光配方：植物的「芯光大道」
作者簡介：
李陽，中國科學院植物研究所植物工廠研發中心主任、副研究員，福建省中科生物股份有限公司光生物產業研究院院長助理。
林榮呈，中國科學院植物研究所光生物學重點實驗室主任，研究員，博士生導師。
（本文轉載自《生命世界》CN 11-5272/Q 2019年10月刊，文章內容有刪減。）
每一次突破都出現一個奇蹟，人工「芯光」與植物結合，造就了植物工廠這一現代農業中的黑科技，人工光是其發展的主要力量。那麼，離開了太陽光，人工光能否完全滿足植物生長髮育的需要？
萬物生長靠太陽，這似乎是一個顛撲不破的真理。
太陽光提供綠色植物和藻類源源不斷的光能，驅動地球上最重要的化學反應——光合作用，從而生成地球上萬物生存和發展的物質基礎。
在這個過程中，植物利用自己的「捕光天線」高效地吸收光能，進而合成我們熟知的澱粉和蔗糖等有機物。同時，光也作為環境訊號因子參與植物的一系列生長髮育行為，如種子的萌發、形態建成、開花和次生代謝產物的合成。
無論是光合作用還是訊號傳遞，前提條件是植物能夠識別並吸收所需要的光。然而，太陽光的波長範圍覆蓋了從X射線到無線電波的整個電磁波譜，在經過地球大氣層時，被臭氧、水氣和其它大氣分子強烈吸收，只有波長在295-2500納米的光到達地表，其中植物可利用的光合有效輻射位於可見光的範圍（380-780納米），也就是我們通常說的紅橙黃綠青藍紫七色光。
為什麼靠近空調的植物會凋謝？可是空調一直沒用，難道空調有輻射？
光譜檢測
光合色素的吸收光譜分析表明，植物主要吸收紅光和藍光兩個區域的光波，進行光合作用。而綠光、黃橙光和遠紅光等對光合作用的貢獻沒有紅光和藍光大，植物吸收的就少一些，但是這些微量光對植物生長的其它代謝過程又是不可或缺的。
除了光譜的組成，植物的生長還需要適宜的光周期和光照強度。在一定的光照強度的範圍內，植物的光合速率隨光照強度的增加而加速，但不能一味地提高光照強度。針對每一種植物或者每一個發育階段，往往光照強度和光照時間協同考慮，達到其每日的光需量，適宜的光照強度和光照時間在保證產量和節省成本方面能起到事半功倍的作用。
正是植物對光的「識別」和「喜好」，為人工光栽培植物提供了理論指導，只要能夠製造出滿足植物生長髮育所需的光，就可以實現植物的健康生長。我們把植物對光質、光周期、光照強度、光照方式等需求的總和稱為光配方。
植物光配方研究
太陽光為萬物共享，不會偏愛任何一種植物，只有植物去適應她。然而，人工光的出現，尤其是LED的誕生，讓我們可以精準設計、量身定製植物的光配方，從而在植物工廠裡，人工光顛覆了「萬物生長靠太陽」。
LED晶片具有單色性好、光譜較窄、光束集中穩定等特點，波長型別豐富的晶片發出的「芯光」可以覆蓋380-780納米的波長範圍，是實現植物人工光環境的不二之選。
那麼，LED技術在植物工廠中是如何實現的？
這就需要科研人員在充分了解不同植物、同一植物的不同生長階段對光配方需求的基礎上，運用LED「芯光」技術，對紅橙黃綠青藍紫等不同顏色的光進行不同比例和強度的組合，既能滿足植物光合作用的能量需求，又適合其生長髮育的精確控制，同時在生產中節約能源和成本，從而定製出最合適的光配方。
專用光配方下的食用花卉
合適的光配方不僅能夠保證植物光合作用的高效進行，同時特殊的光配方也能像調味品一樣，調控植物的行為，讓蔬菜更美味營養、鮮花更鮮豔、果實更香甜並更富營養。
甜椒果實轉色的光質調控
實際應用中，我們首先要探究植物之間的差異性。不同作物型別或者收穫的植物器官不同，如白菜和羅勒的葉、番茄和藍莓的果、石竹和角堇的花、霍山石斛的莖幹、黨蔘和人蔘的塊莖、小麥和玉米的種子，甚至全株都是寶的金線蓮，對光配方的要求也存在很大的不同。
番茄果實轉色光質調控
通過光配方的實施，可以精準調控植物或這些目標器官的產量和品質，提高植物的經濟效益。
有一種叫「優雅」的生菜，在其生長的光環境中，如果綠光太多，生長變緩慢，但是綠光太少，蔬菜下層的葉片容易發黃，這是綠光較強的穿透特性讓下層葉片也接觸到光照並保持了光合活性。遠紅光也有很高的透過率，適量的遠紅光可以增加葉菜的產量。
然而，即使接受等量的遠紅光，葉菜、茄果類蔬菜的種苗易產生徒長現象，影響後期的產量，但對於石竹、角堇和黃瓜來說，增加遠紅光有利於提早開花或果實膨大、著色，實現提前上市。
光配方在植物工廠中的應用
通過精準的光配方，植物還可以作為生物反應器，生產我們所需的目標化合物。
例如，增加一些藍紫光，可促進紫色或紅色蔬菜中花青苷的積累，使蔬菜更加豔麗多彩，並有抗氧化功效；而對於金線蓮和石斛等藥用植物，可控的光質和配比更有利於多糖、黃酮等次生代謝物質或者一些蛋白的積累，使植物工廠生產保健原料和醫用蛋白或中間體成為可能。
未來，專用的光配方將廣泛應用於科學研究、現代農業和特殊領域的植物生產。高效的光配方不僅能給植物帶來更好的生長環境，產生的經濟效益和社會效益更讓人耳目一新。
「芯光」與「植物」的故事才剛剛開始，作為植物工廠產業化最關鍵的技術之一，尋找植物最佳光配方任重而道遠。惟有為光配方執著，才能讓植物工廠走上萬丈光芒的「星光大道」，未來的光生物產業一定更加絢麗多彩！
