植物個性化生長光控套餐的定制

李澍源，馮奇杰，余文泉，林壽英

（福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002）

植物個性化生長光控套餐的定制

李澍源，馮奇杰，余文泉，林壽英

（福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002）

文章主要介紹根據(jù)不同植物生長特性，并結(jié)合植物中不同光受體對于不同類型光線的吸收對植物內(nèi)部生長發(fā)育產(chǎn)生的影響，給植物制定一個適合自己的光套餐。由于植物有向光性，可以通過在植物不同部位照射不同強(qiáng)度的光，通過光控來讓植物生長成人們所需的造型，稱其為植物生長的光雕刻技術(shù)。

光受體；光套餐；向光性；光雕刻

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)水平的提升，人們在生活水平提高的前提下更加注重個人身體健康的發(fā)展，植物如何更加健康、茁壯地生長也受到人們的關(guān)注。在健康產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)的當(dāng)代，一個問題不僅引發(fā)人們的思考，植物的生長是否也能夠給其一套適合其發(fā)展的健康套餐，像人們注重更好、更均衡的體質(zhì)發(fā)展一樣。并且在人們給植株設(shè)定這樣一個健康套餐，讓植物能夠按照自己需要進(jìn)行健康生長。

光合作用是植物生長的基礎(chǔ)，植物應(yīng)該得到充足的光照才能更好地進(jìn)行光合作用，同時(shí)由于植株葉片的正面含有葉綠體比其反面更多故正面應(yīng)該得到更多的光照。所以說在充足的光照條件下讓植株正面能得到充分的光照，這樣會使植物能夠更好地生長?；诖耍瑢χ仓牦w內(nèi)各種光受體進(jìn)行探究，分析不同的光受體在吸收不同種類的光線后對植物生長機(jī)制的影響，這樣就能根據(jù)不同植物在一天之中給予不同光線一定時(shí)段的照射，讓他們有天然的營養(yǎng)光套餐，能夠更好發(fā)育生長并為人類所利用。

國外的Yorio通過LED對植物進(jìn)行照射研究發(fā)現(xiàn)，用90%紅光LED+10%藍(lán)光LED作為菠菜、蘿卜和生菜補(bǔ)充照明，能夠顯著促進(jìn)其生長發(fā)育；Heo等研究發(fā)現(xiàn)用紅光+藍(lán)光LED作為仙客來的補(bǔ)充光照，可誘導(dǎo)其開花，進(jìn)行10h光周期后，仙客來的開花數(shù)和花芽數(shù)最高；用單獨(dú)的紅光或藍(lán)光LED照射調(diào)控了花梗長度和花期，降低了成花反應(yīng)。我國侯紅英用不同光質(zhì)對油菜、小白菜、番茄進(jìn)行補(bǔ)光栽培實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為藍(lán)光能夠使植株苗更粗壯；紅光能夠極大地促進(jìn)植株光合產(chǎn)物的積累，表現(xiàn)為植株的株高和鮮質(zhì)量明顯提高。

1 光受體的探究分析

（1）植物的光合作用。植物與動物不同，它們沒有消化系統(tǒng)，因此它們必須依靠其他的方式來進(jìn)行營養(yǎng)的攝取，植物就是所謂自養(yǎng)生物的一種。對于綠色植物來說，在陽光充足的白天它們利用太陽光能來進(jìn)行光合作用，以獲得生長發(fā)育必需的養(yǎng)分；但是在光照強(qiáng)度太強(qiáng)的時(shí)候植株的氣孔會關(guān)閉，導(dǎo)致光合作用強(qiáng)度減弱。整個光合作用的關(guān)鍵參與者是植物內(nèi)部的葉綠體，葉綠體在陽光的作用下，把經(jīng)由氣孔進(jìn)入葉子內(nèi)部的二氧化碳和由根部吸收的水轉(zhuǎn)變成為淀粉等物質(zhì)，同時(shí)釋放氧氣。

（2）植物的光受體。光受體是從環(huán)境中吸收光能轉(zhuǎn)變成其他能量形式，在生物體內(nèi)完成一定功能的物質(zhì)之總稱。光受體包括了葉綠素、細(xì)胞色素、光敏色素等，不同的光受體可以對不同的光信號進(jìn)行察覺。植物體內(nèi)存在光敏素、隱花色素、紫外光受體三類不同光受體，這三類光受體可以感知不同的光信號，從而對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生影響。

文章介紹兩種光受體來說明其對某一特殊光源的反應(yīng)，以此說明如何用特定光對植物產(chǎn)生生理影響，從而應(yīng)用此特點(diǎn)為植物制定適合自己生長的光套餐。對光敏色素來說，其本質(zhì)就是一種易溶于水的色素蛋白質(zhì)，在植物體內(nèi)有兩種類型的光敏色素，分別為紅光吸收型和遠(yuǎn)紅光吸收型，兩者存在不同的光學(xué)特性。波長為660nm的光段為紅光吸收型（Pr）的吸收高峰，而730nm為遠(yuǎn)紅光吸收型（Pfr）的吸收高峰。光敏色素分布在植物各個器官中，黃化幼苗的光敏色素含量比綠色幼苗多20～100倍。一般來說，蛋白質(zhì)豐富的分生組織中含有較多的光敏色素。在細(xì)胞中，胞質(zhì)溶液和細(xì)胞核中都有光敏色素。而隱花色素是指能夠感受藍(lán)光和近紫外光區(qū)域的一種光受體，它又稱藍(lán)光受體，隱花色素廣泛存在于植物體內(nèi)，它和光敏色素一起調(diào)節(jié)植物的去黃化反應(yīng)、光周期反應(yīng)和光形態(tài)建成等反應(yīng)，并且對提高向光性的彎曲角度起重要作用。由于隱花色素作用光譜的最高峰處在藍(lán)光區(qū)，所以常把隱花色素引起的反應(yīng)簡稱為藍(lán)光效應(yīng)。

2 對植物生長定制特定光套餐的設(shè)想

植物體內(nèi)光敏色素的含量很微少，只吸收紅光的Pr，另一種主要吸收遠(yuǎn)紅光的Pfr。我們可以把光敏色素比作為植物細(xì)胞中的一種光分子光開關(guān)，紅光使它打開引發(fā)各種生理學(xué)反應(yīng)，而遠(yuǎn)紅光使它關(guān)閉抑制這些反應(yīng)。而隱花色素屬于可溶性蛋白，它位于細(xì)胞核內(nèi)，其主要作用是抑制幼嫩莖的生長，促進(jìn)花青素的合成并誘導(dǎo)氣孔的開發(fā)和調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。像諸如此類的光受體如紫外光受體、向光色素等等都有各自的功能，并且這些光受體都有相互作用。所以可以做出設(shè)想如果能適當(dāng)調(diào)節(jié)各種光的比例以及照射時(shí)間，可以使充分利用這些光受體來影響植物生長，使其生長得更加健康、形態(tài)也更加完美。

日常通過修剪葉片或者將植株生長過程中對樹枝枝干進(jìn)行捆綁使其朝某個方向生長，其目的是為了讓植物可以有個嬌美的形狀作為盆景。對樹枝葉片的修建以及在植株上在固定支架使其強(qiáng)制向某些方向生長，這樣雖然可以讓植株按照預(yù)定姿態(tài)生長，但可能影響植物正常的發(fā)育。植物具有向光性這是由于植物內(nèi)部的向光色素所控制調(diào)節(jié)的，向光色素會因向光性彎曲和葉綠體在細(xì)胞內(nèi)運(yùn)動。光強(qiáng)會影響生長素的移動和分布，即在芽苗或莖尖接受光照比較強(qiáng)的一側(cè)組織中的生長素會向受到光照比較弱的一側(cè)移動，其結(jié)果就是向光側(cè)細(xì)胞中生長素含量要少于背光側(cè)細(xì)胞中的生長素含量；所以芽苗或莖尖背光一側(cè)細(xì)胞的生長要快于向光一側(cè)的生長。

并且可以再做一個設(shè)想，是否能夠通過植物向光性這個特點(diǎn)來對整個植株不同部位照射密集的光束，但是這些密集的光束強(qiáng)度是有所不同的，這些光束是以紅、藍(lán)、綠為一組均勻分布在半球形狀的外殼內(nèi)部，除了土中的根系外整個植株被這個外殼罩住。利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多路不同顏色的光束強(qiáng)度的控制，每一路光強(qiáng)大小通過PWM進(jìn)行調(diào)控，依照不同部位不同光照強(qiáng)度的照射來實(shí)現(xiàn)植物不同部位生長方向的不同，定義其為植物的光雕刻技術(shù)。依照人們對于植株外形的需求，可以通過所定義的光雕刻技術(shù)來控制植物生長姿態(tài)的形成。這樣利用植物的趨光生長特性就能讓植株按照人們自己所需的生長姿態(tài)進(jìn)行生長，以一種天然的形式來形成特定的植物生長姿態(tài)。

3 結(jié)語

在諸多影響植物生長發(fā)育的環(huán)境因子中，光照起到了至關(guān)重要的作用。植物生長所需能量的來源，植物的生長發(fā)育、開花結(jié)果是通過光合作用、光形態(tài)建成、光周期調(diào)節(jié)來完成的，這些過程都需要光的參與和作用。如何能更好地利用不同波段的光以影響植物內(nèi)部的光受體，進(jìn)而使植株激發(fā)內(nèi)部潛質(zhì)使其擁來更健康的生長狀態(tài)，這也是未來值得人們不斷去探究的問題。光雕刻技術(shù)能很好地實(shí)現(xiàn)植物生長的光套餐定制，使植株獲得所需的光照并且能按照生長姿態(tài)的需求進(jìn)行生長。

［1］王淑凡.LED光質(zhì)對植物生長特性影響及光源優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.天津：天津工業(yè)大學(xué)，2013.

［2］童哲.植物怎么樣利用光信號［J］.科技博覽，2008，（7）.

Customization of Plant Personalized Light Control Package

LI Shu-yuan，F(xiàn)ENG Qi-jie，YU Wen-quan，LIN Shou-ying
（College of Mechanical and Electrical Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350002，China）

Thispapermainlyintroducestheeffectsofdifferentlightreceptorsonthegrowthanddevelopmentofplantsindifferenttypes of light，which are suitable for their own light packages.As the plants have phototropism，people can make plants grow into thewantedshapebyirradiatingdifferentintensityoflightondifferentpartsoftheplant，whichiscalledlightcarvingtechnology.

light receptor;light package；to light；light carving

Q945.3

A

2095-980X（2017）02-0175-02

2017-02-15

李澍源（1991-），男，福建福州人，碩士研究生，主要研究方向：農(nóng)業(yè)電氣化與自動化。

林壽英，女，副教授，研究生導(dǎo)師，主要研究方向：自動控制和應(yīng)用電子研究。