远红光（FR）虽驱动叶片光合效率低于光合有效辐射（PAR），但对植物生长的促进作用更显著：生菜光合与生长响应机制解析

本研究发现，远红光（FR，700–750 nm）在与光合有效辐射（PAR，400–700 nm）协同作用时，虽其驱动叶片净光合速率（Pn）的效率仅为PAR的39%–64%，但显著提升植物光能利用效率（LUE）和辐射利用效率（RUE）。FR通过促进叶面积扩展增强光捕获，并平衡光系统I（PSI）与光系统II（PSII）激发，优化光合电子传递链。长期FR驯化降低光合能力与色素含量，但不影响其瞬时光合响应。研究主张将FR纳入扩展PAR（ePAR）定义，为设施农业光环境优化提供理论依据。

　　

1 引言

太阳辐射中约半数被植物用于光合作用，远红光（FR，700–800 nm）波长略高于传统定义的光合有效辐射（PAR，400–700 nm）。FR与PAR协同可通过两种途径促进生物量积累：一是通过扩大叶面积增强光捕获能力；二是通过Emerson增强效应提升光合效率，即FR与较短波长光（600–685 nm）组合可协同激活串联运作的光系统II（PSII）和光系统I（PSI），优化电子传递链。PSI与PSII的激发峰值分别为700 nm与680 nm，单一PAR或FR会导致光系统激发失衡，降低光合效率。近年研究提出FR（700–750 nm）应与PAR同等视为光合有效，并扩展PAR定义至400–750 nm（ePAR），但FR对光合与生长的贡献机制仍存争议。

2 材料与方法

实验以生菜（Lactuca sativa cv. Expertise）为材料，在气候室内进行三周期栽培。设6种光处理：背景PAR为200或400 μmol m^?2 s^?1（红蓝光，RB），分别添加25% PAR或FR（700–800 nm）。测定叶片净光合速率（P_n）对PAR或PAR+FR的响应曲线，分析光利用效率（LUE_inc，基于入射PPFD）、辐射利用效率（RUE_inc，基于入射TPFD）及吸收辐射利用效率（RUE_abs，基于吸收TPFD）。光合参数通过非直角双曲线拟合CO₂响应曲线获取，包括最大羧化速率（VC_max）、电子传输速率（J₁₂₀₀）和磷酸丙糖利用速率（TPU）。色素含量通过分光光度法测定，光吸收特性基于积分球系统量化。

3 结果

3.1 FR对叶片净光合速率的瞬时效应

添加FR可提升P_n，但增幅显著低于添加PAR：在200与400 μmol m^?2 s^?1 PAR背景下，添加50% FR的P_n提升仅为添加50% PAR的39%与45%。但以吸收光子为基准时，FR与PAR的光合效率相近，差异主要源于FR吸收率较低（叶片对FR吸收率仅12%，而对PAR为88%）。

3.2 FR驯化对光合特性与色素的影响

长期FR生长环境导致光合能力下调：VC_max、J₁₂₀₀、TPU、光饱和P_n（P_max）及暗呼吸（R_d）均降低，叶绿素a+b、类胡萝卜素含量及Chl a/b比值下降。但FR驯化未改变叶片对FR的瞬时光合响应。

3.3 FR对植物生长与光能利用效率的效应

FR显著促进生物量积累：在相同总光子通量密度（TPFD）下，添加FR的处理较单一PAR处理获得更高鲜重、干重、叶面积及比叶面积。LUE_inc（基于入射PPFD）在FR存在下显著提升，RUE_abs（基于吸收TPFD）亦增加，表明吸收光能转化为生物量的效率更高。冠层闭合后，FR处理因叶面积扩展增强光拦截，尤其在低叶面积指数阶段优势明显。

4 讨论

4.1 FR提升叶片光合的效能低于PAR

FR在混合光中具光合活性，但效率仅为PAR的39%–64%，主因是其低吸收特性。冠层环境中FR吸收率（约30%）较单片叶（12%）提升，但仍低于PAR。光谱峰值（735 nm）、PAR水平及品种特性可能影响FR效应，但本研究与同类研究的光谱一致性表明差异主要源于吸收率与光系统激发平衡。

4.2 FR驯化不影响光合量子产额

尽管长期FR暴露下调光合参数与色素含量，但叶片对FR的瞬时响应未改变，表明光合机构对FR的量子效率具备稳定性。

4.3 FR提升光能利用效率的机制

FR通过促进叶面积扩展增强光捕获，尤其在冠层未闭合阶段。基于吸收光子的RUE_abs提升可能源于：一是冠层内光分布优化与光合协同效应；二是FR改变干物质组成（如提升碳水化合物占比，降低酚类含量），减少构建与维持消耗。高种植密度（148株/m2）下FR仍显著提升LUE，证实其应用潜力。

5 结论

FR在与PAR协同下具光合活性，但效率低于PAR，差异主要源于光子吸收率而非转化机制。长期FR驯化降低光合能力但不影响瞬时响应。FR通过增强叶面积扩展与光能转化效率提升整体生长效能，支持将FR纳入ePAR定义（400–750 nm），并为光环境设计提供依据。未来需结合冠层光合建模与干物质组成分析深化机制研究。