生菜发育阶段特异性RGB光质序贯调控策略通过延续效应显著提升生物量

本研究针对人工光栽培中静态光环境难以匹配植物动态生理需求的问题，通过响应面分析法（RSM）优化生菜不同生长阶段的红（R）、绿（G）、蓝（B）光配比。研究发现早期阶段（ES）采用R:G:B=44.2:55.8:0的光质组合可促进冠层光捕获形态建成，而后期阶段（LS）采用R:G:B=25.2:57.8:16.9的光质组合能有效维持光合效能。序贯光调控处理最终使生物量显著高于静态优化与白光对照组，为设施农业动态光环境管理提供了理论与实践依据。

　　

在人工光型植物工厂快速发展的背景下，光环境调控已成为提升作物产量与品质的核心手段。传统栽培系统多采用静态光配方，忽视了植物在不同发育阶段对光质的动态响应需求。红光（R, 600-700 nm）和蓝光（B, 400-500 nm）因被光合色素高效吸收而备受关注，而绿光（G, 500-600 nm）虽吸收效率较低，却具有深层组织穿透能力并能诱导避荫反应形态变化。研究表明，光质不仅通过光合作用直接影响能量供给，还通过光敏素（phytochromes）、隐花素（cryptochromes）等光受体介导的信号通路调控植株形态建成，进而间接影响光能利用效率。这种光质与植物生长的非线性关系使得光谱优化成为复杂的多变量问题。为此，Lim和Oh在《BMC Plant Biology》发表研究，通过阶段特异性光质优化策略，系统探究了RGB光质序贯调控对生菜生长的促进作用及其生理机制。

本研究采用响应面分析法（Response Surface Methodology, RSM）这一多变量优化统计技术，结合单纯形轴向混合设计，在固定总光量子通量密度（PPFD, 200 μmol m^-2 s^-1）下解析R、G、B光质配比对生菜生长的交互影响。实验以“Fairly”黄油生菜为材料，在环境可控的生长室内进行水培。生长阶段划分为移植后前2周（早期阶段, ES）与后2周（后期阶段, LS），通过测定鲜重、叶面积、投影叶面积（PLA）及SPAD值等指标评估光质效应，并特别关注早期光处理的延续效应对最终生物量的影响。

优化早期阶段光质配比

通过10种RGB光质组合处理发现，ES期间单色G光或R:G=1:1处理显著提升投影叶面积（PLA），表明绿光主导的光谱可促进叶片平展与光捕获形态建成。尽管单色R光与G光在鲜重和叶面积上无显著差异，但G光处理PLA增加55.4%，说明其更利于冠层发育。通过以4周鲜重为响应变量构建响应曲面，确定ES最优光质配比为R:G:B=44.2:55.8:0（完全剔除蓝光），该处理虽未在2周时显着提高鲜重，但通过形态优化为后期生长奠定基础。

优化后期阶段光质配比

在LS阶段，含蓝光组合表现出必要性。单色B光或高蓝光比例处理（如R:G:B=1:1:4）显著抑制生长，而含适中蓝光（16.9%）的配比R:G:B=25.2:57.8:16.9被确定为最优方案，该组合平衡了光合效率与形态维持需求，避免红光综合征（如叶绿素合成受阻）的发生。

序贯光调控策略的验证

将ES与LS最优光质组合整合为序贯优化处理（ES: R:G:B=44:56:0; LS: R:G:B=25:58:17），并与静态优化（R:G:B=77:23:0）、参考光质（Kong et al.方案）、2700K及5000K白光对比。结果表明：静态优化处理在ES结束时鲜重最高，但序贯优化在收获期以最高鲜重胜出，且SPAD值显著高于静态优化与2700K白光组，说明其兼具生物量与品质优势。2700K白光虽生物量次高，但叶绿素含量低，反映光质对品质参数的特异性调控。

该研究证实了阶段特异性光质调控可通过形态与生理的延续效应显著提升作物生产力。ES阶段剔除蓝光诱导的避荫反应促进了光捕获结构发育，而LS阶段 reintroduction 蓝光则保障了光合效能与正常形态建成。序贯光策略不仅克服了静态光环境的局限性，还为人工光系统的节能优化（如动态调光与光谱调制）提供了理论依据。未来研究可进一步探索光质与光强、光周期的多维互作，以及该策略在果菜类作物与次生代谢物调控中的应用潜力。