光照对于植物生长的影响——光合作用和光敏色素

光对植物的生长发育具有特殊重要的地位，它影响着植物几乎所有的生长阶段。

光对植物的作用主要表现在两个方面：

一是为植物光合作用提供辐射能；

二是作为信号调节植物整个生命周期的许多生理过程。

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光照对于植物生长的影响——光合作用和光敏色素

通常植物的生长发育会依赖太阳光，但蔬菜、花卉等其他经济作物的工厂化生产、组织培养及试管苗的繁殖等还需人造光源进行补充光照，以促进光合作用的进行。

光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧的过程。这个过程的关键参与者是植物细胞内部的叶绿体。叶绿体在阳光的作用下，把经由气孔进入叶子内部的二氧化碳和由根部吸收的水转变成为葡萄糖，同时释放氧气。

发生光反应的光系统由多种色素组成，如叶绿素a（Chlorophyll a）、叶绿素b（Chlorophyll b）、类胡萝卜素（Catotenoids）等。叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的主要吸收光谱集中在450nm和660nm，因而为了促进光合作用，主要采用450nm的深蓝光LED和660 nm的超红光LED，再加部分白光LED的组合来实现高效的LED植物补光照明，如图1所示：

为了能够感知周围环境的光强、光质、光向和光周期并对其变化做出响应，植物进化出了光感受系统（光受体）。

光受体是植物感受外界环境变化的关键，在植物光反应中，最主要的光受体就是吸收红光/远红光的光敏色素（phytochrome）。

光敏色素是一类对红光和远红光吸收有逆转效应、参与光形态建成、调节植物发育的色素蛋白，它对红光（red light，R）和远红光（far red light，FR）极其敏感，在植物从萌发到成熟的整个生长发育过程中都起到重要的调节作用。

植物体内的光敏色素以两种较稳定的状态存在：红光吸收型（Pr，lmax=660nm）和远红光吸收型（Pfr，lmax=730nm）。两种光吸收型在红光和远红光照射下可以相互逆转。

光敏色素相关的研究表明，光敏色素（Pr，Pfr）对植物形态的作用包括种子萌发、去黄化作用、茎的伸长、叶的扩展、避荫作用以及开花诱导等。

因而完整的LED植物照明方案，不仅需要450nm的蓝光和660 nm的红光，也需要730 nm的远红光。深蓝光（450nm）和超红光（660nm）可提供光合作用所需的光谱，远红光（730nm）可控制植物从发芽到营养生长再到开花的整个过程。

如图2所示，深蓝（450nm），超红（660nm）和远红光（730nm）的适当组合，便可提供更好的色谱覆盖范围和最佳生长模式。

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730nm远红光LED对于植物的两大影响

1、730nm 远红光的避荫作用

730nm远红光照明对植物的最主要影响之一就是避荫作用（图3）。

如果植物仅仅被660nm的深红光所照射，植物会感觉是在太阳光的直接照射下，从而正常地生长。而如果植物主要被730nm的远红光所照射，植物会感觉像是被另外一颗更高的植物遮挡住了太阳的直射光， 因而该植物就会更加努力的生长以突破遮挡，也就是有助于植物长得更高，但并不意味着一定会有更多的生物量（bio mass）。

2、730 nm 远红光的开花诱导作用

730nm远红光在园艺照明应用中的另一个重要作用是可以通过660nm和730nm的照明来控制开花的周期，而不需要仅依赖于季节的影响，这对于观赏性花卉有着重要价值。

光敏色素Pr向Pfr的转换主要由660nm的深红光（代表白天的太阳光）来诱发，而Pfr向Pr的转换通常在晚上时间自然发生，也可以由730nm远红光照射来激发，如图4所示。

一般认为，光敏色素控制植物的开花主要取决于Pfr/Pr的比值，因此我们可以通过730 nm的远红光照射来控制Pfr/Pr值，从而较精确地控制开花的周期。

3、LED植物照明的定制化光配方

LED用于园艺照明，最高可促进植物生长速度提升40%或灵活控制花期。由于单颗 LED相互独立，可在温室中轻松操控照明性能。

LED本身的光合光子通量（Photosynthetic Photon Flux，PPF）光效很高，深蓝（450 nm）和远红（730nm）光LED的典型PPF光效在2.3?mol/J左右，超红（660nm）LED的典型PPF光效在3.1?mol/J左右，再加上这几款LED的波长与叶绿素a/b、类胡萝卜素及光敏色素Pr/Pfr吸收光谱非常匹配，可以实现高效照明并明显降低能耗。

LED不会在照明方向散发热量，不会使植物受损，适合于顶部照明、内部照明和多层培植等。R/FR比值是红光（660 nm）与远红光（730 nm）光强的比值。R/B比值是红光（660 nm）与蓝光（450nm）光强的比值。通过对R/FR比值和R/B比值的控制，可实现针对各种植物的最佳定制化光配方。