橙光光子(623 nm)与红光光子(660 nm)对生菜形态、光捕获及光合作用的对比研究：生长优势与机制解析

这篇研究通过对比橙光(623 nm)与红光(660 nm)对两种生菜品种的长期影响，揭示了橙光在促进叶片扩张（总叶面积增加12-15%）和生物量积累中的优势，同时阐明了其通过隐花色素（Cryptochromes）失活和光穿透性增强的协同机制。研究还发现远红光（FR）的加入可进一步放大生长效应，但会降低花青素（Anthocyanin）积累。尽管橙光的光合量子产率（Quantum Yield）更高（约10%），但其LED能效较低，为可控环境农业（CEA）的光谱优化提供了关键权衡依据。

　　

引言

窄谱LED在可控环境农业（CEA）中的应用为作物光质调控提供了精准工具。传统 horticultural LED以蓝光（450 nm）和红光（660 nm）为主，因其与叶绿素吸收峰匹配且能效高。然而，橙光光子（600–625 nm）在早期研究中显示出更高的量子产率（CO₂固定摩尔数/吸收光子摩尔数），但其长期形态与生理效应尚不明确。本研究通过对比橙光（623 nm）与红光（660 nm）对两种生菜（绿奶油生菜‘Rex’和红叶橡木生菜‘Rouxai’）的影响，结合远红光（FR）交互作用，系统评估了光谱对生长、光合及次生代谢的调控机制。

材料与方法

实验设计四种光谱处理：1) 基础蓝绿橙光（B₅₀G₂₅O₁₇₅）；2) 基础蓝绿红光（B₅₀G₂₅R₁₇₅）；3) 橙光+FR（B₅₀G₂₅O_137.5FR_37.5）；4) 红光+FR（B₅₀G₂₅R_137.5FR_37.5），总光通量密度（TPFD）均为250 μmol m^-2 s^-1。通过叶面积仪、光合仪（LI-6800）及光谱吸收测定，量化了生物量、光合参数及色素含量。

结果

生物量与形态：橙光处理下，‘Rex’成熟期地上部干重和总叶面积显著高于红光处理（分别增加15%和12%），而‘Rouxai’仅叶面积增加10%。FR的加入使两品种生物量进一步提升，但橙光+FR与红光+FR无显著差异。
光合特性：橙光单色光（O₂₅₀）下的量子产率比红光（R₂₅₀）高10%，但入射光子基础上的净光合速率（P_net）较低，可能与橙光叶片透射率更高有关。
色素调控：橙光显著降低‘Rouxai’花青素指数（NDAI降幅达45.8%），但提升‘Rex’叶绿素含量。FR则普遍降低叶片质量 per 面积（LMA）和光吸收率。

讨论

橙光优势机制：橙光通过隐花色素（Cryptochrome）的FADH?→FADH^-转化抑制其活性，促进叶片扩张；其较长波长（623 nm）还增强冠层光穿透，支持底层光合作用。
FR的协同与覆盖效应：尽管FR通过降低光敏色素稳态（PSS）促进遮荫响应，但其对形态的强调控可能掩盖橙光与红光的差异。
应用权衡：当前橙光LED能效低于红光，需平衡生长增益与能耗成本。

结论

橙光在生菜栽培中展现出显著的形态与光合优势，但其对次生代谢的抑制及能效限制提示光谱设计需综合考虑作物需求与经济效益。未来研究可探索橙光与其他波段的协同配比，以优化可控环境农业生产体系。