為什么我們看到的植物葉片絕大多數(shù)是綠色的呢？因?yàn)槿~片中的葉綠素對(duì)紅光和藍(lán)光吸收較多，而對(duì)綠光吸收較少，并把大部分綠光反射出來，因此，我們看到的植物葉子呈現(xiàn)綠色。傳統(tǒng)上認(rèn)為紅光和藍(lán)光比綠色光具有更高的表觀量子效率（QY，每摩爾光子同化二氧化碳摩爾數(shù)），原因是綠光被吸收的效率較低。然而，正因?yàn)槿~片對(duì)綠光的吸收率較低，所以綠光可以穿透至葉片的更深層次，激發(fā)葉片更深處的葉綠素分子。
為了探究光強(qiáng)與光質(zhì)對(duì)植物光合作用的相互作用，2021年美國(guó)喬治亞大學(xué)Marc W. van Iersel課題組在Frontiers in Plant Science雜志上發(fā)表了題為“Photosynthetic Physiology of Blue, Green, and Red Light: Light Intensity Effects and Underlying Mechanisms”的研究論文，探討了不同光照強(qiáng)度下紅、藍(lán)和綠光對(duì)植物光合作用的影響。
葉片對(duì)不同光質(zhì)的吸光率
作者使用美國(guó)PP SYSTEMS公司第三代光合作用測(cè)定系統(tǒng)CIRAS-3（以下簡(jiǎn)稱CIRAS-3光合儀）自帶的紅綠藍(lán)白四色LED光源，設(shè)置了9種不同紅、藍(lán)和綠光配比的光質(zhì)對(duì)萵苣葉片進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。9種光質(zhì)配比如表1所示：
紅、藍(lán)和綠LED光吸收率分別為91.6±1.1%、93.2±1.0%和81.1±1.9%。所有9種光質(zhì)的吸收率均根據(jù)紅、藍(lán)和綠光的比值計(jì)算。如圖2和表1所示：
不同光強(qiáng)和光質(zhì)對(duì)光合作用的影響
使用CIRAS-3光合儀測(cè)定萵苣在9種光質(zhì)下的光強(qiáng)-光合響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)（圖3,4），100R紅光下的QYm,inc（入射光基礎(chǔ)上的最大表觀量子效率，74.3mmol·mol-1）最大，其次是100G綠光（60.8mmol·mol-1）和100B藍(lán)光（58.4mmol·mol-1）。
同時(shí)發(fā)現(xiàn)100G綠光的Ag,max（最大總光合速率，20.0μmol·m-2·s-1）最大，其次是100R紅色（18.9μmol·m-2·s-1）和100G藍(lán)光（17.0μmol·m-2·s-1）。如圖5和表3所示：
Table 3. Dark respiration rate (Rd), maximum quantum yield of CO2assimilation (QYm,inc) and maximum gross assimilation rate (Ag,max) of ‘Green towers’ lettuce derived from the light response curves for nine different spectra using equation 1.
Light spectrum* | Rd(μmol·m-2·s-1) | QYm,inc(mol·mol-1) | Ag,max(μmol·m-2·s-1) | ||
100B | 2.30 | 0.058 | c | 17.0 | d |
80B20G | 2.73 | 0.061 | c | 18.1 | c |
20B80G | 2.96 | 0.062 | c | 19.5 | ab |
100G | 2.89 | 0.061 | c | 19.8 | a |
80G20R | 2.59 | 0.067 | b | 19.8 | a |
20G80R | 3.32 | 0.078 | a | 19.9 | ab |
100R | 2.81 | 0.073 | ab | 18.8 | bc |
20B80R | 2.88 | 0.077 | a | 19.2 | ab |
16B20G64R | 3.21 | 0.078 | a | 20.0 | a |
QYinc（入射光基礎(chǔ)上的瞬時(shí)量子效率）隨著光強(qiáng)的增加而增加，在90-200μmol·m-2·s-1時(shí)達(dá)到峰值，然后降低。弱光時(shí)紅光下QYm,inc高于藍(lán)光和綠光。為了確定QYm,inc的差異是由于植物對(duì)光質(zhì)吸收率的不同還是植物利用吸收光子進(jìn)行二氧化碳同化能力的差異造成的，作者引入了QYm,abs（吸收光基礎(chǔ)上的最大表觀量子效率）。綠光與紅光下的QYm,abs近似，但明顯高于藍(lán)光（圖4）。同時(shí)不同光質(zhì)之間的不存在協(xié)同作用或拮抗作用?？紤]到光質(zhì)的吸收率，而綠光和紅光下的QYm,abs均高于藍(lán)光，表明綠光下較低的QYm,inc是因?yàn)榫G光吸收率較低，而藍(lán)光下較低的QYm,inc是因?yàn)樗{(lán)光子本身使用效率較低（圖6）。
不同光強(qiáng)和光質(zhì)對(duì)電子傳遞速率J和最大羧化效率Vc,max的影響
使用CIRAS-3光合儀的快速CO2線性漸變技術(shù)測(cè)定萵苣在不同光質(zhì)下的A/Ci響應(yīng)曲線，從而計(jì)算出電子傳遞速率J和最大羧化效率Vc,max。強(qiáng)光時(shí)，紅光和綠光下的電子傳遞速率J與QYinc趨勢(shì)相似，均高于藍(lán)光（圖8）。1000μmol·m-2·s-1的強(qiáng)光下Vc,max不受光質(zhì)影響。同時(shí)，不同光質(zhì)下的Ag（總光合速率）與J呈正相關(guān)，說明光質(zhì)和光強(qiáng)對(duì)光合作用的交互作用是由于對(duì)J的影響造成的。
總結(jié)
弱光時(shí)，紅光下QYinc最高，藍(lán)光次之，綠光下最低。弱光時(shí)綠燈下較低的QYinc是由于植物對(duì)綠光吸收率低的緣故。相比之下，強(qiáng)光時(shí)綠光和紅光下QYinc的近似，均高于藍(lán)光。原因是葉綠素對(duì)藍(lán)光的強(qiáng)烈吸收產(chǎn)生了從葉片表面到底部的不同光強(qiáng)梯度，葉片表面吸收大量的藍(lán)光產(chǎn)生過多激發(fā)能導(dǎo)致非光化學(xué)猝滅NPQ上升，而葉片底部葉綠素分子能夠吸收藍(lán)光的較少產(chǎn)生激發(fā)能很少，所以強(qiáng)光時(shí)藍(lán)光下的QYinc較低；而綠光對(duì)葉片的穿透性更強(qiáng)，在葉片內(nèi)分布的更加均勻，從而減少了葉片表面產(chǎn)生過多的非光化學(xué)猝滅，同時(shí)葉片底部葉綠素分子能夠吸收更多的綠光產(chǎn)生更多的激發(fā)能，所以強(qiáng)光時(shí)綠光下的QYinc較高。以上研究結(jié)果表明不同光強(qiáng)和光質(zhì)對(duì)植物的光合作用影響不同。
