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Aug 01, 2023

Verschiedene LED-Lichtspektren und Nano

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 6769 (2023) Diesen Artikel zitieren 572 Zugriffe auf Metrikdetails Rosen werden als neutrale Tagpflanzen klassifiziert, aber viel Licht und kühle Temperaturen produzieren hohe

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Details zu den Metriken

Rosen werden als neutrale Tagpflanzen eingestuft, aber viel Licht und kühle Temperaturen sorgen bei Rosen für hochwertige Blüten. Sowohl die Lichtmenge als auch die Lichtqualität und ihre speziellen Spektren können Einfluss auf den Blütenertrag und die Blütenqualität haben. Ziel dieser Forschung war es, die Wirkung von LED-Licht (Kontrolle (Sonnenlicht), blaue und rote Spektren) und nanochelatisiertem Kalium in drei Konzentrationen (0, 1,5 und 3 g/l) auf einige morphophysiologische und biochemische Merkmale von Rosa hybrida cv zu untersuchen . Dolce Vita. Licht- und nanochelierte Kaliumbehandlungen haben einen signifikanten Einfluss auf die meisten in der vorliegenden Studie gemessenen Merkmale. Den Ergebnissen zufolge verbesserte der Einsatz von Rotlicht und nanocheliertem Kalium im Rosenanbau die Qualitätsmerkmale und verlängerte die Haltbarkeit in der Vase. Das höchste Frisch- und Trockengewicht der Blütenzweige und Pflanzenhöhe wurde bei Rotlichtbehandlung und der Konzentration von 3 g/l nanochelatisiertem Kalium beobachtet. Biochemische Parameter wie Phenolverbindungen, Blatt- und Blütenblattflavonoide, Blütenblatt-Anthocyangehalt, antioxidative Kapazität und Haltbarkeit in der Vase waren ebenfalls unter Rotlicht und mit der Konzentration von 3 g/l nanochelatisiertem Kalium im Vergleich zur Kontrolle signifikant erhöht. Im Allgemeinen lässt sich sagen, dass die Verwendung von rotem Licht und einer Konzentration von 3 g/l nanochelatisiertem Kalium die Qualität von Rosenblüten wirksam verbessern kann, insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen.

Die Rose (Rosa × hybrida L.) gehört zur Familie der Rosaceae und ist eine der beliebtesten Blumen der Welt. Rosen werden meist als Schnittblumen angebaut. Ausreichendes Licht ist einer der einflussreichsten Faktoren bei der Produktion hochwertiger Rosenblüten1. Pflanzen nutzen Licht als Energiequelle zur Kohlenstoffabsorption bei der Photosynthese und zur Aktivierung und Regulierung vieler physiologischer Prozesse im Zusammenhang mit Pflanzenwachstum und -entwicklung2. Licht ist nicht nur eine Energiequelle für die Photosynthese, sondern auch ein Stimulus für eine Reihe von Entwicklungsprozessen von der Samenkeimung bis zum Beginn der Blüte3. Sowohl die Qualität als auch die Quantität des einfallenden Lichts können schwerwiegende Auswirkungen auf die Photosyntheseaktivität und die Anpassung des Photosystems an Änderungen der Lichtqualität haben4. Von der spektralen Verteilung der Sonnenstrahlung sind nur etwa 50 % der Strahlung, die die Erdoberfläche erreicht, photosynthetisch aktive Strahlung (PAR). Im Sonnenlicht sind rote und blaue Wellenlängen für die Photosynthese wichtiger. Andere Wellenlängen wie Ultraviolett und Fernrot, die von bestimmten Lichtrezeptoren absorbiert werden, wirken als Signalinduktoren für verschiedene Entwicklungswege. Der Einsatz von künstlichem Licht ist eine gängige Methode, um den Mangel an Tageslichtdauer und -intensität für das Wachstum einer Vielzahl von Pflanzenarten im Gewächshausanbau zu ersetzen oder auszugleichen5,6. Die Gewächshausbeleuchtung ist in den dunklen Wintermonaten der wichtigste Parameter für die Pflanzenproduktion. Komplementäres Licht erhöht die Photosyntheserate der Blätter sowie das Pflanzenwachstum und die Pflanzenqualität7. Heutzutage nutzen moderne Gewächshäuser zusätzliches Licht, um das Wachstum und die Produktion landwirtschaftlicher Produkte zu steigern8,9,10. Eine der gebräuchlichsten ergänzenden Lichtquellen sind LEDs. Die LED-Beleuchtungstechnologie bietet Vorteile wie lange Lebensdauer, kleines Volumen, geringere Wärmeableitung, einstellbare Lichtintensität, hohe Effizienz und die Möglichkeit, bestimmte Wellenlängen zu emittieren9,11. Neben Licht spielt die Pflanzenernährung eine Schlüsselrolle im Gewächshausanbau. Heute eröffnen Nanodünger (NFs) neue Horizonte in der Düngemittelindustrie, die zu einer höheren Nährstoffeffizienz für eine optimale Pflanzenproduktion führen12. Nanopartikel (NPs) sind kleine Moleküle mit einem kleinen Größenbereich von 1–100 nm und anderen physikalisch-chemischen Eigenschaften als Massenmaterialien. Nanopartikel verbessern die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften und Funktionen von Ausgangsmaterialien, indem sie das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen erhöhen13. Der Einsatz von Nanodüngern führt zu einer Steigerung der Nährstoffverwertungseffizienz, einer Verringerung der Bodentoxizität, einer Linderung der negativen Auswirkungen einer übermäßigen Düngemittelanwendung und einem besseren Nährstoffmanagement. Durch die Verwendung von Nanodüngern richtet sich die Zeit und Geschwindigkeit der Nährstofffreisetzung nach den Nährstoffbedürfnissen der Pflanze, sodass die Aufnahme der Nährstoffe gut erfolgt und somit eine geringere Elementauswaschung und eine höhere Produktleistung erreichbar sind14.

Einer der am häufigsten verwendeten Nanodünger in der Landwirtschaft sind Kalium-Nanochelate. Kalium ist das am häufigsten vorkommende Kation in Pflanzenzellen. Kaliumionen (K+) wirken als hochmobile Osmolyte, die schwache Komplexe bilden und leicht austauschbar bleiben. K liegt hauptsächlich in löslicher Form im zellulären Zytosol vor15 und spielt eine Schlüsselrolle bei der Biosynthese von Anthocyanen. Kalium steigert die Pflanzenproduktivität und -qualität, indem es die Photosynthese und die Bildung von Stärke und Proteinen sowie die ATP-Produktion steigert und mindestens 60 Enzyme aktiviert, die für das Wachstum wirksam sind. Es erhöht auch das Wurzelwachstum und die Stresstoleranz, trägt zu einem besseren Transport des in der Pflanze produzierten Zuckers bei, erhält die Zellpralligkeit aufrecht, verhindert die Ausbreitung von Pflanzenkrankheiten und Nematoden und reguliert das Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen16. Dolce Vita-Rosen haben eine vorherrschende weiße Blütenfarbe mit rosa Rändern. Das optimale farbliche Erscheinungsbild des Blütenblattrandes hängt eng mit der Menge und Qualität des Lichts zusammen und spielt eine entscheidende Rolle für den kommerziellen Wert dieser Sorte. Eines der Probleme beim Anbau dieser Rosensorte, insbesondere in der Jahreszeit mit wenig Licht, besteht darin, dass die Blüten oft weiß werden und die rosa Farbe des Blütenblattrandes verschwindet. Diese Komplikation verringert die Qualität und Marktfähigkeit des Produkts. Diese Forschung wurde durchgeführt, um die Farbe der Blütenränder zu intensivieren und die Qualität und Blütenpracht geschnittener Dolce Vita-Rosen zu verbessern. Den genannten Fällen zufolge wurde die Wirkung der blauen und roten Spektren einer LED-Lichtquelle als Zusatzlicht und die Blattanwendung von nanochelatisiertem Kalium sowie deren Wechselwirkungen auf den Anthocyangehalt und einige morphophysiologische und biochemische Eigenschaften der Dolce Vita-Rosensorte bei erdlosem Anbau untersucht .

Diese Forschung wurde in der Gewächshauseinheit und den Forschungslabors der Gartenbauabteilung der Universität Urmia, Urmia, Iran, durchgeführt. Frisch gepfropfte Rosensämlinge der Sorte Dolce Vita wurden von einer örtlichen kommerziellen Gärtnerei gekauft und jeder Sämling wurde in einen 10-Liter-Kunststofftopf gepflanzt, der Torfmoos und Perlit in einem Verhältnis von 75 zu 25 Prozent enthielt. Die Töpfe wurden unter ein Tropfbewässerungssystem gestellt und die Pflanzen mit einem modifizierten kommerziellen Rosendüngungsrezept unter Verwendung einer Impulsbewässerungsstrategie fünfmal täglich fertig gemacht. Der Kaliumgehalt der verwendeten Rezeptur wurde auf die halbe Stärke reduziert und die endgültige Nährlösung enthielt 150 mg/l N, 45 mg/l P, 125 mg/l K, 120 mg/l Ca, 40 mg/l Mg und auch Spurenelemente. Weitere Details finden Sie in Tabelle 1.

Zu den experimentellen Behandlungen gehörte die Blattapplikation mit nanocheliertem Kalium 27 % in drei Konzentrationen (0, 1,5 und 3 g/l) und Licht in drei Konzentrationen (Kontrolle (Sonnenlicht), blaue und rote Spektren) als zusätzliches Licht, das als faktorielles Verfahren durchgeführt wurde ein vollständig randomisiertes Design mit sechs Replikationen. Das nanochelierte Kalium, hergestellt nach der von Nido et al.17 beschriebenen Methode. Hierzu lief ein vierstufiger Prozess ab, der die Herstellung der Kaliumalginatlösung, die Vorgelierung, die Stabilisierung und die Äquilibrierung umfasste. Zur Herstellung der Kaliumalginatlösung (K-ALG) wurden 117,5 ml Alginatstammlösung (6 mM Natriumalginat, pH 4,9) mit KCl (als Kaliumquelle) gemischt und 20 Minuten lang im Ultraschallgerät Elmasonic P 120 H beschallt. Um ein Vorgel zu bilden, wurde 36 mM Calciumchloridlösung (pH 7) tropfenweise zu K-ALG gegeben, während es bei 25 °C mit Ultraschall behandelt wurde. Im Stabilisierungsschritt wurden 25 ml Chitosan-Stammlösung (CHI), hergestellt durch Auflösen von 0,10 mg/ml niedermolekularem Chitosan in 1 % Essigsäure, tropfenweise zur K-ALG-CHI-Mischung gegeben, während 30 Minuten lang gerührt wurde. Zur Vervollständigung der chemischen Reaktion wurde die vorbereitete Mischung 24 Stunden lang bei Raumtemperatur gehalten und schließlich wurde die Lösung 1 Stunde lang bei 75 °C im Ofen getrocknet, um festen Dünger zu erhalten. Der Kaliumgehalt wurde mit dem Flammenphotometer Jenway PFP7 bestimmt. Die bei dieser Methode verwendeten chemischen Materialien wurden von der Sigma-Aldrich Chemicals Company bezogen. Die Anwendung von Nano-Chelat-Kalium und Lichtbehandlungen begann bereits eine Woche nach dem ersten Biegen des Stammes und als die neuen Triebe eine Höhe von 3–4 cm erreichten. Nanocheliertes Kalium wird einmal pro Woche als Blattapplikation angewendet. Der Einsatz von rotem und blauem Licht als Zusatzlicht begann gleichzeitig mit der Anwendung von nanocheliertem Kalium. Zusätzliche LED-Beleuchtung als rotes und blaues Licht mit einer Intensität von 95 µmol m−2 s−1 (Abb. 1). Die Gesamtlichtintensität betrug am Wachstumspunkt der Pflanzen etwa 530 µmol m−2 s−1. Während der Wachstumsphase wurde die Tag-/Nachttemperatur auf 27/22 °C eingestellt und die relative Luftfeuchtigkeit bei 55 % gehalten. Zur Beurteilung der morphophysiologischen und biochemischen Eigenschaften wurden Pflanzenproben entnommen.

Behandlung von Dolce Vita-Rosen mit blauem und rotem Licht.

Nach der Ernte des Blütenstiels wurde die Stängellänge vom Schnittpunkt bis zur Knospenspitze gemessen und in Zentimetern angegeben. Um die Blattfläche zu bestimmen, wurden drei voll entwickelte Blätter zufällig aus der Triebmitte ausgewählt und die Blattfläche mit einem Blattflächenmessgerät (AM 200) gemessen. Das Frischgewicht der gesamten Blütenstiele wurde mit einer Digitalwaage mit einer Genauigkeit von 0,01 g gemessen. Um das Trockengewicht der Stängel zu bestimmen, wurden diese separat in einer Papiertüte für 72 Stunden in einen 70 °C warmen Ofen gelegt und dann mit einer Digitalwaage mit einer Genauigkeit von 0,001 g gemessen. Die Blattdicke wurde mit einem hochauflösenden Mikrometer (Mitutoyo Digital Micrometer, Modell 293-185, Kawasaki, Japan) gemessen.

Die gut entwickelten Blütenstiele wurden im kommerziellen Stadium geerntet und die Langlebigkeit der Blüten wurde anhand der von Aghdam et al.18 beschriebenen Methode beurteilt. Lichtintensität des Lagerraums, eingestellt auf 60 µmol m−2 s−1, geliefert von einer Mischung aus warm- und kaltweißen Leuchtstofflampen. Der Stielnachschnitt erfolgte alle drei Tage.

Der Anthocyangehalt der Blütenblätter in allen Extrakten wurde mittels Spektrophotometer und pH-Differenzmethode19 unter Verwendung von zwei Puffersystemen gemessen, Kaliumchloridpuffer (0,025 M, pH = 1) und Natriumacetatpuffer (0,4 M, pH = 4,5). Die Ergebnisse wurden in Milligramm pro Liter Äquivalent zu Cyanidin-3-glycosid im Extrakt basierend auf der folgenden Formel ausgedrückt:

Die Dichte des monomeren Anthocyanpigments im Extrakt in mg/l beträgt (Ɛ × 1) (A × MW × DF × 1000), wobei sich DF, MW, Ɛ und A auf den Probenverdünnungsfaktor und das Molekulargewicht von Cyanidin beziehen , Molkoeffizient von Cyanidin bzw. die Adsorptionsmenge. Die Absorptionsmenge wird wie folgt berechnet:

A510 und A700 repräsentieren eine Absorption von 510 nm bzw. 700 nm.

Die Messung der photosynthetischen Pigmente erfolgte mit der Gross20-Methode und die Absorption wurde bei 645 und 663 nm mit einem Spektrophotometer (UV/Visible Lambda 25 Perkin Elmer) abgelesen. Die Menge an Chlorophyllen a, b und insgesamt wurden anhand der folgenden Gleichungen berechnet und in mg/g Frischgewicht angegeben.

In den obigen Beziehungen sind OD663 und OD645 die Absorptionsraten bei 663 bzw. 645 nm.

Zur Messung der antioxidativen Kapazität wurde die DPPH-Methode verwendet. Um die Fähigkeit von Extrakten zur Hemmung freier Radikale (DPPH) zu messen, wurden zunächst 100 μl methanolischer Extrakt mit 1900 μl DPPH gemischt und dann wurden die Proben 30 Minuten lang bei Raumtemperatur im Dunkeln platziert. Anschließend wurde die Absorption der Proben mit einem Spektrophotometer bei 517 nm abgelesen und als Prozentsatz der Hemmung ausgedrückt21.

Ac = Kontrollabsorption.

As = Probenabsorption.

Zur Bestimmung der stomatalen Leitfähigkeit wurde ein Blattporometer (SC-1, Meter Group, Inc. USA) verwendet. Die Photosyntheserate, gemessen mit einem tragbaren Photosynthesesystem (HCM-1000, Heinz Walz GmbH. Deutschland. Sondenmodell: 1050-H).

Der Gesamtphenolgehalt wurde mit der von Marinova et al.22 beschriebenen Folin-Ciocalteu-Reagenzmethode gemessen, wobei einige geringfügige Änderungen beim Gewicht der Pflanzenprobe und beim Verdünnungsfaktor vorgenommen wurden. Die Absorption der Proben wurde bei 750 nm abgelesen. Die Standardkurve der Gallussäure wurde verwendet, um die Menge des Gesamtphenolgehalts zu berechnen, und die Menge an Phenol wurde basierend auf der Standardkurve der Gallussäure unter Verwendung der folgenden Gleichung in Milligramm Gallussäure pro Gramm Frischgewicht berechnet.

Y = eine auf einem Spektrophotometer abgelesene Zahl.

X = Phenolmenge in mg/g Frischgewicht.

Zur Messung des Flavonoidgehalts in Blättern und Blütenblättern wurde die kolorimetrische Methode mit Aluminiumchlorid23 verwendet. Die Absorption der Proben wurde bei 415 nm abgelesen. Der Gesamtgehalt an Flavonoiden der Proben wurde in mg, äquivalent zu Quercetin, pro Gramm Pflanzentrockengewicht ausgedrückt.

Die Menge an H2O2, gemessen mit einer von Velikova et al.24 beschriebenen Methode. Die Absorption der Probe wurde bei 390 nm abgelesen und eine Standardkurve zur Berechnung der Wasserstoffperoxidkonzentration verwendet. Die Ergebnisse wurden in Mikromol pro Gramm Frischgewicht dargestellt.

Zur Bestimmung der Menge an löslichen Proteinen wurde die Bradford-Methode25 verwendet. Die Ablesung erfolgte mit einem Spektrophotometer bei 585 nm. Die Proteinmenge wurde nach Erstellung der Protein-Standardkurve berechnet und unter Verwendung der folgenden Gleichung in Milligramm pro Gramm Frischgewicht ausgedrückt.

y ist der im Spektralfotometer abgelesene Wert und x ist der zu berechnende Wert.

0,5 g Blattgewebe wurden zur Messung gelöster Zucker gemäß der Methode von Irigoyen et al.26 verwendet. Um die Glukose-Standardkurve zu zeichnen, wurden Glukoselösungen mit Konzentrationen von 0 bis 120 mg/l hergestellt und alle experimentellen Schritte daran durchgeführt, und schließlich wurde die Absorption bei 625 nm abgelesen.

Die Autoren bestätigen, dass alle in dieser Studie verwendeten Methoden in Übereinstimmung mit den relevanten internationalen und/oder institutionellen Richtlinien und Vorschriften durchgeführt wurden.

Basierend auf ANOVA war der Wechselwirkungseffekt von Licht und nanochelatisiertem Kalium signifikant auf die Blütenstielhöhe (Tabelle 2). Wie in Abb. 2a dargestellt, wurde die höchste Blütenstielhöhe (100 cm) bei der Rotlichtbehandlung und einer Konzentration von 3 g/l nanochelatisiertem Kalium beobachtet.

Die Biomasse und einige morphologische Merkmale von Dolce Vita stiegen als Reaktion auf die unterschiedlichen Licht- und Nanochelat-Kaliumspiegel: (a) Höhe des Blütenstiels, (b) FW des Blütenstiels, (c,d) DW des Blütenstiels, (e,f ) Spaltöffnungsbreite, (g) Blattfläche und (h) Blattdicke. FW Frischgewicht, DW Trockengewicht.

Das Zusammenspiel von Licht- und Nanochelat-Kalium-Behandlungen führte zu einer Erhöhung des Frischgewichts des Blütenstiels. Das höchste Frischgewicht des Blütenstiels (120,31 g) wurde bei Rotlichtbehandlung und einer Konzentration von 3 g/l nanochelatisiertem Kalium beobachtet, das im Vergleich zur Kontrolle (80,48 g) deutlich anstieg (Abb. 2b). Die Lichtbehandlung erhöhte das Trockengewicht des Blütenstiels, wobei die Behandlung mit rotem Licht einen größeren Effekt (32,32 g) auf die Erhöhung des Trockengewichts des Blütenstiels hatte. Das niedrigste Trockengewicht des Blütenstiels (23,01 g) wurde bei der Kontrolle beobachtet (Abb. 2c). Gemäß Abb. 2d wurde festgestellt, dass die Behandlung mit nanocheliertem Kalium das Trockengewicht der Blütenstiele erhöhte. Die Konzentration von 3 g/l nanochelatisiertem Kalium hatte den größten Einfluss auf die Erhöhung des Trockengewichts der Blütenstiele.

Basierend auf unseren Erkenntnissen vergrößerte die Lichtbehandlung die Stomata-Breite und wie in Abb. 2e gezeigt, war die Behandlung von rotem und blauem Licht auf die Stomata-Breite statistisch nicht signifikant, es gab jedoch einen signifikanten Unterschied zur Kontrolle (29,44 µm). Durch Erhöhen der Konzentration an nanocheliertem Kalium erhöhte sich die Stomatabreite, so dass die Konzentration von 3 g/l die höchste Stomatabreite (40 µm) verursachte, die im Vergleich zur Kontrolle zunahm (Abb. 2f).

Den Ergebnissen der ANOVA zufolge wurde festgestellt, dass die Wechselwirkung von Lichtbehandlung und nanochelatisiertem Kalium zu einem zunehmenden Trend der Blattfläche führte. Gemäß Abb. 2g wurde die größte Blattfläche (13.240,5 mm2) bei rotem Licht in Kombination mit der Konzentration von 3 g/l nanochelatisiertem Kalium beobachtet, was zu einer 1,68-fachen Vergrößerung der Blattfläche im Vergleich zur Kontrolle führte.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Kombination von Licht- und Nanochelat-Kaliumbehandlungen die Blattdicke der behandelten Pflanzen verringerte. Wie in Abb. 2h gezeigt, wurde die höchste Blattdicke (0,440 mm) bei der Kontrollbehandlung und die niedrigste Blattdicke (0,196 mm) bei der Rotlichtbehandlung mit 3 g/l nanochelatisiertem Kalium beobachtet.

Die Wechselwirkungen von Licht und nanochelatisiertem Kalium haben bei einem Wahrscheinlichkeitsniveau von 1 % einen signifikanten Einfluss auf die stomatale Leitfähigkeit (Tabelle 2). Die Ergebnisse zeigten, dass die Behandlung mit Licht und nanochelatisiertem Kalium die stomatäre Leitfähigkeit erhöhte, sodass die höchste stomatäre Leitfähigkeit (316,53 mmol CO2 m−2 s−1) bei der Behandlung mit rotem Licht und einer Konzentration von 3 g/l nanochelatisiertem Kalium beobachtet wurde Es gab keinen statistisch signifikanten Unterschied zwischen Behandlungen mit rotem Licht mit einer Konzentration von 1,5 g/l und Behandlungen mit blauem Licht mit einer Konzentration von 3 g/l Tausend nanochelatisiertes Kalium. Die niedrigste stomatale Leitfähigkeit wurde bei der Kontrollbehandlung beobachtet. Wie Abb. 3a zeigt, führte die Behandlung mit rotem Licht und nanochelatisiertem Kalium zu einem Anstieg der stomatären Leitfähigkeit im Vergleich zur Kontrolle.

Die physiologischen Eigenschaften von Dolce Vita stiegen als Reaktion auf die unterschiedlichen Licht- und Nanochelat-Kaliumspiegel: (a) stomatale Kondaktivität, (b) Gesamtchlorophyll, (c) Photosyntheserate, (d) Proteingehalt, (e,f) löslich Kohlenhydrate, (g) Blütenblatt-Anthocyane und (h) H2O2-Gehalt. FW Frischgewicht, DW Trockengewicht.

Der Gesamtchlorophyllgehalt wurde durch die Wechselwirkung von Licht und nanochelierten Kaliumbehandlungen erheblich beeinflusst. Die Behandlung mit Licht und nanocheliertem Kalium erhöhte den Gesamtchlorophyllgehalt. Gemäß Abb. 3b wurde festgestellt, dass die Anwendung von 3 g/l nanochelatisiertem Kalium in Gegenwart von blauem Licht zum höchsten Gesamtchlorophyllgehalt (3,95 mg/g FW) führte. Allerdings gab es keinen statistisch signifikanten Unterschied zwischen der letzten Behandlung und der Konzentration von 1,5 g/l nanochelatisiertem Kalium in Kombination mit Rotlicht. Der niedrigste Gesamtchlorophyllgehalt (1 mg/g FW) wurde in der Kontrolle beobachtet.

Die Ergebnisse dieser Forschung zeigten, dass sowohl rotes als auch blaues Licht in Kombination mit nanochelatisiertem Kalium zu einer Steigerung der Photosyntheserate führt. Behandlungen mit blauem und rotem Licht und Konzentrationen von 1,5 und 3 g/l nanochelatisiertem Kalium führten zu einem Anstieg der Photosyntheserate auf bis zu 8,44 µmol CO2 m−2 s−1, was einen deutlichen Anstieg im Vergleich zur Kontrolle (2,05 µmol CO2) darstellt m−2 s−1) (Abb. 3c).

Es wurde festgestellt, dass die kombinierte Behandlung mit Licht und nanocheliertem Kalium zu einer Erhöhung des Gesamtproteingehalts führte. Wie in Abb. 3d dargestellt, führten eine Erhöhung der Konzentration an nanocheliertem Kalium und die Lichtbehandlung zu einem zunehmenden Trend des Gesamtproteingehalts. Die Behandlung mit rotem Licht und die Konzentration von 3 g/l nanochelatisiertem Kalium ergaben den höchsten Gesamtproteingehalt (9,72 mg/g FW). Die geringste Proteinmenge (3,4 mg/g FW) wurde in der Kontrolle beobachtet. Gemäß Abb. 3d wurde festgestellt, dass die Rotlichtbehandlung und eine Konzentration von 3 g/l nanochelatisiertes Kalium zu einem fast dreifachen Anstieg des Gesamtproteins im Vergleich zur Kontrolle führten.

Der Vergleich der Datenmittelwerte zeigte, dass die Behandlung mit rotem Licht die Menge an löslichen Kohlenhydraten erhöhte und die Pflanzen, die der Behandlung mit rotem Licht ausgesetzt waren, die höchste Menge an löslichen Kohlenhydraten aufwiesen (686,22 mg/g FW). Die geringste Menge an löslichen Kohlenhydraten (485,77 mg/g FW) wurde bei der Behandlung mit blauem Licht beobachtet (Abb. 3e). Gemäß Abb. 3f wurde festgestellt, dass die Behandlung mit nanocheliertem Kalium die Menge an löslichen Kohlenhydraten erhöhte. Die Konzentration von 3 g/l nanochelatisiertem Kalium hatte im Vergleich zur Kontrolle den größten Effekt auf die Erhöhung der Menge an löslichen Kohlenhydraten.

Die Ergebnisse von ANOVA zeigten, dass der Anthocyangehalt der Blütenblätter durch die Wechselwirkung von Licht und Behandlungen mit nanocheliertem Kalium erheblich beeinflusst wurde (Tabelle 2). Die kombinierte Anwendung von Licht und nanochelatisiertem Kalium führte zu einem Anstieg des Anthocyangehalts der Blütenblätter. Der höchste Gehalt an Blütenblatt-Anthocyanen (18,60 mg/g FW) wurde bei der Anwendung von 3 g/l nanochelatisiertem Kalium in Gegenwart von rotem Licht erzielt. Die geringste Menge an Blütenblatt-Anthocyan (9,93 mg/g FW) wurde in der Kontrollbehandlung beobachtet (Abb. 3g).

Basierend auf unseren Erkenntnissen hatte rotes Licht in Kombination mit 3 g/l nanochelatisiertem Kalium den größten Effekt auf den Anstieg des Phenolgehalts der Blütenblätter, der bei 140,92 mg Gallussäure/g FW lag, was einen Anstieg der Gesamtphenolgehalte der Blütenblätter im Vergleich zur Kontrolle zeigt (Tisch 3).

Die Ergebnisse zeigten, dass die Wechselwirkung von Licht und nanochelatierten Kaliumbehandlungen zu einem Anstieg der Flavonoide in Blättern und Blütenblättern führte. Wie in Tabelle 3 gezeigt, wurde die höchste Menge an Flavonoiden aus Blättern und Blütenblättern in Gegenwart von rotem Licht und einer Konzentration von 3 g/l nanochelatisiertem Kalium gewonnen, und die niedrigste Menge wurde bei der Kontrollbehandlung beobachtet.

Licht in Kombination mit Nano-Chelat-Kalium-Behandlungen beeinflusst die antioxidative Kapazität. Die Behandlung mit rotem Licht in Kombination mit den Konzentrationen von 1,5 und 3 g/l nanochelatisiertem Kalium hatte den größten Effekt auf die Steigerung der antioxidativen Kapazität (Tabelle 3).

Den Ergebnissen der ANOVA zufolge war die Wirkung der Lichtbehandlung auf den Wasserstoffperoxidgehalt der Blütenblätter mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 % signifikant (Tabelle 2). Der Vergleich der Mittelwerte zeigte, dass sowohl die Behandlung mit rotem als auch mit blauem Licht die Menge an H2O2 reduzierte und die geringste Menge an Wasserstoffperoxid (0,141 μmol/g FW) bei Pflanzen beobachtet wurde, die mit rotem Licht behandelt wurden (Abb. 3h).

Unsere Ergebnisse zeigten, dass die kombinierte Verwendung von Lichtbehandlung und nanochelatisiertem Kalium zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Blumenvase führte. Wie Tabelle 3 zeigt, wurde die höchste Haltbarkeit (26 Tage) bei der Behandlung mit Rotlicht in Kombination mit der Konzentration von 3 g/l nanochelatisiertem Kalium beobachtet. Die niedrigste Vasenlebensdauer (13,66 Tage) wurde bei der Kontrollbehandlung beobachtet.

Basierend auf unseren Erkenntnissen, wie in Abb. 2a–d zu sehen ist, führte die Verwendung von nanochelatisiertem Kalium und rotem Licht zu einer Erhöhung der Höhe des Blütenstiels sowie zu einer Erhöhung seines Frisch- und Trockengewichts und des Blattes Bereich. Zur Bestätigung der vorliegenden Forschung waren in der von Poudel et al.27 durchgeführten Studie die Länge von Stängel und Internodium sowie die Anzahl der Blätter von Weintraubensämlingen, die mit rotem LED-Licht gezüchtet wurden, höher als bei denen, die mit blauem LED-Licht gezüchtet wurden28.

In der vorliegenden Studie führte die Behandlung mit rotem Licht, wie in Abb. 3a dargestellt, zu einer Erhöhung der stomatären Leitfähigkeit. Zeaxanthin ist einer der Bestandteile des Xanthophyllzyklus im Chloroplasten, nimmt bei Licht zu und bei Dunkelheit ab. Andererseits verringert rotes und blaues Licht den Säuregehalt des Lumens und erhöht somit den Gehalt an Zeaxanthin29; Das heißt, es stimuliert die Öffnung der Stomata, was zu einer stärkeren Leitfähigkeit der Stomata führt, während Dunkelheit und grünes Licht die Öffnung der Stomata verhindern29,30. Kalium spielt eine entscheidende Rolle bei der Turgorregulation in den Schließzellen während der Stomatabewegung31. Da ein schneller Transport von K+ von den Schließzellen in den Blattapoplasten zum Verschluss der Stomata führte, ist es vernünftig anzunehmen, dass ein Zustand mit K-Mangel die Öffnung der Stomata stören könnte. Über die induzierende Wirkung von K+-Mangel auf den Stomatenverschluss und die gehemmte Photosynthese wurde bei mehreren Kulturpflanzen berichtet32,33.

Höhenzunahme aufgrund des Vorhandenseins von blauem Licht bei einigen Pflanzen wie Chrysanthemen (Chrysanthemum morifolium)34, Petersilie (Petroselinum Crispum)35, Petunien (Petunia × hybrida)36 und Höhenreduzierung bei Pflanzen wie Arabidopsis37 und Weihnachtsstern (Euphorbia pulcherrima). )38 wurde berichtet, was zeigt, dass verschiedene Pflanzen unterschiedlich auf die blauen Lichtspektren reagieren. Blaues Licht beeinflusst die Expression und Funktion einiger Gene, die für den Gibberellin-Metabolismus verantwortlich sind (z. B. GA20ox), und führt bei einigen Pflanzenarten zur Erzeugung eines Signals durch Cryptochrom-Pigmente und zur Verringerung der Gibberellin-Produktion, was zu einer Verringerung des Stammes führt Höhe. Während bei einigen anderen Arten die Produktion von Gibberellin zunimmt und die Körpergröße in diesem Prozess zunimmt39,40. Es wurde berichtet, dass ein enger Zusammenhang zwischen Kalium und dem Wachstum von Meristemgewebe besteht und dass dieses Element die Biosynthese von Pflanzenwachstumsregulatoren wie Gibberellin und Auxin stärkt, was zu einer erhöhten Zelllänge und damit zu einem Längswachstum der Pflanze führt Organe41. In einer ähnlichen Studie berichteten AM El-Naggar und B El-Nasharty42, dass die Verwendung von Blattbesprühung mit 2 % Kalium zusammen mit der Bodenanwendung von 100 % Kalium die signifikantesten Auswirkungen auf die Pflanzenhöhe, die Anzahl der Blätter pro Pflanze und die Frische hatte und Trockengewicht der Blätter, Anzahl der Blüten pro Ähre, Blütchendurchmesser, Ährenlänge, Frisch- und Trockengewicht der Blütchen, neuer Knollendurchmesser, Frischgewicht und Anzahl der Knollen pro Pflanze bei Gladiolen.

In verschiedenen Studien wurde berichtet, dass der Wellenlängenbereich von 640–670 nm (rotes Licht) die Photosyntheseaktivität, die Pflanzenbiomasse und das Blattwachstum wirksam fördert. Es spielt auch eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung des Photosyntheseapparats, der Nettorate der Photosynthese und des Primärstoffwechsels43,44.

Das Öffnen der Stomata erfolgt als Reaktion auf niedrige Konzentrationen an innerem Kohlendioxid, hohe Lichtintensität und hohe Luftfeuchtigkeit45. Bei geringer Kaliumverfügbarkeit sind Pflanzen anfälliger für das Welken, und ein leichter Kaliummangel beeinträchtigt die Photosyntheserate, indem er die Stomata-Leitfähigkeit und photosynthetische biochemische Reaktionen verringert46. Die Anwendung von 2,5 g/l Nanokaliumdünger führte bei Kürbispflanzen (Cucurbita pepo) zu einer Erhöhung der Spaltöffnungsleitfähigkeit und des Stammdurchmessers47. In einer anderen Studie führte die Verwendung von Kaliumsulfat zu einer Erhöhung des Frisch- und Trockengewichts, der Pflanzenhöhe, der Wurzellänge und der Blattfläche des Indischen Senfs (Brassica juncea L.)48.

Kalium ist ein Makronährstoff, der eine entscheidende Rolle bei vielen pflanzenphysiologischen Prozessen spielt, wie z. B. bei der Anschwellung und Ausdehnung der Zellen, der Osmoregulation, dem Öffnen und Schließen der Stomata, und auch als Aktivator für mehrere Enzyme fungiert49. Es scheint, dass es auf diese Weise in der vorliegenden Studie zu einer Erhöhung der stomatären Leitfähigkeit geführt hat. Ähnlich wie in der vorliegenden Studie erhöhte rotes LED-Licht in einer Studie das Frisch- und Trockengewicht der oberirdischen Teile, die Anzahl der Stängel, Blätter und die Stängelhöhe bei Sämlingen der Zitronenmelisse (Melissa officinalis) im Vergleich zu blauem LED50.

Unsere Ergebnisse stimmen mit den Ergebnissen von Ouzounis et al.51 überein, die berichteten, dass die Gesamtbiomasse und Höhe von Rosen mit einem höheren Verhältnis von rotem zu blauem Licht zunahm. Die Ergebnisse zeigen, dass die Reaktion von Pflanzen auf bestimmte Lichtspektren oder deren unterschiedliche Verhältnisse von der Art oder Sorte abhängt. Es wurde über die verbessernde Wirkung von blauem und rotem Licht bei der Steigerung des Wachstums von Pflanzen wie Salat (Lactuca sativa), Rettich (Raphanus sativus) und Spinat (Spinacia oleracea)52,53, Petunie54 und Gemeiner Fichte (Picea abies)55 berichtet. Eine Gruppe von Forschern glaubt, dass das Vorhandensein geringer Intensitäten von blauem Licht die Aktivität von Pigmenten wie Phototropinen steigern und dadurch das Wachstum von Pflanzen steigern kann, andererseits aber auch auf die unterschiedlichen Auswirkungen von blauem Licht auf andere Photorezeptoren zurückzuführen ist B. Cryptochrom und Phytochrome, ist es möglich, dass die Reaktion und Reaktion verschiedener Pflanzenarten auf das Wachstum voneinander abweichen56,57. Rotes Licht wird von Phytochrom empfangen und beeinflusst die produktive Biomasse und das Wachstum von Pflanzen58. Blaues Licht beeinflusst auch photomorphologische Reaktionen (z. B. die Anpassung der Blattfläche und des Aussehens) durch Phototropine und Cryptochrome, die unabhängig oder synergistisch mit Phytochrom wirken59,60.

Das Vorhandensein von Kohlenhydraten ist für die Entwicklung und Öffnung der Blüten notwendig. Kohlenhydrate bewirken eine stärkere Wasseraufnahme, was den Zellturgor und die Frische der Blütenblätter erhöht, und daher ist eine Vergrößerung des Blütendurchmessers zu erwarten61. In der vorliegenden Studie führte die Wechselwirkung von Licht und der Behandlung mit nanochelatisiertem Kalium zu einem Anstieg des Gehalts an photosynthetischen Pigmenten (Abb. 3c) und zur Anreicherung von Kohlenhydraten. Angesichts der Rolle von Kohlenhydraten bei der Steigerung der Wasseraufnahme ist zu erwarten, dass das Frischgewicht der Blütenstiele zunimmt.

Chlorophyll und Carotinoide spielen durch ihre Beteiligung am Lichteinfangkomplex eine sehr wichtige Rolle für die Effizienz der Photosynthese, Lichtabsorption und Elektronenübertragung62. Laut der von Massa et al.63 und Niakan et al.64 durchgeführten Forschung wurde die verbessernde Wirkung von Licht auf Wachstum und Chlorophyllgehalt hervorgehoben. Rotes und weißes Licht beeinflusst die Produktion von Chlorophyll-Vorläufern und steigert die Chlorophyll-Biosynthese. Die Bestrahlung mit rotem Licht allein war für die Chlorophyll-Biosynthese erfolglos, während die Kombination von Bestrahlung mit blauem und rotem Licht für diesen Prozess notwendig war und die Chlorophyll-Biosynthese und damit die Photosyntheserate verbesserte65. Das rote Licht des sichtbaren Spektrums wird für das Wachstum des Photosyntheseapparats und die Photosynthese benötigt, während das blaue Licht für die Synthese von Chlorophyll, Chloroplasten, Spaltöffnungen und Photomorphogenese benötigt wird66. Die Steigerung der Photosynthesemenge in der vorliegenden Studie aufgrund der Rotlichtbehandlung hängt wahrscheinlich mit der Entwicklung des Photosyntheseapparats zusammen. Rotes Licht in Kombination mit blauem Licht eignet sich am besten für die Photosynthese10. Blaues Licht beeinflusst die Breite der Spaltöffnungen und die Leitfähigkeit der Spaltöffnungen, die Pflanzenhöhe und die Chlorophyll-Biosynthese67. Zur Bestätigung der Ergebnisse der vorliegenden Studie berichteten Chung et al.68 über einen Anstieg des Chlorophyllgehalts in Orchideenpflanzen (Oncidium 'Gower Ramsey), die kombiniertem rotem und blauem Licht ausgesetzt waren.

In dieser Studie führte die Verwendung von nanocheliertem Kalium zu einem Anstieg der photosynthetischen Pigmente. Kalium hat keinen direkten Einfluss auf die Aktivität des Rubisco-Carboxylase-Enzyms, aber durch die Steigerung der Synthese von Carboxylierungsenzymen wie Phosphoenolpyruvat-Carboxylase (PEP-Fall) stimuliert es die Stabilisierung von Kohlendioxid und erhöht die Photosyntheserate69. Es wurde berichtet, dass die Verwendung unterschiedlicher Konzentrationen von nanocheliertem Kalium zu einem deutlichen Anstieg der Menge an Chlorophyll a und b, der Menge an löslichen Zuckern und des Proteingehalts in den Blättern von Pflanzen führen kann70. Zur Bestätigung der Ergebnisse der vorliegenden Studie berichteten AM El-Naggar und B El-Nasharty42 über einen Anstieg des Gehalts an Chlorophyll a und b in den Blättern der Gladiolenpflanze als Reaktion auf die Kaliumanwendung.

Gemäß Abb. 3e–f erhöhte die Behandlung mit rotem Licht und nanocheliertem Kalium die Menge an löslichen Kohlenhydraten. Auch die Menge an Gesamtprotein und Anthocyanin der Blüten wurde durch die Wechselwirkung von Licht und nanochelatisiertem Kalium beeinflusst (Abb. 3d, g). Licht verursacht durch die Aktivierung einiger Gene (CHS, CHI und F3H), die an der Anthocyan-Biosynthese beteiligt sind, die Anreicherung von Anthocyan in grünen Geweben und kultivierten Zellen71. Untersuchungen zeigen, dass die Kombination von blauem und rotem LED-Spektrum neben monospektralem Rotlicht auch die Anreicherung von Primärmetaboliten sowie den Anstieg von Anthocyanen, Polyphenolen und Flavonoiden verursacht72,73. Allerdings haben rote LEDs einen größeren Einfluss auf die Anreicherung von Anthocyanen als blaue LEDs. Dieses Problem könnte auf die erhöhte Expression von Anthocyan-Biosynthesegenen (z. B. MdMYB10 und MdUFGT) aufgrund der Rotlichtbehandlung zurückgeführt werden74. Es wurde nachgewiesen, dass Kalium die Produktion von Stärke und Kohlenhydraten erhöht75. Chalkonisomerase, eines der Schlüsselenzyme der Anthocyan-Biosynthese, kann durch ein Signal von löslichen Kohlenhydraten aktiviert werden, sodass die Anreicherung von Kohlenhydraten die Produktion von Anthocyanen steigern kann76. Ergebnisse einer Untersuchung zur Färbung der Blütenblätter von Prunus × yedoensis „Somei-yoshino“ zeigten, dass eine Kombination aus blauem und rotem Licht eine stärkere Anthocyanproduktion verursacht als monochromatisches blaues Licht, was auf eine Korrelation zwischen blauen und roten Lichtrezeptoren hinweist77.

Die Ergebnisse zeigten, dass Kalium eine wesentliche Rolle beim Aufbau von Polymerverbindungen in Pflanzen spielt. In Pflanzen, die unter Kaliummangel leiden, reichern sich Einfachzucker, lösliche Stickstoffverbindungen und Aminosäuren an und die Menge an Stärke und Blattprotein wird reduziert78. Kalium ist an der letzten Stufe des Proteinproduktionsprozesses beteiligt. K+ ist ein Aktivator Dutzender wichtiger Enzyme und trägt zur Proteinsynthese, zum Zuckertransport, zum N- und C-Stoffwechsel und zur Photosynthese bei. Es spielt eine wichtige Rolle bei der Verbesserung des Ernteertrags und der Qualität31,79,80,81,82,83. Daher ist davon auszugehen, dass der Einsatz von nanocheliertem Kalium ein Grund für den Anstieg des Proteingehalts sein könnte.

In der vorliegenden Studie führte die Anwendung von rotem Licht und nanochelatisiertem Kalium zu einer Erhöhung der antioxidativen Kapazität und der Menge an phenolischen Verbindungen und Flavonoiden der Blütenblätter. Es wurde ein direkter Zusammenhang zwischen den antioxidativen Eigenschaften und der Menge an Phenolverbindungen und dem Anthocyangehalt in Lorbeerbeeren (Myrica pensylvanica)84 und Blaubeeren (Vaccinium corymbosum)85 berichtet. Die Lichtqualität hat einen erheblichen Einfluss auf die Anreicherung verschiedener Metaboliten in Pflanzen86. Flavonoide sind an vielen Aspekten des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung beteiligt, einschließlich der Resistenz gegen Krankheitserreger, der Pigmentproduktion, dem Schutz vor UV-Strahlen, der Pollenentwicklung und der Entwicklung der Samenschale87. Der Anstieg der Gesamtmenge an phenolischen Verbindungen aufgrund der Kaliumbehandlung kann auf die erhöhte Expression von Genen zurückgeführt werden, die an der Biosynthese von Phenylpropanoiden beteiligt sind, und insbesondere auf die erhöhte Expression des Gens, das für die Biosynthese des Enzyms Phenylpropan verantwortlich ist. Alanin-Ammonialyase (PAL), das erste Enzym im Syntheseweg der phenolischen Verbindung88.

Wie in Abb. 3h zu sehen ist, führte die Wechselwirkung von Licht und nanochelatisiertem Kalium zu einer zweifachen Verlängerung der Vasenlebensdauer von Schnittrosen. Die Alterung von Pflanzen ist ein oxidativer Prozess und umfasst biochemische, physiologische, hormonelle und strukturelle Veränderungen, die zur Zerstörung großer Moleküle wie Proteine, Nukleinsäuren und Lipide führen89. Einer der Gründe für die Seneszenz in Pflanzengeweben ist die Beteiligung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), einschließlich Wasserstoffperoxid und Hydroxyl, die die Produktion freier Radikale und die Zerstörung von Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren und schließlich die Seneszenz der Blüten verursachen90,91. Rotes Licht erhöht den Gesamtphenolgehalt sowie die Radikalfängerkapazität92, was die Alterung der Blüten verlangsamt. Kalium ist ein essentieller Makronährstoff, der in vielen physiologischen Aspekten im Zusammenhang mit der osmotischen Anpassung, der Aufrechterhaltung des Turgordrucks, der Zellexpansion, dem Ausgleich des elektrischen Potenzials der Plasmamembran und der homöostatischen Regulierung des pH-Werts 49 beiträgt. In der vorliegenden Studie führte die Anwendung von rotem Licht und nanochelatisiertem Kalium zu einer Verbesserung einiger Indikatoren im Zusammenhang mit der Blütenqualität und der Haltbarkeit in der Vase, wie z. B. dem Gehalt an photosynthetischen Pigmenten, der antioxidativen Kapazität und den phenolischen Verbindungen, sodass davon ausgegangen werden kann, dass sich die Haltbarkeit in der Vase verbessert Die Zahl der Rosenblüten wird durch die Behandlung mit Rotlicht und nanocheliertem Kalium erhöht.

Der Einsatz von LED-Beleuchtung und nanocheliertem Kalium verbesserte die morphologischen und biochemischen Eigenschaften der „Dolce Vita“-Rosenblüte. Rotes Licht in Kombination mit nanochelatisiertem Kalium erhöhte die Photosyntheserate und Biomasse von Rosenpflanzen (Abb. 4). Die biochemischen Merkmale wie Proteingehalt, Antioxidantiengehalt, Gesamtphenole und Flavonoide wurden ebenfalls durch rotes Licht und nanocheliertes Kalium beeinflusst, was zu einer Farbverstärkung am Rand der Blütenblätter und höheren Marktfähigkeitswerten führte. Darüber hinaus wurde die Lebensdauer der Blumenvase deutlich erhöht. Im Allgemeinen lässt sich der Schluss ziehen, dass der Einsatz von rotem Licht und nanochelatisiertem Kalium die Qualität der produzierten Blüten wirksam verbessern kann, insbesondere in Jahreszeiten, in denen die Lichtintensität und -dauer bei Pflanzen abnimmt.

Ein schematisches Arbeitsmodell des experimentellen Designs und der Ergebnisse.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Abteilung für Gartenbauwissenschaften, Fakultät für Landwirtschaft, Universität Urmia, Postfach: 165-5715944931, Urmia, Iran

Zahra Heidari, Parviz Noruzi, Javad Rezapour-fard und Zohreh Jabbrazadeh

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ZH und PN haben das Hauptmanuskript geschrieben. JR hilft bei der statistischen Analyse und dem experimentellen Design. ZJ ist in einigen Prozessverfahren beratend tätig. Außerdem haben alle Autoren das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Parviz Noruzi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Heidari, Z., Noruzi, P., Rezapour-fard, J. et al. Unterschiedliche LED-Lichtspektren und nanocheliertes Kalium beeinflussen die Qualitätsmerkmale von Dolce Vita-Schnittrosen im erdlosen Kulturzustand. Sci Rep 13, 6769 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34056-4

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Eingegangen: 25. Oktober 2022

Angenommen: 24. April 2023

Veröffentlicht: 25. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34056-4

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