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光線光譜與植物光合作用的關係

中興大學生物系統工程研究室  陳加忠

 

近年來,光質對植物生長與形態的影響引起研究人員的重視。例如日本學界著重探討LED單色光對組織培養苗的生長性狀影響。以色列則以不同顏色的塑膠布為披覆材料,探討對於葉菜與觀葉植物生長的影響。

光質與植物發育的關係,最著名的文獻為“Photo morphogenesis in Plant”之論述資料,作者為R. E. Kendrick 與G. H. M. Kronenberg (1986年,Martinus Nijhoff Publishers) 。其資料如下:

光 譜 範 圍                   對 植 物 生 理 的 影 響

280 ~ 315nm        對形態與生理過程的影響極小

315 ~ 400nnm       葉綠素吸收少,影響光周期效應,阻止莖伸長

400 ~ 520nm(藍)  葉綠素與類胡蘿蔔素吸收比例最大,對光合作用影響最大

520 ~ 610nm        色素的吸收率不高

610 ~ 720nm(紅)  葉綠素吸收率低,對光合作用與光周期效應有顯著影響

720 ~ 1000nm       吸收率低,刺激細胞延長,影響開花與種子發芽

1000nm          轉換成為熱量

 

2004年7(2)期的Flower Tech刊物,有篇文章討論光的顏色對光合作用的影響。作者為Harry Stijger先生。文章的子標題表示通常大家認為光的顏色對於光合作用的影響有所不同,事實上在光合作用過程中,光顏色的影響性並無不同,因此使用全光譜最有利於植物的發育。

植物對光譜的敏感性與人眼不同。人眼最敏感的光譜為555nm,介於黃-綠光。對藍光區與紅光區敏感性較差。植物則不然,對於紅光光譜最為敏感,對綠光較不敏感,但是敏感性的差異不似人眼如此懸殊。植物對光譜最大的敏感地區為400~700nm。此區段光譜通常稱為光合作用有效能量區域。陽光的能量約有45﹪位於此段光譜。因此如果以人工光源以補充光量,光源的光譜分佈也應該接近於此範圍。

光源射出的光子能量因波長而不同。例如波長400nm(藍光)的能量為700nm(紅光)能量的1.75倍。但是對於光合作用而言,兩者波長的作用結果則是相同。藍色光譜中多餘不能作為光合作用的能量則轉變為熱量。換言之,植物光合作用速率是由400~700nm中植物所能吸收的光子數目決定,而與各光譜所送出的光子數目並不相關。但是一般人的通識都認為光顏色影響了光合作用速率。植物對所有光譜而言,其敏感性有所不同。此原因來自葉片內色素(pigments)的特殊吸收性。其中以葉綠素最為人所知曉。但是葉綠素並非對光合作用唯一有用的色素。其他色素也參與光合作用,因此光合作用效率無法僅有考慮葉綠素的吸收光譜。

光合作用路徑的相異也與顏色不相關。光能量由葉片中的葉綠素與胡蘿蔔素所吸收。能量藉由兩種光合系統以固定水分與二氧化碳轉變成為葡萄糖與氧氣。此過程利用所有可見光的光譜,因此各種顏色的光源對於光合作用的影響幾乎沒有不同。

有些研究人員認為在橘紅光部份有最大的光合作用能力。但是此並不表示植物應該栽培於此種單色光源。對植物的形態發展與葉片顏色而言,植物應該接收各種平衡的光源。

藍色光源(400~500nm)對植物的分化與氣孔的調節十分重要。如果藍光不足,遠紅光的比例太多,莖部將過度成長,而容易造成葉片黃化。紅光光譜(655~665nm)能量與遠紅光光譜(725~735nm)能量的比例在1.0與1.2之間,植物的發育將是正長。但是每種植物對於這些光譜比例的敏感性也不同。

在溫室內部常常以高壓鈉燈做為人工光源。以Philips Master SON-TPIA燈源為例,在橘紅色光譜區有最高能量。然而在遠紅外光的能量並不高,因此紅光/遠紅光能量比例大於2.0。但是由於溫室仍有自然陽光,因此並未造成植物變短。(如果在生長箱使用此光源,就可能產生影響。)

在自然陽光下,藍光能量佔有20﹪。對人工光源而言,並不需要如此高的比例。對正常發育的植物而言,多數植物只需要400~700nm範圍內6﹪的藍光能源。在自然陽光下,已有此足夠藍光能量。因此人工光源不需要額外補充更多的藍光光譜。但是在自然光源不足時(如冬天),人工光源需要增加藍光能量,否則藍色光源將成為植物生長的限制影響因子。但是如果不用光源改善方法,仍是有其他方法可補救此光源不足問題。例如以溫度調節或是施用生長荷爾蒙。

 

(附記):

BSE研究室對光源與植物組培養苗發育關係的研究結果,有兩點結論與此篇文章相近:

一、光源的顏色並不影響光合作用速率,因此也不影響鮮重或乾物重。影響光合作用速率的主要因子仍是光量與溫度。

二、光質影響了組培苗的形態,例如組培苗節距長度(苗的高度),葉片葉綠素含量,地下物與地下物的比例等。