ผู้เขียน: ยามิน หลี่ และ โฮ่วเฉิง หลิว และคณะ จากวิทยาลัยพืชสวน มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ภาคใต้ของจีน

ที่มาของบทความ: การปลูกพืชในเรือนกระจก

ประเภทของโรงเรือนเพาะปลูกส่วนใหญ่ ได้แก่ โรงเรือนพลาสติก โรงเรือนพลังงานแสงอาทิตย์ โรงเรือนแบบหลายช่วง และโรงงานเพาะเลี้ยงพืช เนื่องจากอาคารโรงเรือนบดบังแสงธรรมชาติในระดับหนึ่ง ทำให้แสงสว่างภายในอาคารไม่เพียงพอ ซึ่งส่งผลให้ผลผลิตและคุณภาพของพืชลดลง ดังนั้น แสงเสริมจึงมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตพืชที่มีคุณภาพและผลผลิตสูงในโรงเรือน แต่ในขณะเดียวกันก็กลายเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้การใช้พลังงานและต้นทุนการดำเนินงานในโรงเรือนเพิ่มสูงขึ้นด้วย

เป็นเวลานานแล้วที่แหล่งกำเนิดแสงประดิษฐ์ที่ใช้ในด้านการปลูกพืชในโรงเรือนส่วนใหญ่ได้แก่ หลอดโซเดียมความดันสูง หลอดฟลูออเรสเซนต์ หลอดเมทัลฮาโลเจน หลอดไส้ ฯลฯ ซึ่งมีข้อเสียที่เด่นชัดคือ การผลิตความร้อนสูง การใช้พลังงานสูง และค่าใช้จ่ายในการใช้งานสูง การพัฒนาของไดโอดเปล่งแสง (LED) รุ่นใหม่ทำให้สามารถใช้แหล่งกำเนิดแสงประดิษฐ์พลังงานต่ำในด้านการปลูกพืชในโรงเรือนได้ LED มีข้อดีคือ ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงเป็นไฟฟ้าสูง ใช้ไฟกระแสตรง ขนาดเล็ก อายุการใช้งานยาวนาน การใช้พลังงานต่ำ ความยาวคลื่นคงที่ การแผ่รังสีความร้อนต่ำ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เมื่อเทียบกับหลอดโซเดียมความดันสูงและหลอดฟลูออเรสเซนต์ที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน LED ไม่เพียงแต่สามารถปรับปริมาณและคุณภาพของแสง (สัดส่วนของแสงในช่วงคลื่นต่างๆ) ตามความต้องการของการเจริญเติบโตของพืชได้เท่านั้น แต่ยังสามารถฉายแสงไปยังพืชในระยะใกล้ได้เนื่องจากเป็นแสงเย็น ดังนั้นจึงสามารถเพิ่มจำนวนชั้นการเพาะปลูกและอัตราการใช้พื้นที่ได้ และสามารถประหยัดพลังงาน เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และใช้พื้นที่อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งแหล่งกำเนิดแสงแบบดั้งเดิมไม่สามารถทดแทนได้

ด้วยข้อดีเหล่านี้ LED จึงถูกนำมาใช้ประสบความสำเร็จในการให้แสงสว่างสำหรับการปลูกพืชในโรงงาน การวิจัยพื้นฐานเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้ การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืช ต้นกล้าในโรงงานพืช และระบบนิเวศในอวกาศ ในช่วงไม่กี่ปีมานี้ ประสิทธิภาพของไฟ LED สำหรับการปลูกพืชดีขึ้น ราคาลดลง และมีการพัฒนาผลิตภัณฑ์ต่างๆ ที่มีความยาวคลื่นเฉพาะมากขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นการประยุกต์ใช้ในด้านการเกษตรและชีววิทยาจึงจะกว้างขวางยิ่งขึ้น

บทความนี้สรุปสถานะการวิจัยเกี่ยวกับ LED ในด้านการปลูกพืชในโรงเรือน โดยเน้นที่การประยุกต์ใช้แสงเสริม LED ในพื้นฐานชีววิทยาของแสง ผลของแสง LED ต่อการสร้างแสงของพืช คุณภาพทางโภชนาการ และผลการชะลอความแก่ การสร้างและการประยุกต์ใช้สูตรแสง และการวิเคราะห์ปัญหาและแนวโน้มในปัจจุบันของเทคโนโลยีแสงเสริม LED

ผลกระทบของแสงเสริม LED ต่อการเจริญเติบโตของพืชสวน

อิทธิพลของแสงต่อการเจริญเติบโตและพัฒนาการของพืช ได้แก่ การงอกของเมล็ด การยืดตัวของลำต้น การพัฒนาของใบและราก การตอบสนองต่อแสง การสังเคราะห์และการสลายตัวของคลอโรฟิลล์ และการชักนำให้เกิดดอก องค์ประกอบของสภาพแวดล้อมทางแสงในสถานที่นี้ ได้แก่ ความเข้มของแสง วงจรของแสง และการกระจายสเปกตรัม องค์ประกอบเหล่านี้สามารถปรับได้โดยการเสริมแสงประดิษฐ์โดยไม่จำกัดสภาพอากาศ

ปัจจุบัน พืชมีตัวรับแสงอย่างน้อย 3 ชนิด ได้แก่ ไฟโตโครม (ดูดซับแสงสีแดงและแสงสีแดงไกล) คริปโตโครม (ดูดซับแสงสีน้ำเงินและแสงอัลตราไวโอเลตใกล้) และรังสียูวีเอและยูวีบี การใช้แหล่งกำเนิดแสงที่มีความยาวคลื่นเฉพาะฉายแสงพืชสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงของพืช เร่งการเปลี่ยนแปลงรูปร่างตามแสง และส่งเสริมการเจริญเติบโตและพัฒนาการของพืช แสงสีแดงส้ม (610 ~ 720 นาโนเมตร) และแสงสีน้ำเงินม่วง (400 ~ 510 นาโนเมตร) ถูกนำมาใช้ในการสังเคราะห์แสงของพืช การใช้เทคโนโลยี LED ทำให้สามารถฉายแสงโมโนโครมาติก (เช่น แสงสีแดงที่มีจุดสูงสุดที่ 660 นาโนเมตร แสงสีน้ำเงินที่มีจุดสูงสุดที่ 450 นาโนเมตร เป็นต้น) ให้สอดคล้องกับแถบการดูดซับที่แรงที่สุดของคลอโรฟิลล์ และความกว้างของโดเมนสเปกตรัมเพียง ± 20 นาโนเมตร

ปัจจุบันเชื่อกันว่าแสงสีแดงส้มจะช่วยเร่งการเจริญเติบโตของพืชอย่างมีนัยสำคัญ ส่งเสริมการสะสมมวลแห้ง การสร้างหัวใต้ดิน หัวใบ และอวัยวะอื่นๆ ของพืช ทำให้พืชออกดอกและติดผลเร็วขึ้น และมีบทบาทสำคัญในการเพิ่มสีสันของพืช ส่วนแสงสีน้ำเงินและสีม่วงสามารถควบคุมการตอบสนองต่อแสงของใบพืช ส่งเสริมการเปิดปากใบและการเคลื่อนที่ของคลอโรพลาสต์ ยับยั้งการยืดตัวของลำต้น ป้องกันการยืดตัวของพืช ชะลอการออกดอก และส่งเสริมการเจริญเติบโตของอวัยวะต่างๆ การผสมผสานของ LED สีแดงและสีน้ำเงินสามารถชดเชยแสงที่ไม่เพียงพอของสีใดสีหนึ่ง และสร้างจุดสูงสุดของการดูดซับสเปกตรัมที่สอดคล้องกับการสังเคราะห์แสงและสัณฐานวิทยาของพืช อัตราการใช้พลังงานแสงสามารถสูงถึง 80% ถึง 90% และมีผลในการประหยัดพลังงานอย่างมาก

การติดตั้งไฟเสริม LED ในโรงเรือนปลูกพืชสามารถเพิ่มผลผลิตได้อย่างมีนัยสำคัญ จากการศึกษาพบว่า จำนวนผล ผลผลิตรวม และน้ำหนักของมะเขือเทศเชอร์รี่แต่ละผลภายใต้แสงเสริมจากแถบ LED และหลอดไฟ LED ที่มีความเข้มแสง 300 μmol/(m²·s) เป็นเวลา 12 ชั่วโมง (8:00-20:00 น.) เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ แสงเสริมจากแถบ LED เพิ่มขึ้น 42.67%, 66.89% และ 16.97% ตามลำดับ และแสงเสริมจากหลอดไฟ LED เพิ่มขึ้น 48.91%, 94.86% และ 30.86% ตามลำดับ แสงเสริม LED จากโคมไฟปลูกพืช LED ตลอดช่วงการเจริญเติบโต [อัตราส่วนแสงสีแดงและสีน้ำเงินคือ 3:2 และความเข้มแสงคือ 300 μmol/(m²·s)] สามารถเพิ่มคุณภาพผลต่อผลและผลผลิตต่อหน่วยพื้นที่ของมะระและแตงกวาได้อย่างมีนัยสำคัญ ผลผลิตของชิกูฉวนเพิ่มขึ้น 5.3% และ 15.6% และผลผลิตของมะเขือยาวเพิ่มขึ้น 7.6% และ 7.8% ด้วยคุณภาพ ความเข้ม และระยะเวลาของแสง LED ตลอดช่วงการเจริญเติบโต สามารถลดระยะเวลาการเจริญเติบโตของพืช ปรับปรุงผลผลิตเชิงพาณิชย์ คุณภาพทางโภชนาการ และคุณค่าทางสัณฐานวิทยาของผลิตภัณฑ์ทางการเกษตร และทำให้การผลิตพืชสวนในโรงเรือนมีประสิทธิภาพสูง ประหยัดพลังงาน และชาญฉลาดได้

การประยุกต์ใช้แสงเสริม LED ในการเพาะต้นกล้าผัก

การควบคุมรูปร่าง การเจริญเติบโต และพัฒนาการของพืชด้วยแหล่งกำเนิดแสง LED เป็นเทคโนโลยีที่สำคัญในด้านการเพาะปลูกในเรือนกระจก พืชชั้นสูงสามารถรับรู้และรับสัญญาณแสงผ่านระบบตัวรับแสง เช่น ไฟโตโครม คริปโตโครม และตัวรับแสงอื่นๆ และทำการเปลี่ยนแปลงรูปร่างผ่านสารสื่อประสาทภายในเซลล์เพื่อควบคุมเนื้อเยื่อและอวัยวะของพืช กระบวนการสร้างรูปร่างโดยอาศัยแสง (Photomorphogenesis) หมายความว่าพืชอาศัยแสงในการควบคุมการแบ่งเซลล์ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและหน้าที่ รวมถึงการสร้างเนื้อเยื่อและอวัยวะ ซึ่งรวมถึงอิทธิพลต่อการงอกของเมล็ดบางชนิด การส่งเสริมการเจริญเติบโตของยอด การยับยั้งการเจริญเติบโตของตาข้าง การยืดตัวของลำต้น และการตอบสนองต่อสิ่งเร้า

การเพาะปลูกต้นกล้าผักเป็นส่วนสำคัญของการเกษตรในโรงเรือน สภาพอากาศฝนตกต่อเนื่องจะทำให้แสงสว่างในโรงเรือนไม่เพียงพอ และต้นกล้าจะยืดตัวยาวขึ้น ซึ่งจะส่งผลกระทบต่อการเจริญเติบโตของผัก การสร้างดอก และการพัฒนาของผล และในที่สุดจะส่งผลต่อผลผลิตและคุณภาพ ในการผลิตมีการใช้สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืชบางชนิด เช่น จิบเบอเรลลิน ออกซิน แพคโลบูทราโซล และคลอร์เมควอต เพื่อควบคุมการเจริญเติบโตของต้นกล้า อย่างไรก็ตาม การใช้สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืชอย่างไม่เหมาะสมอาจก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมของผักและโรงเรือน ซึ่งไม่เป็นผลดีต่อสุขภาพของมนุษย์

แสงเสริม LED มีข้อดีเฉพาะตัวหลายประการ และเป็นวิธีที่เหมาะสมในการใช้แสงเสริม LED เพื่อเพาะต้นกล้า ในการทดลองใช้แสงเสริม LED [25±5 μmol/(m²·s)] ภายใต้สภาวะแสงน้อย [0~35 μmol/(m²·s)] พบว่าแสงสีเขียวช่วยส่งเสริมการยืดตัวและการเจริญเติบโตของต้นกล้าแตงกวา ในขณะที่แสงสีแดงและแสงสีน้ำเงินยับยั้งการเจริญเติบโตของต้นกล้า เมื่อเปรียบเทียบกับแสงธรรมชาติที่อ่อน ต้นกล้าที่ได้รับแสงเสริมสีแดงและสีน้ำเงินมีดัชนีความแข็งแรงเพิ่มขึ้น 151.26% และ 237.98% ตามลำดับ เมื่อเปรียบเทียบกับแสงสีเดียว ต้นกล้าที่มีส่วนประกอบของสีแดงและสีน้ำเงินภายใต้การบำบัดด้วยแสงเสริมแบบผสมมีดัชนีความแข็งแรงเพิ่มขึ้น 304.46%

การเพิ่มแสงสีแดงให้กับต้นกล้าแตงกวาจะช่วยเพิ่มจำนวนใบจริง พื้นที่ใบ ความสูงของต้น เส้นผ่านศูนย์กลางลำต้น คุณภาพของเนื้อแห้งและเนื้อสด ดัชนีความแข็งแรงของต้นกล้า ความมีชีวิตชีวาของราก กิจกรรมของเอนไซม์ SOD และปริมาณโปรตีนที่ละลายน้ำได้ในต้นกล้าแตงกวา การเสริมแสง UV-B สามารถเพิ่มปริมาณคลอโรฟิลล์เอ คลอโรฟิลล์บี และแคโรทีนอยด์ในใบต้นกล้าแตงกวาได้ เมื่อเปรียบเทียบกับแสงธรรมชาติ การเสริมแสง LED สีแดงและสีน้ำเงินจะช่วยเพิ่มพื้นที่ใบ คุณภาพของเนื้อแห้ง และดัชนีความแข็งแรงของต้นกล้ามะเขือเทศได้อย่างมีนัยสำคัญ การเสริมแสง LED สีแดงและสีเขียวจะช่วยเพิ่มความสูงและความหนาของลำต้นของต้นกล้ามะเขือเทศได้อย่างมีนัยสำคัญ การเสริมแสง LED สีเขียวจะช่วยเพิ่มชีวมวลของต้นกล้าแตงกวาและมะเขือเทศได้อย่างมีนัยสำคัญ และน้ำหนักสดและน้ำหนักแห้งของต้นกล้าจะเพิ่มขึ้นตามความเข้มของแสงเสริมสีเขียว ในขณะที่ความหนาของลำต้นและดัชนีความแข็งแรงของต้นกล้ามะเขือเทศจะเพิ่มขึ้นตามความเข้มของแสงเสริมสีเขียวเช่นกัน การผสมผสานแสง LED สีแดงและสีน้ำเงินสามารถเพิ่มความหนาของลำต้น พื้นที่ใบ น้ำหนักแห้งของต้นพืชทั้งต้น อัตราส่วนรากต่อลำต้น และดัชนีความแข็งแรงของต้นกล้ามะเขือม่วงได้ เมื่อเปรียบเทียบกับแสงสีขาว แสง LED สีแดงสามารถเพิ่มชีวมวลของต้นกล้ากะหล่ำปลีและส่งเสริมการเจริญเติบโตด้านความยาวและการขยายตัวของใบของต้นกล้ากะหล่ำปลี แสง LED สีน้ำเงินส่งเสริมการเจริญเติบโตที่หนาแน่น การสะสมมวลแห้ง และดัชนีความแข็งแรงของต้นกล้ากะหล่ำปลี และทำให้ต้นกล้ากะหล่ำปลีแคระแกร็น ผลลัพธ์ข้างต้นแสดงให้เห็นถึงข้อดีของการเพาะปลูกต้นกล้าผักด้วยเทคโนโลยีควบคุมแสงอย่างชัดเจน

ผลของแสงเสริมจาก LED ต่อคุณภาพทางโภชนาการของผักและผลไม้

โปรตีน น้ำตาล กรดอินทรีย์ และวิตามินที่อยู่ในผลไม้และผักเป็นสารอาหารที่มีประโยชน์ต่อสุขภาพของมนุษย์ คุณภาพของแสงสามารถส่งผลต่อปริมาณวิตามินซีในพืชโดยการควบคุมกิจกรรมของเอนไซม์สังเคราะห์และย่อยสลายวิตามินซี และยังสามารถควบคุมการเผาผลาญโปรตีนและการสะสมคาร์โบไฮเดรตในพืชสวนได้อีกด้วย แสงสีแดงส่งเสริมการสะสมคาร์โบไฮเดรต การบำบัดด้วยแสงสีฟ้ามีประโยชน์ต่อการสร้างโปรตีน ในขณะที่การผสมผสานระหว่างแสงสีแดงและสีฟ้าสามารถปรับปรุงคุณภาพทางโภชนาการของพืชได้ดีกว่าการใช้แสงสีเดียวอย่างมีนัยสำคัญ

การเพิ่มแสง LED สีแดงหรือสีน้ำเงินสามารถลดปริมาณไนเตรตในผักกาดหอมได้ การเพิ่มแสง LED สีน้ำเงินหรือสีเขียวสามารถส่งเสริมการสะสมของน้ำตาลที่ละลายได้ในผักกาดหอม และการเพิ่มแสง LED อินฟราเรดเอื้อต่อการสะสมของวิตามินซีในผักกาดหอม ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่า การเสริมแสงสีน้ำเงินสามารถปรับปรุงปริมาณวิตามินซีและโปรตีนที่ละลายได้ในมะเขือเทศ แสงสีแดงและแสงผสมสีแดงและสีน้ำเงินสามารถส่งเสริมปริมาณน้ำตาลและกรดในผลมะเขือเทศ และอัตราส่วนของน้ำตาลต่อกรดสูงสุดภายใต้แสงผสมสีแดงและสีน้ำเงิน นอกจากนี้ แสงผสมสีแดงและสีน้ำเงินยังสามารถปรับปรุงปริมาณวิตามินซีในผลแตงกวาได้อีกด้วย

สารฟีนอล ฟลาโวนอยด์ แอนโทไซยานิน และสารอื่นๆ ในผักและผลไม้ ไม่เพียงแต่มีอิทธิพลสำคัญต่อสี รสชาติ และมูลค่าของผักและผลไม้เท่านั้น แต่ยังมีฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระตามธรรมชาติ และสามารถยับยั้งหรือกำจัดอนุมูลอิสระในร่างกายมนุษย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การใช้แสงสีฟ้าจาก LED เสริมแสงสามารถเพิ่มปริมาณแอนโทไซยานินในเปลือกมะเขือยาวได้มากถึง 73.6% ในขณะที่การใช้แสงสีแดงจาก LED และการผสมผสานระหว่างแสงสีแดงและสีฟ้าสามารถเพิ่มปริมาณฟลาโวนอยด์และฟีนอลรวมได้ แสงสีฟ้าสามารถส่งเสริมการสะสมของไลโคปีน ฟลาโวนอยด์ และแอนโทไซยานินในผลมะเขือเทศ การผสมผสานระหว่างแสงสีแดงและสีฟ้าช่วยส่งเสริมการผลิตแอนโทไซยานินในระดับหนึ่ง แต่ยับยั้งการสังเคราะห์ฟลาโวนอยด์ เมื่อเปรียบเทียบกับการรักษาด้วยแสงสีขาว การรักษาด้วยแสงสีแดงสามารถเพิ่มปริมาณแอนโทไซยานินในยอดผักกาดหอมได้อย่างมีนัยสำคัญ แต่การรักษาด้วยแสงสีฟ้ามีปริมาณแอนโทไซยานินต่ำที่สุด ปริมาณฟีนอลรวมของผักกาดหอมใบเขียว ใบม่วง และใบแดงสูงกว่าภายใต้การรักษาด้วยแสงสีขาว แสงผสมสีแดง-ฟ้า และแสงสีฟ้า แต่ต่ำที่สุดภายใต้การรักษาด้วยแสงสีแดง การเสริมแสงอัลตราไวโอเลตหรือแสงสีส้มจาก LED สามารถเพิ่มปริมาณสารประกอบฟีนอลในใบผักกาดหอม ในขณะที่การเสริมแสงสีเขียวสามารถเพิ่มปริมาณแอนโทไซยานินได้ ดังนั้น การใช้ไฟ LED สำหรับปลูกพืชจึงเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการควบคุมคุณภาพทางโภชนาการของผลไม้และผักในการเพาะปลูกพืชในโรงเรือน

ผลของแสงเสริม LED ต่อการชะลอวัยของพืช

การเสื่อมสภาพของคลอโรฟิลล์ การสูญเสียโปรตีนอย่างรวดเร็ว และการไฮโดรไลซิสของอาร์เอ็นเอในช่วงที่พืชแก่ตัวลงนั้น ส่วนใหญ่แสดงออกมาเป็นอาการใบแก่ คลอโรพลาสต์มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมแสงภายนอก โดยเฉพาะอย่างยิ่งคุณภาพของแสง แสงสีแดง แสงสีน้ำเงิน และแสงผสมสีแดง-น้ำเงิน เอื้อต่อการสร้างรูปร่างของคลอโรพลาสต์ แสงสีน้ำเงินเอื้อต่อการสะสมของเม็ดแป้งในคลอโรพลาสต์ ในขณะที่แสงสีแดงและแสงฟาร์เรดมีผลเสียต่อการพัฒนาของคลอโรพลาสต์ การผสมผสานระหว่างแสงสีน้ำเงินและแสงสีแดง-น้ำเงินสามารถส่งเสริมการสังเคราะห์คลอโรฟิลล์ในใบต้นกล้าแตงกวา และการผสมผสานระหว่างแสงสีแดงและสีน้ำเงินยังสามารถชะลอการลดลงของปริมาณคลอโรฟิลล์ในใบในระยะหลังได้ ผลกระทบนี้จะชัดเจนมากขึ้นเมื่ออัตราส่วนของแสงสีแดงลดลงและอัตราส่วนของแสงสีน้ำเงินเพิ่มขึ้น ปริมาณคลอโรฟิลล์ในใบต้นกล้าแตงกวาภายใต้การรักษาด้วยแสงผสมสีแดงและน้ำเงินจากหลอด LED สูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุมที่ใช้แสงฟลูออเรสเซนต์ และการรักษาด้วยแสงสีแดงและน้ำเงินแบบโมโนโครมาติก แสงสีฟ้าจาก LED สามารถเพิ่มค่าคลอโรฟิลล์ a/b ในต้นกล้าหวู่ตาไฉและกระเทียมต้นได้อย่างมีนัยสำคัญ

ในช่วงที่พืชแก่ตัวลง จะมีการเปลี่ยนแปลงปริมาณของไซโตไคนิน (CTK), ออกซิน (IAA), กรดแอบซิสิก (ABA) และกิจกรรมของเอนไซม์ต่างๆ ปริมาณของฮอร์โมนพืชได้รับผลกระทบได้ง่ายจากสภาพแวดล้อมของแสง คุณภาพของแสงที่แตกต่างกันจะมีผลต่อการควบคุมฮอร์โมนพืชแตกต่างกัน และขั้นตอนเริ่มต้นของกระบวนการส่งสัญญาณแสงนั้นเกี่ยวข้องกับไซโตไคนิน

CTK ส่งเสริมการขยายตัวของเซลล์ใบ เพิ่มประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงของใบ ในขณะเดียวกันก็ยับยั้งการทำงานของไรโบนิวคลีเอส ดีออกซีไรโบนิวคลีเอส และโปรตีเอส และชะลอการเสื่อมสภาพของกรดนิวคลีอิก โปรตีน และคลอโรฟิลล์ จึงสามารถชะลอการแก่ของใบได้อย่างมีนัยสำคัญ มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและการควบคุมการพัฒนาโดย CTK และแสงสามารถกระตุ้นให้ระดับไซโตไคนินภายในเพิ่มขึ้น เมื่อเนื้อเยื่อพืชอยู่ในภาวะแก่ชรา ปริมาณไซโตไคนินภายในจะลดลง

IAA จะมีความเข้มข้นสูงในส่วนของพืชที่กำลังเจริญเติบโตอย่างแข็งแรง และมีปริมาณน้อยมากในเนื้อเยื่อหรืออวัยวะที่แก่ชรา แสงสีม่วงสามารถเพิ่มกิจกรรมของเอนไซม์อินโดลอะซิติกแอซิดออกซิเดส และระดับ IAA ที่ต่ำสามารถยับยั้งการยืดตัวและการเจริญเติบโตของพืชได้

ABA ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในเนื้อเยื่อใบที่แก่ตัว ผลไม้สุก เมล็ด ลำต้น ราก และส่วนอื่นๆ ปริมาณ ABA ในแตงกวาและกะหล่ำปลีภายใต้แสงสีแดงและสีน้ำเงินร่วมกันจะต่ำกว่าภายใต้แสงสีขาวและสีน้ำเงินเพียงอย่างเดียว

เพอร์ออกซิเดส (POD), ซูเปอร์ออกไซด์ดิสมิวเทส (SOD), แอสคอร์เบตเพอร์ออกซิเดส (APX) และคาตาเลส (CAT) เป็นเอนไซม์ป้องกันพืชที่สำคัญและเกี่ยวข้องกับแสง หากพืชมีอายุมากขึ้น กิจกรรมของเอนไซม์เหล่านี้จะลดลงอย่างรวดเร็ว

คุณภาพของแสงที่แตกต่างกันมีผลอย่างมากต่อกิจกรรมของเอนไซม์ต้านอนุมูลอิสระในพืช หลังจากได้รับแสงสีแดงเป็นเวลา 9 วัน กิจกรรมของเอนไซม์ APX ในต้นกล้าเรพซีดเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่กิจกรรมของเอนไซม์ POD ลดลง กิจกรรมของเอนไซม์ POD ในมะเขือเทศหลังจากได้รับแสงสีแดงและแสงสีน้ำเงินเป็นเวลา 15 วัน สูงกว่าแสงสีขาว 20.9% และ 11.7% ตามลำดับ หลังจากได้รับแสงสีเขียวเป็นเวลา 20 วัน กิจกรรมของเอนไซม์ POD ในมะเขือเทศต่ำที่สุด เพียง 55.4% ของแสงสีขาว การเสริมแสงสีน้ำเงินเป็นเวลา 4 ชั่วโมง สามารถเพิ่มปริมาณโปรตีนที่ละลายน้ำได้ กิจกรรมของเอนไซม์ POD, SOD, APX และ CAT ในใบแตงกวาในระยะต้นกล้าได้อย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ กิจกรรมของ SOD และ APX จะค่อยๆ ลดลงเมื่อระยะเวลาการได้รับแสงนานขึ้น กิจกรรมของ SOD และ APX ภายใต้แสงสีน้ำเงินและแสงสีแดงลดลงอย่างช้าๆ แต่จะสูงกว่าแสงสีขาวเสมอ การฉายแสงสีแดงทำให้กิจกรรมของเอนไซม์เพอร์ออกซิเดสและ IAA เพอร์ออกซิเดสในใบมะเขือเทศลดลงอย่างมีนัยสำคัญ และลดกิจกรรมของ IAA เพอร์ออกซิเดสในใบมะเขือยาวลงอย่างมีนัยสำคัญ แต่กลับทำให้กิจกรรมของเอนไซม์เพอร์ออกซิเดสในใบมะเขือยาวเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้น การใช้กลยุทธ์การเสริมแสง LED อย่างเหมาะสมจึงสามารถชะลอความแก่ของพืชสวนในโรงเรือนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และช่วยเพิ่มผลผลิตและคุณภาพได้

การก่อสร้างและการประยุกต์ใช้สูตรแสง LED

การเจริญเติบโตและพัฒนาการของพืชได้รับผลกระทบอย่างมากจากคุณภาพของแสงและอัตราส่วนองค์ประกอบต่างๆ ของแสง สูตรแสงส่วนใหญ่ประกอบด้วยองค์ประกอบหลายอย่าง เช่น อัตราส่วนคุณภาพของแสง ความเข้มของแสง และระยะเวลาการให้แสง เนื่องจากพืชแต่ละชนิดมีความต้องการแสงและระยะการเจริญเติบโตที่แตกต่างกัน การผสมผสานที่ดีที่สุดระหว่างคุณภาพของแสง ความเข้มของแสง และระยะเวลาการให้แสงจึงมีความจำเป็นสำหรับพืชที่ปลูก

 อัตราส่วนสเปกตรัมแสง

เมื่อเปรียบเทียบกับแสงสีขาวและแสงสีแดงและสีน้ำเงินเพียงอย่างเดียว การผสมผสานแสง LED สีแดงและสีน้ำเงินมีข้อดีที่ครอบคลุมกว่าในด้านการเจริญเติบโตและพัฒนาการของต้นกล้าแตงกวาและกะหล่ำปลี

เมื่ออัตราส่วนของแสงสีแดงและสีน้ำเงินอยู่ที่ 8:2 ความหนาของลำต้น ความสูงของพืช น้ำหนักแห้ง น้ำหนักสด ดัชนีความแข็งแรงของต้นกล้า ฯลฯ จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และยังเป็นประโยชน์ต่อการสร้างเมทริกซ์คลอโรพลาสต์และฐานลามินา รวมถึงการสร้างสารอาหารด้วย

การใช้แสงสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงินร่วมกันในการเพาะถั่วงอกนั้นเป็นประโยชน์ต่อการสะสมมวลแห้ง และแสงสีเขียวสามารถส่งเสริมการสะสมมวลแห้งของถั่วงอกได้ การเจริญเติบโตจะเห็นได้ชัดที่สุดเมื่ออัตราส่วนของแสงสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงินอยู่ที่ 6:2:1 การยืดตัวของลำต้นใต้ใบของต้นกล้าถั่วงอกนั้นดีที่สุดภายใต้อัตราส่วนแสงสีแดงและสีน้ำเงินที่ 8:1 และการยืดตัวของลำต้นใต้ใบของถั่วงอกถูกยับยั้งอย่างเห็นได้ชัดภายใต้อัตราส่วนแสงสีแดงและสีน้ำเงินที่ 6:3 แต่ปริมาณโปรตีนที่ละลายน้ำได้นั้นสูงที่สุด

เมื่ออัตราส่วนของแสงสีแดงและแสงสีน้ำเงินอยู่ที่ 8:1 สำหรับต้นกล้าบวบ ดัชนีความแข็งแรงของต้นกล้าและปริมาณน้ำตาลที่ละลายได้ของต้นกล้าบวบจะสูงที่สุด ส่วนเมื่อใช้คุณภาพแสงที่มีอัตราส่วนของแสงสีแดงและแสงสีน้ำเงินที่ 6:3 ปริมาณคลอโรฟิลล์เอ อัตราส่วนคลอโรฟิลล์เอ/บี และปริมาณโปรตีนที่ละลายได้ของต้นกล้าบวบจะสูงที่สุด

เมื่อใช้แสงสีแดงและสีน้ำเงินในอัตราส่วน 3:1 กับต้นขึ้นฉ่าย จะช่วยส่งเสริมการเพิ่มความสูงของต้นขึ้นฉ่าย ความยาวก้านใบ จำนวนใบ คุณภาพของเนื้อแห้ง ปริมาณวิตามินซี ปริมาณโปรตีนที่ละลายน้ำได้ และปริมาณน้ำตาลที่ละลายน้ำได้ ในการปลูกมะเขือเทศ การเพิ่มสัดส่วนของแสง LED สีน้ำเงินจะส่งเสริมการสร้างไลโคปีน กรดอะมิโนอิสระ และฟลาโวนอยด์ และการเพิ่มสัดส่วนของแสงสีแดงจะส่งเสริมการสร้างกรดที่สามารถไทเทรตได้ เมื่อใช้แสงที่มีอัตราส่วนแสงสีแดงและสีน้ำเงินต่อใบผักกาดหอม 8:1 จะเป็นประโยชน์ต่อการสะสมของแคโรทีนอยด์ และช่วยลดปริมาณไนเตรตและเพิ่มปริมาณวิตามินซีได้อย่างมีประสิทธิภาพ

 ความเข้มของแสง

พืชที่เจริญเติบโตภายใต้แสงอ่อนจะไวต่อภาวะยับยั้งการสังเคราะห์แสงมากกว่าพืชที่เจริญเติบโตภายใต้แสงแรง อัตราการสังเคราะห์แสงสุทธิของต้นกล้ามะเขือเทศเพิ่มขึ้นตามความเข้มของแสงที่เพิ่มขึ้น [50, 150, 200, 300, 450, 550 μmol/(m²·s)] โดยมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นก่อนแล้วจึงลดลง และถึงระดับสูงสุดที่ 300 μmol/(m²·s) ความสูงของต้น พื้นที่ใบ ปริมาณน้ำ และปริมาณ VC ของผักกาดหอมเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญภายใต้การรักษาด้วยความเข้มแสง 150 μmol/(m²·s) ภายใต้การรักษาด้วยความเข้มแสง 200 μmol/(m²·s) น้ำหนักสด น้ำหนักรวม และปริมาณกรดอะมิโนอิสระเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และภายใต้การรักษาด้วยความเข้มแสง 300 μmol/(m²·s) พื้นที่ใบ ปริมาณน้ำ คลอโรฟิลล์เอ คลอโรฟิลล์เอ+บี และแคโรทีนอยด์ของผักกาดหอมลดลงทั้งหมด เมื่อเปรียบเทียบกับสภาวะมืด การเพิ่มความเข้มของแสง LED สำหรับการปลูกพืช [3, 9, 15 μmol/(m²·s)] ส่งผลให้ปริมาณคลอโรฟิลล์เอ คลอโรฟิลล์บี และคลอโรฟิลล์เอ+บี ในถั่วงอกเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ปริมาณ VC สูงที่สุดที่ 3 μmol/(m²·s) และปริมาณโปรตีนที่ละลายได้ น้ำตาลที่ละลายได้ และซูโครสสูงที่สุดที่ 9 μmol/(m²·s) ภายใต้สภาวะอุณหภูมิเดียวกัน การเพิ่มความเข้มของแสง [(2~2.5)lx×10³ lx, (4~4.5)lx×10³ lx, (6~6.5)lx×10³ lx] ส่งผลให้ระยะเวลาการงอกของต้นกล้าพริกสั้นลง ปริมาณน้ำตาลที่ละลายได้เพิ่มขึ้น แต่ปริมาณคลอโรฟิลล์เอและแคโรทีนอยด์ลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป

 เวลาแห่งแสง

การยืดระยะเวลาการได้รับแสงอย่างเหมาะสมสามารถบรรเทาความเครียดจากแสงน้อยที่เกิดจากความเข้มแสงไม่เพียงพอได้ในระดับหนึ่ง ช่วยให้พืชสวนสะสมผลิตภัณฑ์จากการสังเคราะห์แสง และส่งผลให้ผลผลิตเพิ่มขึ้นและคุณภาพดีขึ้น ปริมาณวิตามินซีในต้นอ่อนมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไปเมื่อระยะเวลาการได้รับแสงเพิ่มขึ้น (0, 4, 8, 12, 16, 20 ชั่วโมง/วัน) ในขณะที่ปริมาณกรดอะมิโนอิสระ กิจกรรมของเอนไซม์ SOD และ CAT มีแนวโน้มลดลง เมื่อระยะเวลาการได้รับแสงเพิ่มขึ้น (12, 15, 18 ชั่วโมง) น้ำหนักสดของต้นกะหล่ำปลีจีนเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ปริมาณวิตามินซีในใบและลำต้นของกะหล่ำปลีจีนสูงสุดที่ 15 และ 12 ชั่วโมง ตามลำดับ ปริมาณโปรตีนที่ละลายได้ในใบกะหล่ำปลีจีนลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป แต่ลำต้นมีปริมาณสูงสุดหลังจาก 15 ชั่วโมง ปริมาณน้ำตาลที่ละลายได้ในใบกะหล่ำปลีจีนเพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป ในขณะที่ลำต้นมีปริมาณสูงสุดที่ 12 ชั่วโมง เมื่ออัตราส่วนของแสงสีแดงและแสงสีน้ำเงินเป็น 1:2 เมื่อเปรียบเทียบกับการฉายแสง 12 ชั่วโมง การฉายแสง 20 ชั่วโมงจะลดปริมาณฟีนอลและฟลาโวนอยด์ทั้งหมดในผักกาดหอมลง แต่เมื่ออัตราส่วนของแสงสีแดงและแสงสีน้ำเงินเป็น 2:1 การฉายแสง 20 ชั่วโมงจะเพิ่มปริมาณฟีนอลและฟลาโวนอยด์ทั้งหมดในผักกาดหอมอย่างมีนัยสำคัญ

จากที่กล่าวมาข้างต้น จะเห็นได้ว่าสูตรแสงที่แตกต่างกันมีผลต่อการสังเคราะห์แสง การเจริญเติบโตของพืช และการเผาผลาญคาร์บอนและไนโตรเจนของพืชแต่ละชนิดแตกต่างกัน การจะได้สูตรแสงที่ดีที่สุด การจัดวางแหล่งกำเนิดแสง และการวางแผนกลยุทธ์การควบคุมอัจฉริยะนั้น จำเป็นต้องเริ่มต้นจากชนิดของพืช และปรับเปลี่ยนให้เหมาะสมตามความต้องการของพืชผลทางการเกษตร เป้าหมายการผลิต ปัจจัยการผลิต ฯลฯ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายของการควบคุมสภาพแวดล้อมแสงอย่างชาญฉลาด และการผลิตพืชผลทางการเกษตรที่มีคุณภาพสูงและผลผลิตสูงภายใต้สภาวะประหยัดพลังงาน

ปัญหาที่มีอยู่และโอกาสในอนาคต

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของไฟปลูกพืช LED คือ สามารถปรับการผสมผสานอย่างชาญฉลาดตามสเปกตรัมความต้องการด้านลักษณะการสังเคราะห์แสง รูปร่าง คุณภาพ และผลผลิตของพืชแต่ละชนิด พืชต่างชนิดกันและแม้แต่พืชชนิดเดียวกันในช่วงการเจริญเติบโตที่แตกต่างกัน ล้วนมีความต้องการคุณภาพแสง ความเข้มแสง และช่วงเวลาการได้รับแสงที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการพัฒนาและปรับปรุงการวิจัยสูตรแสงเพิ่มเติมเพื่อสร้างฐานข้อมูลสูตรแสงขนาดใหญ่ เมื่อผนวกกับการวิจัยและพัฒนาหลอดไฟระดับมืออาชีพ จะสามารถใช้ไฟเสริม LED ในภาคการเกษตรได้อย่างคุ้มค่าที่สุด เพื่อประหยัดพลังงาน เพิ่มประสิทธิภาพการผลิต และเพิ่มผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจ การประยุกต์ใช้ไฟปลูกพืช LED ในการปลูกพืชในโรงเรือนมีความคึกคักอย่างมาก แต่ราคาของอุปกรณ์หรือเครื่องมือไฟ LED ค่อนข้างสูง และการลงทุนครั้งแรกก็สูง ความต้องการแสงเสริมของพืชชนิดต่างๆ ภายใต้สภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันยังไม่ชัดเจน สเปกตรัมแสงเสริม ความเข้ม และช่วงเวลาการได้รับแสงที่ไม่เหมาะสม จะก่อให้เกิดปัญหาต่างๆ ในอุตสาหกรรมการใช้ไฟปลูกพืชอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

อย่างไรก็ตาม ด้วยความก้าวหน้าและการพัฒนาของเทคโนโลยี รวมถึงการลดต้นทุนการผลิตของไฟปลูกพืช LED ไฟเสริม LED จะถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นในด้านการปลูกพืชในโรงเรือน ในขณะเดียวกัน การพัฒนาและความก้าวหน้าของระบบเทคโนโลยีไฟเสริม LED และการผสมผสานพลังงานใหม่ จะช่วยให้การเกษตรในโรงเรือน การเกษตรในครัวเรือน การเกษตรในเมือง และการเกษตรในอวกาศ พัฒนาไปอย่างรวดเร็วเพื่อตอบสนองความต้องการพืชผลทางการเกษตรของผู้คนในสภาพแวดล้อมพิเศษ