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光照對植物生長的作用

光對植物生長的影響,除通過代謝作用影響其生長外,還可通過抑制細(xì)胞生長、促進(jìn)細(xì)胞分化對植物器官分化和形態(tài)產(chǎn)生直接影響。光對植物形態(tài)建成產(chǎn)生的直接影響稱光范型作用。光是綠色植物正常生長所必須的條件,其影響植物生長的光照因素主要有光照強(qiáng)度、光照波長和光照時(shí)間。

光對植物的生長發(fā)育具有特殊重要的地位,它影響著植物幾乎所有的生長階段。光對植物的作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:

一是為植物光合作用提供輻射能;

二是作為信號調(diào)節(jié)植物整個(gè)生命周期的許多生理過程。

 

光照對于植物生長的影響——光合作用和光敏色素

 

通常植物的生長發(fā)育會依賴太陽光,但蔬菜、花卉等其他經(jīng)濟(jì)作物的工廠化生產(chǎn)、組織培養(yǎng)及試管苗的繁殖等還需人造光源進(jìn)行補(bǔ)充光照,以促進(jìn)光合作用的進(jìn)行。

 

光合作用是指綠色植物通過葉綠體,利用光能,把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成儲存著能量的有機(jī)物,并且釋放出氧的過程。這個(gè)過程的關(guān)鍵參與者是植物細(xì)胞內(nèi)部的葉綠體。葉綠體在陽光的作用下,把經(jīng)由氣孔進(jìn)入葉子內(nèi)部的二氧化碳和由根部吸收的水轉(zhuǎn)變成為葡萄糖,同時(shí)釋放氧氣。

 

發(fā)生光反應(yīng)的光系統(tǒng)由多種色素組成,如葉綠素a(Chlorophyll a)、葉綠素b(Chlorophyll b)、類胡蘿卜素(Catotenoids)等。葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的主要吸收光譜集中在450nm和660nm,因而為了促進(jìn)光合作用,主要采用450nm的深藍(lán)光LED和660 nm的超紅光LED,再加部分白光LED的組合來實(shí)現(xiàn)的LED植物補(bǔ)光照明。

 

為了能夠感知周圍環(huán)境的光強(qiáng)、光質(zhì)、光向和光周期并對其變化做出響應(yīng),植物進(jìn)化出了光感受系統(tǒng)(光受體)。

光受體是植物感受外界環(huán)境變化的關(guān)鍵,在植物光反應(yīng)中,主要的光受體就是吸收紅光/遠(yuǎn)紅光的光敏色素(phytochrome)。

光敏色素是一類對紅光和遠(yuǎn)紅光吸收有逆轉(zhuǎn)效應(yīng)、參與光形態(tài)建成、調(diào)節(jié)植物發(fā)育的色素蛋白,它對紅光(red light,R)和遠(yuǎn)紅光(far red light,F(xiàn)R)極其敏感,在植物從萌發(fā)到成熟的整個(gè)生長發(fā)育過程中都起到重要的調(diào)節(jié)作用。

植物體內(nèi)的光敏色素以兩種較穩(wěn)定的狀態(tài)存在:紅光吸收型(Pr,lmax=660nm)和遠(yuǎn)紅光吸收型(Pfr,lmax=730nm)。兩種光吸收型在紅光和遠(yuǎn)紅光照射下可以相互逆轉(zhuǎn)。光敏色素(Pr,Pfr)對植物形態(tài)的作用包括種子萌發(fā)、去黃化作用、莖的伸長、葉的擴(kuò)展、避蔭作用以及開花誘導(dǎo)等。

 

因而完整的LED植物照明方案,不僅需要450nm的藍(lán)光和660 nm的紅光,也需要730 nm的遠(yuǎn)紅光。深藍(lán)光(450nm)和超紅光(660nm)可提供光合作用所需的光譜,遠(yuǎn)紅光(730nm)可控制植物從發(fā)芽到營養(yǎng)生長再到開花的整個(gè)過程。

 

730nm遠(yuǎn)紅光LED對于植物的兩大影響 

避蔭作用

如果植物僅僅被660nm的深紅光所照射,植物會感覺是在太陽光的直接照射下,從而正常地生長。而如果植物主要被730nm的遠(yuǎn)紅光所照射,植物會感覺像是被另外一顆的植物遮擋住了太陽的直射光,因而該植物就會更加努力的生長以突破遮擋,也就是有助于植物長得好,但并不意味著一定會有更多的生物量(bio mass)。

 

開花誘導(dǎo)作用

730nm遠(yuǎn)紅光在園藝照明應(yīng)用中的另一個(gè)重要作用是可以通過660nm和730nm的照明來控制開花的周期,而不需要僅依賴于季節(jié)的影響,這對于觀賞性花卉有著重要價(jià)值。光敏色素Pr向Pfr的轉(zhuǎn)換主要由660nm的深紅光(代表白天的太陽光)來誘發(fā),而Pfr向Pr的轉(zhuǎn)換通常在晚上時(shí)間自然發(fā)生,也可以由730nm遠(yuǎn)紅光照射來激發(fā).

 

光敏色素控制植物的開花主要取決于Pfr/Pr的比值,因此我們可以通過730 nm的遠(yuǎn)紅光照射來控制Pfr/Pr值,從而較精確地控制開花的周期。

 

LED植物照明的定制化光配方

 

LED用于園藝照明,可促進(jìn)植物生長速度提升40%或靈活控制花期。由于單顆 LED相互獨(dú)立,可在溫室中輕松操控照明性能。

 

LED本身的光合光子通量(Photosynthetic Photon Flux,PPF)光效很高,LED的典型PPF光效在2.3mol/J左右,超紅(660nm)LED的典型PPF光效在3.1mol/J左右,再加上LED的波長與葉綠素a/b、類胡蘿卜素及光敏色素Pr/Pfr吸收光譜非常匹配,可以實(shí)現(xiàn)高效照明并明顯降低能耗。

 

LED不會在照明方向散發(fā)熱量,不會使植物受損,適合于頂部照明、內(nèi)部照明和多層培植。R/FR比值是紅光(660 nm)與遠(yuǎn)紅光(730 nm)光強(qiáng)的比值。R/B比值是紅光(660 nm)與藍(lán)光(450nm)光強(qiáng)的比值。通過對R/FR比值和R/B比值的控制,可實(shí)現(xiàn)針對各種植物的定制化光配方。

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