用于從脅迫中恢復(fù)植物的方法和照射系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種通過在光合作用的環(huán)境中使用人工照射系統(tǒng)，例如，使用布置在 溫室中、步入式試驗室中和生長室中的照射系統(tǒng)來從由例如，光、溫度、養(yǎng)料、水、蟲害和疾 病引發(fā)的脅迫中恢復(fù)植物的方法。本發(fā)明還涉及對應(yīng)的照射系統(tǒng)、照射系統(tǒng)和計算機程序 產(chǎn)品的使用。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 在例如溫室中的人工照明和輔助照明通常涉及刺激植物生長的照射系統(tǒng)的使用， 照射系統(tǒng)包括多個高功率光源?？梢园ň哂胁煌庾V并且對生長刺激提供不同的影響的 不同類型的光源，諸如基于金屬鹵化物（MH)的光源或基于含高壓鈉（HPS)的高強度放電 (HID)的光源或熒光燈泡或白熾燈泡。
[0004] 近來，在提高發(fā)光二極管（LED)的亮度方面已經(jīng)取得了很大的進步。因此，LED已 變得足夠明亮和便宜，從而還用作例如溫室環(huán)境中的人工照明，此外還提供發(fā)射具有可調(diào) 節(jié)顏色（光譜）的光的可能性。通過混合不同顯色的LED，可產(chǎn)生任何數(shù)量的顏色。可調(diào)節(jié) 顏色的照明系統(tǒng)通常包括一些主要的顏色，例如，三原色的紅、綠和藍(lán)。所產(chǎn)生的光的顏色 由所使用的LED以及混合比例確定。通過使用LED，降低能量消耗是可能的，降低能量是非 常符合當(dāng)前環(huán)境趨勢的要求。此外，使用基于LED的照射系統(tǒng)最小化光源所產(chǎn)生的熱量，這 特別適合于期望溫度控制的環(huán)境。
[0005] 如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，光給光合作用提供能量，但是當(dāng)光吸收比率超出葉綠體 內(nèi)能量使用的比率時，光可能是有破壞性的。光抑制是取決于光的光合效率的下降并且一 直與最大光合系統(tǒng)II (PSII)光化學(xué)反應(yīng)效率（FV/FM) (Kok 1956, Long等人，1994)有相互關(guān) 系。起初，人們認(rèn)為光抑制是高光照現(xiàn)象，但是已顯示出光抑制發(fā)生在低光照強度下，因此 光抑制是所有自然生長環(huán)境中的必然事件。實際上，光抑制可以引起不可逆的導(dǎo)致脅迫的 損壞，但是其也可以體現(xiàn)可逆的光保護機制。光合作用的恢復(fù)動力學(xué)是兩個階段的，這兩個 階段是獨立于蛋白質(zhì)合成的快階段（20-60分）和依賴PSII再激活和Dl修復(fù)循環(huán)（Hurry 和Huner 1992, Leitsch等人，1994)的較慢階段（幾小時）。光合作用從高光照脅迫中的 恢復(fù)通常是在"白光"（高壓鈉（HPS)或熒光燈管）下進行，并且發(fā)現(xiàn)在低光照（20-50微摩 爾量子（ymol quanta)!!^-1)下最佳（Polle和Melis，1999)。得出的結(jié)論是，光照對于從 光抑制中完全恢復(fù)是必需的，其通過光合作用提供所需的能量。
[0006] 在自然界中，植物被暴露在不同的并且變化的光質(zhì)下。例如，植物冠層內(nèi)和植物 冠層下的植物葉子適應(yīng)昏暗的富遠(yuǎn)紅光（700-800nm)環(huán)境并且在光斑期間可以迅速地被 暴露于全光譜的飽和光照。在日間范圍內(nèi)，光譜從富含藍(lán)色的晨光轉(zhuǎn)變?yōu)槲玳g相等光譜比 率的光再轉(zhuǎn)變?yōu)橥黹g富含紅色的光（烏魯斯特島，瑞典，煒度58° 13'，2009年12月）（波 科爾，未公布的數(shù)據(jù)）。此外，葉子內(nèi)的物理層之間的光質(zhì)不同并且這與隨著葉子光質(zhì)梯度 變化的光合能力不同有關(guān)（Sun等人，1998 Jerashima等人，2009)。
[0007] 植物形態(tài)學(xué)和發(fā)展中的光形態(tài)建成、光譜相關(guān)的變化是植物中被最廣泛研宄的光 質(zhì)現(xiàn)象（Lin 和 Todo, 2005 ;Thomas，2006 ;Chory，2010 ;Quail，2010)。然而，大多數(shù)調(diào)查光 譜的紅色和藍(lán)色區(qū)域的效應(yīng)的研宄已經(jīng)示出，光合作用受到光質(zhì)的影響。由紅光和藍(lán)光調(diào) 節(jié)的光合特性包括葉綠素生源論、葉綠體運動、光合系統(tǒng)的化學(xué)計量學(xué)、氣孔打開和導(dǎo)通、 光合電子傳遞以及析氧（Kim等人，1993 ;Nishio, 2000 ;Frechilla等人，2000 ;Briggs和 Olney 2002 ;Liscum 等人，2005 ;Pettai 等人，2005 ;Loreto 等人，2009)。
[0008] 令人關(guān)注的是，目前正在重新審視綠色對光合作用的重要性。藍(lán)色光和紅色光在 葉子的近軸面被優(yōu)先吸收，并且相比綠色光，藍(lán)光和紅光在這個區(qū)域更有效地促進光合作 用（Sun等人，1998 ;Nishio,2000 ;Terashima等人，2009)。因而，綠光被傳播到葉子中的 更深處，且在近軸面比藍(lán)光或紅光更有效地促進CO2固定（Sun等人，1998 ;Terashima等 人，2009)。關(guān)于光質(zhì)對光保護的影響，人們所知較少。暴露于遠(yuǎn)紅光的植物引起快速、短期 的光保護機制，如狀態(tài)轉(zhuǎn)變（Wollman，2001 ;Allen和Forsberg，2001 ;回顧Dietzel等人， 2008)。暴露到遠(yuǎn)紅光引起到狀態(tài)1的轉(zhuǎn)變，在狀態(tài)1中PSII優(yōu)先吸收，而藍(lán)光引起到狀態(tài) 2中的轉(zhuǎn)變，在狀態(tài)2中PSI優(yōu)先吸收（Shapiguzov等人，2010)。
[0009] 到目前為止，大多數(shù)光抑制和恢復(fù)研宄通過測量脈沖振幅調(diào)制葉綠素 a的熒光參 數(shù)FV/FM中的變化來確定數(shù)量，F(xiàn) V/FM是PSII光化學(xué)反應(yīng)的最大量子效率。F V/FM的減小與 光合作用的減小相關(guān)并且這可以指示損害以及可逆的、被控制的光保護的下調(diào)（Krause等 人，1990 ;Critchley，1994 ;Chow等人，2002)。對熒光的光化學(xué)淬滅（qP)反映了開放的PSII 反應(yīng)中心的比例，并且在光抑制期間，由于大量封閉的中心這通常是減少的（Genty等人， 1989 ;MaXwell和Johnson，2000)。熒光的光化學(xué)反應(yīng)淬滅（qP)是PSII吸收的能量相對于 PSI吸收的能量失衡的度量，并能表明是否具有足夠的能量可用于光合作用（由Ensminger 等人在2006年檢驗）。可選地，l-qP已被用于指示封閉的PSII反應(yīng)中心的比例并且被稱為 最大 PSII 激發(fā)壓（0grett和 Rosenqvist 1992, Maxwell 等人，1994 ;Huner 等人，1998) ·
[0010] 熒光的非光化學(xué)反應(yīng)淬滅（NPQ)被引入以抵消光抑制期間的光合系統(tǒng)過度激發(fā) 且不可逆地?fù)p害（Demmig-Adam 和 Adams，1996 ;Niyogi，1999 ;Finazzi 等人，2004 ;Sun 等 人，2006)。通過葉黃素循環(huán)的過量光能作為熱量的耗散被認(rèn)為是NPQ的最重要的組成 (Raven,2011)〇 toon] 即使根據(jù)上述提出的現(xiàn)有技術(shù)，仍然期望的是在光合環(huán)境中使用人工照射系統(tǒng)， 特別是關(guān)于基于LED的人工照射系統(tǒng)，來進一步優(yōu)化恢復(fù)，從而能夠例如增加產(chǎn)量和改進 植物的生長過程。 發(fā)明概要
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，通過用于人工照射植物的方法可以至少部分減輕上述問 題，該方法包括以下步驟：控制照射系統(tǒng)以照射植物，發(fā)射光具有第一光譜分布和第一強度 等級，第一光譜分布和第一強度等級針對優(yōu)化植物生長而進行選定；使用傳感器檢測植物 中脅迫的存在；如果檢測到脅迫，控制照射系統(tǒng)使用具有第二光譜分布和第二強度等級的 光照射植物，第二強度等級低于第一強度等級。
[0013] 本發(fā)明基于光、溫度、養(yǎng)料、水、害蟲和疾病在某些情況下將脅迫引入植物中的理 解。根據(jù)本發(fā)明，如果使用適合的傳感器自動地確定脅迫，則調(diào)節(jié)為照射植物而提供的光的 光譜分布以及強度。
[0014] 因此，本發(fā)明的優(yōu)點包括檢測植物中的脅迫以及通過調(diào)節(jié)照射植物的光的光譜分 布/強度自動地"處理"這樣的情況的可能性。
[0015] 本發(fā)明的上下文內(nèi)，應(yīng)該注意的是，"照射植物"的表述應(yīng)該被廣義地解釋，包括直 接和/或間接（例如，利用相鄰的物體，諸如墻、屋頂或地板）。相似地，"優(yōu)化植物的生長" 的表述應(yīng)該被廣義的解釋，即，應(yīng)該理解的是，第一光譜分布以及第一強度根據(jù)例如植物的 當(dāng)前生長周期選擇以便優(yōu)化一個或多個用于栽培植物的參數(shù)。例如，這樣的參數(shù)可以包括 在將植物栽培為高莖的、寬大的等方面優(yōu)化植物的生長。此外，可以在為優(yōu)化植物的氣味、 顏色等而栽培植物方面而對植物進行優(yōu)化。
[0016] 在優(yōu)選的實施例中，第二光譜分布不同于第一光譜分布。優(yōu)選地，第二光譜分 布包括30 - 50 %的來自藍(lán)色波長區(qū)域內(nèi)的