε όλα τα πειράματα με λαμπτήρες LED αναδείξαμε την επίδραση του ερυθρού και κυανού φάσματος ακτινοβολίας στη μορφολογία και φυσιολογία σποροφύτων και αποδείξαμε ότι ακόμα και μικρές μεταβολές στο φάσμα ακτινοβολίας ασκεί σημαντική επίδραση στη συμπεριφορά των φυτών.