基于光线追踪法的植物器官光环境模拟：探究生长室内植物光响应的新方法

为解决生长室内植物器官光质与光量精准模拟的难题，研究人员通过光线追踪法（ray-tracing）结合虚拟场景重建，开发了一套高精度光气候（phylloclimate）模拟框架。研究提出创新性校准策略，通过有限测量点实现多波段（PAR/MAR）光分布模拟，验证了玫瑰冠层内器官尺度光环境的时空变异性（RMSE 0.011–0.038 μmol m?2s?1nm?1），并揭示光调控玫瑰分枝的潜在机制，为设施农业光环境优化提供新工具。

　　

在设施农业和植物工厂蓬勃发展的今天，生长室（growth chamber）作为可控环境研究的核心平台，其内部复杂的光环境却成为困扰科学家的"黑箱"。传统测量方法受限于传感器数量与空间分辨率，难以捕捉植物器官尺度的光质（light quality）与光量（light quantity）动态变化。更棘手的是，金属卤素灯各向异性的发光特性、生长室材料的光学异质性以及植物冠层结构的动态变化，共同构成了一个充满挑战的光学迷宫。

法国昂热大学（Univ Angers）联合法国农业科学院（INRAE）的研究团队在《Biosystems Engineering》发表的研究中，创新性地将计算机图形学领域的光线追踪技术（ray-tracing）引入植物学研究。通过SEC2光模拟框架，研究人员构建了包含16种金属卤素灯、多材质生长室结构和数字化玫瑰植株的虚拟场景，采用蒙特卡洛方法（Monte Carlo）模拟了从宽波段光合有效辐射（PAR, 400–700 nm）到窄波段形态建成活性辐射（MAR，如655–665 nm红光和725–735 nm远红光）的光子传输过程。研究特别关注了玫瑰冠层内器官取向（水平叶片与垂直茎段）对光拦截的影响，并通过5种不同构型的植株排列量化了建筑结构引发的光环境变异性。

关键技术突破体现在三方面：首先，提出"光谱后校准"策略，通过加权12个特征波段（400–800 nm）的模拟光子数还原真实光源光谱；其次，建立基于生长室几何特征的"关键点选择法则"，仅需8-12个校准点即可预测全空间光分布；第三，开发双传感器校准系统，分别处理垂直（90°）和水平（0°）取向的器官受光情况，克服余弦校正器（cosine corrector）对掠射光的测量偏差。

光分布模拟验证

在无植物生长室中，模型成功再现了距光源不同距离（10–90 cm）和不同壁材（穿孔金属/白色墙体）引发的光强梯度，PAR波段模拟与实测的r²达0.93。特别值得注意的是，针对窄波段红光（10 nm带宽）的模拟精度（RMSE 0.011 μmol m^?2s^?1nm^?1）打破了以往仅验证宽波段（100 nm）的局限。

冠层光气候解析

在包含16株玫瑰的冠层中，模型准确捕捉到两个反直觉现象：垂直剖面上，中层叶片（相对秩0.5）的光强变异系数最大，源于该区域叶片大小与间隙的随机组合；水平剖面上，远红光（725–735 nm）在冠层边缘的透射率异常升高，反映叶片对该波段的高透射特性（transmittance 0.45–0.55）。侧向传感器数据显示，茎段拦截的光强与叶片存在显著差异（p<0.01），揭示器官取向是光微环境（micro-local variability）的关键决定因子。

玫瑰分枝调控机制

应用该模型解析早期遮荫（LH处理）促进分枝的悖论时发现：尽管恢复高光强后，LH与持续高光（HH）处理的植株接受相同入射光强（420 μmol m^?2s^?1），但LH植株通过延长节间（internode length+28%）和扩大基叶面积（leaf area+35%）显著提高了茎干（+22%）和基叶（+18%）的光拦截量。这为"糖信号-细胞分裂素（cytokinin）"协同调控分枝的假说提供了空间解析证据。

讨论部分强调，该研究首次实现了生长室内器官尺度光环境的全波段、多取向精准模拟，其创新校准策略可推广至LED光源的植物工厂。模型揭示的建筑结构-植物形态-光分布的反馈循环（feedback loop），为理解"遮荫-复光"引发的补偿性生长提供了新视角。未来结合自动三维表型组学（3D phenotyping）技术，该框架有望动态解析光信号调控植物发育的时空轨迹。