臺灣地區精準LED 燈光食譜提高植物品質的光能智慧模式

冉東生 丁楷菱 徐啟江

1.黑龍江省對外科技合作中心，黑龍江 哈爾濱 150028

2.太極光光生物科技股份有限公司，新北 24350

3.東北林業大學生命科學學院，黑龍江 哈爾濱 150040

光是植物生長發育生命周期中最為重要的環境調控因子，對植物的光合作用、形態建成、生長發育、物質代謝、品質形成等具有重要調節功能。植物在長期進化過程中產生了精細靈敏的光受體系統如光敏色素、隱花色素、向光素、UV-B 受體，通過光受體系統，植物能夠準確感知光信號的有無、光的方向、波長、強度、光周期等，光受體接收光信號后與發育程序相互作用，調控相關基因的表達并引起相應的可塑性生理反應而更好地適應環境[1]，植物個體的表型特征也會發生相對應的改變。

近年來，發光二極管（以下簡稱LED）已成為一種新型人工光源，具有光質純度高、耗能低、光強可控、波長與比例可調節等優點[2]，能有效壯苗、生根、提質，調控花期、花色，促進果實成熟[3]。光質和光強對植物生長發育、品質性狀形成、物質代謝、形態建成的影響，已成植物工廠、智慧農業的研究熱點。本文作者針對相關問題曾在臺灣地區進行了實地考察，并與臺灣地區專家多次交流、研討，在綜述植物光受體、LED 光源調控植物生長發育研究進展基礎上，重點介紹臺灣太極光光生物科技股份有限公司以精準“LED 燈光食譜”技術打造工廠化智慧農業的成功經驗，聚焦分析如何借用臺灣智慧“LED 燈光食譜”產業發展經驗，加速大陸工廠化智慧農業的發展，形成基于特定植物品種的城市、家庭植物生長系統，為農產品的品質、環保、安全保駕護航。

1 植物光受體的類型及其生物學功能

光受體能夠感知光質、光強、光周期、光照方向等，通過系列信號轉導而調控植物生長、形態建成、細胞分子的生物合成、基因表達等。特定波段的光可以調控植物特定基因的表達，進而產生特定的影響，通過調節光照的波長而控制并促進植物的光合作用、種子萌發、開花以及生物量的積累。目前已被鑒定的光受體包括光敏色素、隱花色素、向光素、ZTLS 家族光受體和UV-B 受體。

1.1 光敏色素

光敏色素（phytochrome）主要感應700～750 nm 的遠紅光和620～700 nm 的紅光，是一種吸收紅光、遠紅光會發生可逆性轉換的水溶性二聚體色素蛋白。光敏色素的每個蛋白質亞基由N 端和C 端構成。N 端是光感應結構域，由半胱氨酸殘基通過硫醚鍵共價結合生色團；C 端是光調節結構域，參與二聚體形成以及信號的轉導。光敏色素可分為有生物活性的遠紅光吸收型Pfr（phytochromeFR-absorbing isomer）和無活性的紅光吸收型Pr（phytochrome R-absorbing form），接受紅光信號后，細胞質內的Pr 型轉化為Pfr 型，并轉運至細胞核，與光敏色素互作因子等信號轉導組分結合，進行光信號的級聯傳遞[4]。當Pfr 型光敏色素吸收遠紅光后即可轉變為Pr 型光敏色素。光敏色素對植物一生的形態建成都有重要影響，包括種子萌發、發根、葉分化、向光性、節間伸長、色素合成、成花誘導、性別決定等。

1.2 隱花色素

隱花色素是一類能夠感應藍光（400～500 nm）和近紫外光（320～400 nm）的黃素蛋白，其N 端序列與光解酶同源，可與生色團黃素腺嘌呤二核苷酸FAD 及5,10 -亞甲基四氫葉酸（5,10 - methylenetetrahydrofolate）結合，是感受光信號的區域。其C 端是光信號輸出區域，負責細胞核定位以及蛋白質互作，傳遞光信號。隱花色素的生理功能包括調節藍光誘導的莖伸長抑制、幼苗去黃化、節律鐘、促進開花、花色苷生物合成、生長素信號調節等。

1.3 向光素

向光素也是一類藍光受體，因介導高等植物的向光性而得名，是可以被藍光激活進行自主磷酸化修飾的蘇氨酸/絲氨酸激酶，其C-末端為蘇氨酸/絲氨酸激酶結構域，N-末端為與黃素單核苷酸（flavin mononucleotide，FMN）結合的光感應結構域LOV1/2（light, oxygen or voltage）。向光素主要參與調控植物向光性生長、氣孔開放、葉綠體運動、下胚軸伸長、子葉伸展等生物學過程[5]。

1.4 ZTLS（Zeitlupes）家族光受體

ZTLS 家族光受體主要吸收藍綠光（450 ～ 520 nm）。擬南芥中ZTLS 家族光受體包括FKF1（Flavin - binding kelch repeat F-box 1）、ZTL（Zeitlupe） 和LKP2（LOV kelch protein 2），該類光受體定位在細胞質或細胞核中，以LOV 結構域與生色團黃素單核苷酸FMN 結合，具有一定的功能冗余。在穩定和降解節律鐘組分方面發揮重要作用，并調控光周期調節的開花過程。

1.5 UV-B 受體

UV-B 受體主要感應280～315 nm 的紫外光。 擬南芥的UV-B 受體UVR8 利用自身的色氨酸殘基吸收UV-B，吸收UV-B 后，UVR8 同源二聚體解聚為單體，進而與下游靶點相互作用。UV-B 受體吸收紫外光有利于保護植物細胞免受紫外線灼傷，也能誘導花青苷和黃酮類物質的生物合成。

2 LED 光譜對植物生長發育的影響

隨著人口增長、氣候變化，有限耕地必須保持生產力，以滿足人們對食物、飼料、燃料、重要天然作物越來越大的需求[6]。在此狀況下，人們對人工生長系統包括溫室、無土栽培系統、立體園藝的需求日趨增強，人工補光是這些系統維持植物持續生長的先決條件，促使LED 技術得以發展。LED 覆蓋植物生長發育所需的全部光波和通量，可以根據特定植物的不同發育時期而施加特定波長的光，而且光強可控，從而改良植物的生物量和次生代謝產物。

LED 可以發射藍光、綠光、黃光、橙光、紅光和遠紅外光，也可以組合使用，能夠提供最大光合輻射效率，是人工植物生長系統的最理想光源。Sabzalian等認為LED 以紅、藍光不同光質配比作為光源可以激活不同的光受體，獲得較高的光合效率，其原因可能是植物體內氮含量增高或氣孔開放為光合作用提供更多的二氧化碳。此外，LED 可以影響葉綠體的分化和脫分化，LED 藍光（460～475 nm）可以消除葉綠素積累的停止期。LED 還能調控植物的初級和次生代謝產物的合成。

LED 是可控環境農業（Controlled - environment agriculture）系統中的創新性人工光源，既能補充自然光的不足，又能提供精準的單一波長的光。LED 能夠根據植物類型、發育階段、目標產品的不同而實施精準設計、量身定制植物生長發育的光配方，類似給植物定制最適的光營養食譜，從而精準促進植物生長、改良品質性狀，提高經濟效益和產品的生態安全系數。

3 臺灣太極光光生物科技股份有限公司的LED 智慧農業模式

臺灣太極光光生物科技股份有限公司以綠色植物生存之源—光為科技立足點，致力于臺灣地區半導體及精準農業技術的優化發展。采用精準科學農業+大數據（以下簡稱PSA+BD）可控環境農業系統；基于高度潔凈、高速成長、高質成分、高量收成的人工植物生長系統的標準要求，建立了“LED 植物精準光配方、半導體制程精準組合、高有機質生物液肥、人工智能環控、精準農業生產管理”大數據智慧農業模式；為涵蓋葉菜、蔬果、香草、花卉、根莖作物及中草藥在內的300 多種藥食同源、機能性農作物配制了光食譜；建立了“全室內生態+光合立體農場”主題餐飲品牌“根根相連”，開創了匯集“城市農田、食尚養生、科創、農創、食創、旅創、文創”的新型農業平臺。

臺灣太極光光生物科技股份有限公司遵循大健康理念，開展了立體生態智慧農業的“醫、食、養、護、游”功能開發與大規模布局。一是開發單次光學多頻譜混光技術。針對不同植物對光的需求差異，進行精準LED 光配方，提升植物特異成分質和量的增值效應，同步優化植物的生長速率和品質成分的四倍增量（圖1）。二是實施多焦點薄型二次光學混光技術。利用生物二次光學透鏡，實現LED 光源的混光特性，強化LED 光源促進植物生長的實效性。三是開發植物營養配方。立足食品安全與純凈度，苛求礦物質、有機質的均衡供應，開發針對不同作物不同時期所需的營養肥料配方。

圖1 PSA+BD 可控環境農業系統中的作物

臺灣太極光光生物科技股份有限公司積極探索大健康、醫療領域與生態智慧農業整合推介模式，從原材料生產、加工、藥食同源產品開發到科普、培訓、餐飲，建立了PSA+BD 共享平臺，并且可以開展融合農創、食創、科創、旅創、文創于一體的養生餐飲、機能性物料，機能性物料供應的科技園規劃設計、建造、技術轉移，相關專業團隊導入、培訓與輔導，形成了獨具特色的LED 智慧農業模式。

4 大陸智能LED 植物工廠現狀及臺灣地區模式的借鑒

智能LED 植物工廠可以顯著提高作物產能和品質，是解決當今世界面臨的人口、資源、環境等問題的重要途徑。大陸在植物“光配方”理論與方法、LED 光源研發、作物營養品質調控、基于物聯網的環境可控農業系統的智能管控等方面取得了關鍵性突破，研發了一系列具有自主知識產權的核心技術，實現了對溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度、營養液酸堿度、營養液濃度等因子的智能調控。同時對LED 光配方調控植物生長、改善品質、提高機能成分含量的機制進行了研究，并取得了創新性成果。

但是，大健康、智慧生態、藥食同源理念還未深入到環境可控的LED 植物工廠系統內。 這方面可以借鑒臺灣太極光光生物科技股份有限公司的成功經驗，基于大數據、區塊鏈技術，整合相關產業鏈條，建立研發、生產、銷售、培訓、設計、輸出的高科技平臺，打造具有特色的精準光配方智能LED 植物工廠。

5 結語

精準的LED 燈光食譜不僅可以提高作物的光合效率，而且能夠調控植物的生長發育圖式，改善品質、提升商品性狀。特別是通過精準LED 光配方，可以增加作物次生代謝產物的生物合成與積累，例如花色素苷、類黃酮、多糖、生物堿等，通過LED 智慧生態農業系統生產藥食同源的產品。 目前LED 光配方已廣泛用于提高春茶、火龍果、苦蕎、生菜、小白菜、茄子、滇重樓等植物的品質，但還處于低層次利用階段，需要深入開展機理研究，研發基于大數據的特異植物特定發育階段、特定目標產品的精準光食譜核心技術，開發智慧迷你型家庭式環境可控立體農業系統，推進LED 智慧植物工廠進入千家萬戶。