遠赤色光は植物の成長にどう影響するか？

執筆者 marketing | 5月 29, 2024 | Blogs, グローライト | コメント0件

遠赤色LEDの成長光と植物成長の紹介

遠赤色光は植物にどのような影響を与えるのか？
遠赤育成光技術は、植物に様々な影響を与えるが、時に混乱させ、誤解させ、物議を醸すことさえある。しかし、光合成と開花のパフォーマンスを最適化しようとする室内栽培者にとっては、極めて重要な課題であることに変わりはない。遠赤色の波長が赤色光とどのように相互作用するのかを理解することは、生産者の間でよく聞かれる疑問への答えにもなる。

最近、我々は遠赤色光に関するいくつかの研究や論文を見直し、栽培者や照明デザイナーにとって最も実用的な知見をまとめることにした。

遠赤外光とは何か、エマーソン効果との関係
なぜ赤い光は植物に良いのか？
赤色光は植物の成長にどのような影響を与えるか？
遠赤外光とボトルネック（PSII、PSI）
遠赤外光について実際の実験は何を示しているのか？
遠赤と茎の伸長
遠赤色光と種子の休眠
遠赤と季節的成長
遠赤は必ずしも収量増を意味しない
遠赤は助けになるが、理解が必要
遠赤色LEDの成長ライト：研究から実用化へ

図1 植物と光

遠赤外光とは何か、エマーソン効果との関係

遠赤ライトの利点に関するこれらの考えはどこから来たのだろうか？エマーソン効果とは、1950年代にロバート・エマーソンが発見したもので、植物が2つの異なる波長の赤色光を同時に浴びると、光合成が促進されるというものである。

つまり、エマーソンは、赤色光（～653nm）に遠赤色光（～700nm）を加えることで、各色を別々にテストした場合の合計結果よりもはるかに優れた結果が得られることを発見したのである。

赤色光（653nm）の収率＝53
遠赤色光（700nm）収率 = 10
赤＋遠赤の光量＝72

(吸収した光量子あたりの酸素量）

図2 ロバート・エマーソン

赤＋遠赤のテスト結果が、赤と遠赤の別々のテスト結果の合計よりも優れていたという事実は、光合成のメカニズムに対する私たちの理解を一変させた。

エマーソンは、1つのシステムが2つの波長の光の効果を合計するのではなく、2つの異なるシステムが一緒に働き、1つのシステムがもう1つのシステムを後押ししているに違いないと推測した-これらは後にPSIIとPSIとして知られるようになった。

なぜ赤い光は植物に良いのか？

赤色光は光合成において基本的な役割を果たし、他のほとんどの波長よりも効率的に植物のエネルギー生産を促進する。エマーソンの実験では、光合成活動を開始する主要な反応中心である光化学系II（PSII）に吸収される653nm付近の赤色光が最も高い収率を示した。光を化学エネルギーに変換するクロロフィル分子を励起するのだ。

しかし、赤色光に遠赤色光（～700nm）を加えると、全体の光合成効率は劇的に上昇し、遠赤色光は赤色光に取って代わるのではなく、赤色光を補完することが明らかになった。この発見により、植物のエネルギー変換を最大化するために協働する2つの光システム、PSIIとPSIが同定された。

赤色光は植物の成長にどのような影響を与えるか？

赤色光は光合成を促進し、開花、種子の発芽、茎の伸長などの重要なプロセスを制御するため、植物の発生において支配的な役割を果たしている。園芸では、660nm付近の赤色光がクロロフィルの吸収を活性化し、光エネルギーを植物の成長の燃料となる糖に変換するのを助けることがよく知られている。これは、赤色光が植物の成長にどのように影響するのか、そしてなぜ赤色LEDがほとんどの栽培用照明システムの基礎的な構成要素となっているのかを説明するものである。

しかし、遠赤色光を赤色光と同時に導入すると、植物はさらに効率的に反応することが研究で示されている。両波長の組み合わせは、エマーソン効果によって初めて実証されたメカニズムによって光合成速度を高める。遠赤色光（～700nm）は、光化学系I（PSI）を刺激することで赤色光を補完し、光化学系II（PSII）（赤色光感受性システム）と連携して、エネルギー変換プロセス全体のバランスをとる。

最新の遠赤色育成ライトの設計は、この相乗効果を利用して、より均一なキャノピー照明、より早い開花、バイオマス生産の向上を促進する。赤色光を置き換えるのではなく、遠赤色の波長がその利点を拡大し、自然の太陽光に見られるバランスを反映した完全なスペクトル戦略を作り出している。

遠赤外光とボトルネック（PSII、PSI）

PSIIとPSIは、植物細胞の中に埋もれたチラコイド膜の中にあるサブシステムである（これについては、こちらを参照）。 ATPとNADPHと呼ばれるエネルギー貯蔵物質を生産し、最終的に糖を作る工場のステーションと考えることができる。

図3a 光合成は植物細胞の奥深くにあるチラコイド膜で行われる。

図3b チラコイド膜とPSII、PSIステーション

青と赤の光はPSIIとPSIの両方で吸収され、光合成が行われるために重要である。

さらに、PSIIは680nmの赤色光を特に効率よく吸収する。

また、PSIは特に700nmの遠赤色光を効率よく吸収する。

育成ライトの青色光と赤色光が十分あれば光合成は行われるが、PSIがボトルネックになる。なぜですか？

PSIでの処理は本質的に遅いので、当然バックアップがある。 PSIは遠赤色を吸収するのに優れているので、栽培用ライトに遠赤色を加えると、物事がうまく進むはずだ。

要するに、遠赤外光は、奇跡的な結果を示した実験から最初に考える人もいるかもしれないが、魔法の成長の特効薬ではない。

露地栽培では、太陽の遠赤色光が十分にあるため、ボトルネックの問題は発生しない（図4）。

図4 太陽のスペクトルは遠赤色光（>700nm）を多く含む。

遠赤外光について実際の実験は何を示しているのか？

私たちは、遠赤色光の補足を研究した3つの研究を調べ、このような結果を発見した。

試験1：レタス3検体の乾燥重量の増加は39.4％、19.0％、0.0％。
試験2：レタスの乾燥重量は46～77％増加、葉面積は58～75％増加。
研究3：遠赤色光で葉の光合成が31.72％増加した。

(最後に参考文献を参照）。

これらの研究が重要な結果を示しているとはいえ、これらの調査結果は、遠赤色光の補光が魔法の成長機会であると言っているわけではないことを再確認しなければならない。

遠赤と茎の伸長

森林の樹冠の下では、青色光と赤色光は減少するが、葉を透過する遠赤色光は豊富にある（図5参照）。これは、「日陰を避ける」こととして知られている。

室内栽培の環境では、遠赤色光と茎の伸長を利点として使うことができる。

図5-この分光器の測定は、正午の太陽の下、葉の下で行われた。

茎の伸長がイチゴ栽培にプラスに働く面もある。栽培農家は、茎を伸ばすために遠赤色光を使うこともある。さらに、茎が長いと果実が見えやすくなり、収穫しやすくなる。

図6-遠赤色光が茎の成長を促し、換気を良くする

ただし、茎の成長を促進するために遠赤色光を当てることが好ましくない場合もある。レタスなど、見た目の美しさを重視して背丈を低く、ずんぐりとした作物にしたい場合もあるだろう。

また、茎の成長に使用される糖分が、果実をつける植物の果実の収量や品質に影響を与えることを示唆する記事もある。

図7 – 光の色と植物のサイズ – 写真提供：Albopepper.comのAl Gracian

遠赤色光と種子の休眠

種子は樹冠の下の地面に落ちていることが多い。また、日陰でも遠赤外光に反応してその存在を感知できるが、芽とは異なり、種子は休眠状態に入り、より適切な発芽の機会を待つ。

図8-種子は遠赤外光に反応して休眠する

遠赤と季節的成長

庭やバルコニーに植物を植えている人は、特に春から夏にかけて、新しい茎、新鮮な葉、花など、植物が一斉に生長するのに気づくだろう。遠赤色光と赤色光は、フィトクロム分子の構造に影響を与えることによって、この魔法のような変換に影響を与える。

日中と夜間の時間が同じだとすると、フィトクロムはある種の静止状態に達する。しかし、春から夏になると、日照時間が長くなり、フィトクロムの状態に対する遠赤色光と赤色光の影響が変化し、これが季節的成長の引き金となる。

季節ごとの成長については、こちらをご覧いただきたい。

図9 – 季節の成長の鍵を握るフィトクロム分子。

図10-季節の成長は日照時間によって決まる

遠赤は必ずしも収量増を意味しない

光合成の最終生成物は糖である。しかし、遠赤色光を補うことで糖分が豊富になったからといって、植物の収量が増えるわけではない。

植物の核にあるDNAは、成長の引き金となるにふさわしいと判断する前に、チェック項目（チェックポイント・コントロール）を通過する。温度、湿度、ホルモンの利用可能性、水の利用可能性、植物のストレスなどを評価する。事実上、光合成を十分に促す青色光、赤色光、遠赤色光があるからといって、それでも望む結果が得られるとは限らない。

図11 – 植物細胞の核は、細胞分裂のすべての機能を制御している。

図12 – 細胞周期の第4段階は細胞分裂（有糸分裂） – by Ali Zifan (wikipedia-CCBY-SA 4.0)

工場はそれぞれ違うことを忘れないで

植物の種類にはそれぞれ癖がある。ある人には完璧に機能しても、別の人には理想的でないかもしれない。その特異性は、適者生存という進化のマスタープランの一部として、核のDNAの奥深くに眠っている。

図13-スペクトルPARメーターによる遠赤、赤、紫外光の測定。

遠赤は助けになるが、理解が必要

この記事では、遠赤外光のすべての側面をカバーしようと試みた。

しかし、遠赤色光を当てれば収量が増えるというような簡単なものではないことがわかった：PSIのボトルネック、茎の伸長、季節的な成長、核やDNAの考慮などだ。

植物を育てたことがある人なら、ある植物には良くても別の植物には合わないということがすぐにわかるはずだ。とはいえ、遠赤の光のニュアンスを理解することで、栽培者は実験やパラメーターを微調整することで、遠赤の結果を得られる可能性が高くなる。

本記事の測定データはすべて、UPRtek Spectral PAR meterによって取得された。

遠赤色LEDの成長ライト：研究から実用化へ

研究により、遠赤色光の複雑な挙動を理解することができますが、栽培者は、遠赤色LED栽培光システムに依存して、これらの科学的洞察を測定可能な結果に変換します。

現代のLED栽培ライト技術は、現在では正確なスペクトル調整で設計されており、ユーザーは特定の作物や成長段階に合わせて赤色と遠赤色の波長をバランスさせることができる。

遠赤色LED栽培ライトを使用することで、栽培者は光合成効率、開花、バイオマス蓄積を促進する自然光条件を再現することができる。しかし、万能の計算式というわけではなく、それぞれの種が遠赤色放射に異なる反応を示すため、スペクトル比の微調整が不可欠であることに変わりはない。

そのため、UPRtek PG200N Spectral PAR Meterのような正確なスペクトラム測定ツールが不可欠なのです。これにより、研究者や栽培者は遠赤のパフォーマンスを分析し、最適化することができ、照明戦略が試行錯誤に基づくのではなく、データに基づいたものになる。

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その他

エマーソン効果＆レッドドロップ｜ニーラ・バコアチュートリアル｜2015｜https://www.youtube.com/watch?v=yqJBdNOHY5E
光反応とエマーソンの強化効果｜フルエンス｜2023｜https://www.youtube.com/watch?v=oIf_XwWVIq8
遠赤放射線を詳しく見る｜エリック・ランクル｜ミシガン州立大学｜chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://www.canr.msu.edu/uploads/resources/pdfs/fr-radiation.pdf
室内生産におけるレタスの成長と形態に対する遠赤色光の影響は品種特異的｜Jun Liu1,* and Marc W. van Iersel2｜NIH｜2022年10月14日｜https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9611250/
赤青発光ダイオード光に遠赤色を加えることで、異なる栽植密度におけるレタスの収量を促進｜Wenqing Jin, Jorge Leigh Urbina, Ep Heuvelink, Leo F.M. Marcelis｜Frontiersin.org｜2021/01/15
遠赤色光は、葉の光合成効率を高め、器官特異的なトランスクリプトームのリモデリングを引き起こすことにより、ブドウの成長を調節する｜6. コン・ジュンファ、6. ヤン・ザオ、6. ペイジ・ファン、6. 王永建、6. シャオボ・シュウ、6. 王立軍、6. 李紹華、6. ウェイ・ドアン、6. 梁振昌、6. Zhanwu Dai｜BMC｜2024年3月｜https://bmcplantbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12870-024-04870-7
遠赤色光スペクトルは植物にどのような影響を与えるか？ }カリフォルニア・ライトワークス｜2019年8月｜ https://californialightworks.com/blog/how-does-the-far-red-light-spectrum-affect-plants/