光谱对植物生长的全方位影响解析

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@小白创作中心

光谱对植物生长的全方位影响解析

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http://gile.gymf.com.cn/news/76626

植物生长与光照的关系远比我们想象的更为复杂和精妙。从光合作用到光形态建成，从光周期现象到光感受器的作用，光谱的不同波长对植物的生长发育产生着深远的影响。本文将深入探讨光谱对植物生长的全方位影响，揭示植物如何通过光感受器获取信息，并阐述如何通过控制光谱来优化植物生长和产量。

光的原理与光谱分布

光，作为一种电磁辐射，以电磁波的形式在空气中或真空中传播。它可以通过三个物理属性来描述：强度、频率和振动方向。整个电磁辐射谱被称为光谱，其中包含了各种波长的光。值得注意的是，人类所能感知的光波长范围仅占整个光谱的一小部分，即400至700纳米之间的可见光。

图1：光在电磁波谱中的位置

对于植物而言，光的波长或能量含量是其最重要的特性，因为波长越短，光的能量含量越高。需要注意的是，这个范围非常小，实际上只占整个光谱的不到1%。

光合有效辐射（PAR）或光通量密度（PPFD）是植物可用于光合作用的光的范围。然而，由于光通量密度是400-700nm范围内所有光子的总和，因此，两种截然不同的光谱分布可能具有相同的光通量密度。这意味着，在比较光源时，我们不仅需要考虑光谱分布数据，还要参考光通量密度。

光通量密度是以μmol/m2/s为单位进行衡量的，它表示在特定时间长度（如一秒）内到达预定表面积（如一平方米）的光子数量。例如，大多数植物至少需要30–50μmol/m2/s的光通量密度才能存活。

植物如何感知光

植物通过光感受器这种特殊色素从照射的光中获取信息。这些光感受器对不同波长的光谱非常敏感，从而使得植物能够根据周围环境的光谱变化作出相应的反应。

图2：植物通过三种特殊的光感受器获取信息

向光素和隐花色素在较短波长（如紫外光和蓝光）内具有活性。向光素是植物具有向光性或移动的关键因素，它参与了叶绿体在光通量影响下的移动过程。同时，隐花色素则感知光的方向，并影响茎干的伸长、气孔功能以及色素合成等方面。

另一方面，光敏色素对红光和红外光敏感，它有两种形式：Pfr型和Pr型。这种感光器对光形态的影响显著，涉及茎干伸长、避荫反应、叶绿素合成以及开花反应等多个方面。

不同光谱对植物生长的影响

红光与红外光

红光和红外光的波长较长，相较于蓝光，它们的能量较低。然而，红光对植物形态建成的影响深远，这得益于红光诱导的光敏色素Pfr型和Pr型。这两种型号的光敏色素在植物发育过程中发挥着至关重要的作用。

当Pr型光敏色素在670nm波长处吸收红光时，它会转化为Pfr型；而Pfr型在730nm波长处吸收红外光时，则会转变为Pr型。但值得注意的是，由于Pfr型分子同样能吸收红光，部分Pfr型会再次转换回Pr型。这种复杂的转换关系导致PSS与红光与红外光的比值之间并非线性关系。例如，当红光与红外光的比值超过2时，PSS几乎无响应，从而不影响植物的正常发育。因此，在探讨植物对光谱的反应时，更应关注PSS而非红光与红外光的简单比值。

Pr型和Pfr型光敏色素的相对含量向植物传递了关于所接收光线类型的信息。当Pr型较多时，意味着植物接收到的红外光量超过了红光；反之，若红光较少，那么从Pr型到Pfr型的转换过程将受到阻碍，导致Pr型相对增多。这种精细的光感受和转换机制，使得植物能够根据周围环境的光谱变化作出精准的反应。

当植物紧密相邻时，由于红外光主要被叶子表面反射，植物会相对接收到更多的红光。为了追求更多阳光，植物会生长出更长的茎。在这种情况下，太阳光线中的红光（400至700纳米波长范围内）会被全部用于光合作用，而大部分红外光（波长大于700纳米）则会被植物反射。因此，处于阴凉处的植物，尤其是拥挤环境中的植物，往往会接收到比红光更多的红外光，导致Pr型光敏色素的增加。这种增加会触发植物的避荫反应，促使茎的伸长，以捕捉更多阳光。结果就是，植物越高，节间距离越大，茎干越细。

此外，植物吸收的红光越多，Pfr型光敏色素的数量也会相应增加。这进一步影响了植物的生长模式，使分枝距离更宽，节间距离更短，垂直生长减少，从而最大限度地吸收光线进行光合作用。

光谱对开花的影响同样显著。Pfr型光敏色素的数量决定了植物的光周期感知，进而影响开花时间。在夜晚，红外光的数量超过红光，导致Pfr型向Pr型的转化。夜晚越长，转化过程就有更多时间进行。因此，当夜晚结束时，Pfr型的浓度较低，这会触发短日照植物的开花。

综上所述，红光与红外光的比率对植物的生长和开花具有重要影响。低比率意味着夜间开始时红光数量有限，这对短日照植物的开花至关重要。研究显示，对菊花、大丽花和非洲万寿菊等短日照植物而言，夜间闪过红光会提高红光与红外光的比例，从而显著减少开花。同时，只有红外光而缺乏红光的环境并不能有效调节这些植物的开花反应。

绿光

通常，人们认为蓝光和红光是植物生长和发育的关键，但这种观点并不全面。尽管大多数绿光会被植物表面反射，但这并不意味着绿光对植物没有益处。事实上，不同光色的组合可以带来更高的光合作用效率。例如，在生菜的研究中发现，将24%的绿光添加到红蓝光LED照明中，不仅促进了植物的生长和生物量增加，还保持了适当的PAR水平。这表明绿光对植物生长具有积极的影响。