冉东生 丁楷菱 徐启江

1.黑龙江省对外科技合作中心，黑龙江 哈尔滨 150028

2.太极光光生物科技股份有限公司，新北 24350

3.东北林业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040

光是植物生长发育生命周期中最为重要的环境调控因子，对植物的光合作用、形态建成、生长发育、物质代谢、品质形成等具有重要调节功能。植物在长期进化过程中产生了精细灵敏的光受体系统如光敏色素、隐花色素、向光素、UV-B 受体，通过光受体系统，植物能够准确感知光信号的有无、光的方向、波长、强度、光周期等，光受体接收光信号后与发育程序相互作用，调控相关基因的表达并引起相应的可塑性生理反应而更好地适应环境[1]，植物个体的表型特征也会发生相对应的改变。

近年来，发光二极管（以下简称LED）已成为一种新型人工光源，具有光质纯度高、耗能低、光强可控、波长与比例可调节等优点[2]，能有效壮苗、生根、提质，调控花期、花色，促进果实成熟[3]。光质和光强对植物生长发育、品质性状形成、物质代谢、形态建成的影响，已成植物工厂、智慧农业的研究热点。本文作者针对相关问题曾在台湾地区进行了实地考察，并与台湾地区专家多次交流、研讨，在综述植物光受体、LED 光源调控植物生长发育研究进展基础上，重点介绍台湾太极光光生物科技股份有限公司以精准“LED 灯光食谱”技术打造工厂化智慧农业的成功经验，聚焦分析如何借用台湾智慧“LED 灯光食谱”产业发展经验，加速大陆工厂化智慧农业的发展，形成基于特定植物品种的城市、家庭植物生长系统，为农产品的品质、环保、安全保驾护航。

1 植物光受体的类型及其生物学功能

光受体能够感知光质、光强、光周期、光照方向等，通过系列信号转导而调控植物生长、形态建成、细胞分子的生物合成、基因表达等。特定波段的光可以调控植物特定基因的表达，进而产生特定的影响，通过调节光照的波长而控制并促进植物的光合作用、种子萌发、开花以及生物量的积累。目前已被鉴定的光受体包括光敏色素、隐花色素、向光素、ZTLS 家族光受体和UV-B 受体。

1.1 光敏色素

光敏色素（phytochrome）主要感应700～750 nm 的远红光和620～700 nm 的红光，是一种吸收红光、远红光会发生可逆性转换的水溶性二聚体色素蛋白。光敏色素的每个蛋白质亚基由N 端和C 端构成。N 端是光感应结构域，由半胱氨酸残基通过硫醚键共价结合生色团；C 端是光调节结构域，参与二聚体形成以及信号的转导。光敏色素可分为有生物活性的远红光吸收型Pfr（phytochromeFR-absorbing isomer）和无活性的红光吸收型Pr（phytochrome R-absorbing form），接受红光信号后，细胞质内的Pr 型转化为Pfr 型，并转运至细胞核，与光敏色素互作因子等信号转导组分结合，进行光信号的级联传递[4]。当Pfr 型光敏色素吸收远红光后即可转变为Pr 型光敏色素。光敏色素对植物一生的形态建成都有重要影响，包括种子萌发、发根、叶分化、向光性、节间伸长、色素合成、成花诱导、性别决定等。

1.2 隐花色素

隐花色素是一类能够感应蓝光（400～500 nm）和近紫外光（320～400 nm）的黄素蛋白，其N 端序列与光解酶同源，可与生色团黄素腺嘌呤二核苷酸FAD 及5,10 -亚甲基四氢叶酸（5,10 - methylenetetrahydrofolate）结合，是感受光信号的区域。其C 端是光信号输出区域，负责细胞核定位以及蛋白质互作，传递光信号。隐花色素的生理功能包括调节蓝光诱导的茎伸长抑制、幼苗去黄化、节律钟、促进开花、花色苷生物合成、生长素信号调节等。

1.3 向光素

向光素也是一类蓝光受体，因介导高等植物的向光性而得名，是可以被蓝光激活进行自主磷酸化修饰的苏氨酸/丝氨酸激酶，其C-末端为苏氨酸/丝氨酸激酶结构域，N-末端为与黄素单核苷酸（flavin mononucleotide，FMN）结合的光感应结构域LOV1/2（light, oxygen or voltage）。向光素主要参与调控植物向光性生长、气孔开放、叶绿体运动、下胚轴伸长、子叶伸展等生物学过程[5]。

1.4 ZTLS（Zeitlupes）家族光受体

ZTLS 家族光受体主要吸收蓝绿光（450 ～ 520 nm）。拟南芥中ZTLS 家族光受体包括FKF1（Flavin - binding kelch repeat F-box 1）、ZTL（Zeitlupe） 和LKP2（LOV kelch protein 2），该类光受体定位在细胞质或细胞核中，以LOV 结构域与生色团黄素单核苷酸FMN 结合，具有一定的功能冗余。在稳定和降解节律钟组分方面发挥重要作用，并调控光周期调节的开花过程。

1.5 UV-B 受体

UV-B 受体主要感应280～315 nm 的紫外光。 拟南芥的UV-B 受体UVR8 利用自身的色氨酸残基吸收UV-B，吸收UV-B 后，UVR8 同源二聚体解聚为单体，进而与下游靶点相互作用。UV-B 受体吸收紫外光有利于保护植物细胞免受紫外线灼伤，也能诱导花青苷和黄酮类物质的生物合成。

2 LED 光谱对植物生长发育的影响

随着人口增长、气候变化，有限耕地必须保持生产力，以满足人们对食物、饲料、燃料、重要天然作物越来越大的需求[6]。在此状况下，人们对人工生长系统包括温室、无土栽培系统、立体园艺的需求日趋增强，人工补光是这些系统维持植物持续生长的先决条件，促使LED 技术得以发展。LED 覆盖植物生长发育所需的全部光波和通量，可以根据特定植物的不同发育时期而施加特定波长的光，而且光强可控，从而改良植物的生物量和次生代谢产物。

LED 可以发射蓝光、绿光、黄光、橙光、红光和远红外光，也可以组合使用，能够提供最大光合辐射效率，是人工植物生长系统的最理想光源。Sabzalian等认为LED 以红、蓝光不同光质配比作为光源可以激活不同的光受体，获得较高的光合效率，其原因可能是植物体内氮含量增高或气孔开放为光合作用提供更多的二氧化碳。此外，LED 可以影响叶绿体的分化和脱分化，LED 蓝光（460～475 nm）可以消除叶绿素积累的停止期。LED 还能调控植物的初级和次生代谢产物的合成。

LED 是可控环境农业（Controlled - environment agriculture）系统中的创新性人工光源，既能补充自然光的不足，又能提供精准的单一波长的光。LED 能够根据植物类型、发育阶段、目标产品的不同而实施精准设计、量身定制植物生长发育的光配方，类似给植物定制最适的光营养食谱，从而精准促进植物生长、改良品质性状，提高经济效益和产品的生态安全系数。

3 台湾太极光光生物科技股份有限公司的LED 智慧农业模式

台湾太极光光生物科技股份有限公司以绿色植物生存之源—光为科技立足点，致力于台湾地区半导体及精准农业技术的优化发展。采用精准科学农业+大数据（以下简称PSA+BD）可控环境农业系统；基于高度洁净、高速成长、高质成分、高量收成的人工植物生长系统的标准要求，建立了“LED 植物精准光配方、半导体制程精准组合、高有机质生物液肥、人工智能环控、精准农业生产管理”大数据智慧农业模式；为涵盖叶菜、蔬果、香草、花卉、根茎作物及中草药在内的300 多种药食同源、机能性农作物配制了光食谱；建立了“全室内生态+光合立体农场”主题餐饮品牌“根根相连”，开创了汇集“城市农田、食尚养生、科创、农创、食创、旅创、文创”的新型农业平台。

台湾太极光光生物科技股份有限公司遵循大健康理念，开展了立体生态智慧农业的“医、食、养、护、游”功能开发与大规模布局。一是开发单次光学多频谱混光技术。针对不同植物对光的需求差异，进行精准LED 光配方，提升植物特异成分质和量的增值效应，同步优化植物的生长速率和品质成分的四倍增量（图1）。二是实施多焦点薄型二次光学混光技术。利用生物二次光学透镜，实现LED 光源的混光特性，强化LED 光源促进植物生长的实效性。三是开发植物营养配方。立足食品安全与纯净度，苛求矿物质、有机质的均衡供应，开发针对不同作物不同时期所需的营养肥料配方。

图1 PSA+BD 可控环境农业系统中的作物

台湾太极光光生物科技股份有限公司积极探索大健康、医疗领域与生态智慧农业整合推介模式，从原材料生产、加工、药食同源产品开发到科普、培训、餐饮，建立了PSA+BD 共享平台，并且可以开展融合农创、食创、科创、旅创、文创于一体的养生餐饮、机能性物料，机能性物料供应的科技园规划设计、建造、技术转移，相关专业团队导入、培训与辅导，形成了独具特色的LED 智慧农业模式。

4 大陆智能LED 植物工厂现状及台湾地区模式的借鉴

智能LED 植物工厂可以显著提高作物产能和品质，是解决当今世界面临的人口、资源、环境等问题的重要途径。大陆在植物“光配方”理论与方法、LED 光源研发、作物营养品质调控、基于物联网的环境可控农业系统的智能管控等方面取得了关键性突破，研发了一系列具有自主知识产权的核心技术，实现了对温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液酸碱度、营养液浓度等因子的智能调控。同时对LED 光配方调控植物生长、改善品质、提高机能成分含量的机制进行了研究，并取得了创新性成果。

但是，大健康、智慧生态、药食同源理念还未深入到环境可控的LED 植物工厂系统内。 这方面可以借鉴台湾太极光光生物科技股份有限公司的成功经验，基于大数据、区块链技术，整合相关产业链条，建立研发、生产、销售、培训、设计、输出的高科技平台，打造具有特色的精准光配方智能LED 植物工厂。

5 结语

精准的LED 灯光食谱不仅可以提高作物的光合效率，而且能够调控植物的生长发育图式，改善品质、提升商品性状。特别是通过精准LED 光配方，可以增加作物次生代谢产物的生物合成与积累，例如花色素苷、类黄酮、多糖、生物碱等，通过LED 智慧生态农业系统生产药食同源的产品。 目前LED 光配方已广泛用于提高春茶、火龙果、苦荞、生菜、小白菜、茄子、滇重楼等植物的品质，但还处于低层次利用阶段，需要深入开展机理研究，研发基于大数据的特异植物特定发育阶段、特定目标产品的精准光食谱核心技术，开发智慧迷你型家庭式环境可控立体农业系统，推进LED 智慧植物工厂进入千家万户。