DOI: https://doi.org/10.3389/fhort.2026.1776018
تاريخ النشر: 2026-03-27
المؤلف: Hossein Sheikhi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تأثيرات الضوء على النباتات
نظرة عامة
تستعرض هذه المراجعة الأدبيات الحديثة بشكل شامل حول تطبيق الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) وعوامل بيئية أخرى في زراعة الخس في البيئات المتحكم بها، مع التركيز على الدراسات المنشورة بين عامي 2012 و2025. تشير النتائج الرئيسية إلى أن النمو الأمثل وجودة الخس تتحقق من خلال مزيج من الضوء الأحمر (R) والأزرق (B)، وبشكل خاص بنسب تقارب 75-80% R و20-25% B، يتم توصيلها بكثافة 250-300 µmol m$^{-2}$ s$^{-1}$ وفترة ضوئية من 16-20 ساعة. بالإضافة إلى ذلك، فإن العوامل البيئية مثل درجة حرارة الهواء (23-25/18-20 °م نهارًا/ليلًا)، الرطوبة النسبية (60-70%)، تركيزات CO$_2$ (800-1000 µmol mol$^{-1}$ في الهواء و1500 µmol mol$^{-1}$ في منطقة الجذور)، وسرعة الهواء (0.3-0.7 م s$^{-1}$) هي عوامل حاسمة لتعظيم إنتاجية الخس وتقليل الاضطرابات الفسيولوجية.
تؤكد المراجعة على الحاجة إلى نهج منسق لإدارة هذه العوامل البيئية لتعزيز نمو الخس، وكفاءة التمثيل الضوئي، وجودة المنتج. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على التفاعلات بين العوامل المتعددة بدلاً من تحسين متغير واحد، بالإضافة إلى استجابات الأصناف المحددة والممارسات المستدامة مثل إعادة تدوير CO$_2$. سيساهم معالجة هذه المجالات في تطوير أنظمة إنتاج خس أكثر مرونة وكفاءة، مما يعزز مجال الزراعة في البيئات المتحكم بها.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية الخس (Lactuca sativa L.) كخضار ورقية مستهلكة على نطاق واسع، تُقدّر لرائحتها وملمسها ومحتواها الغذائي. أظهرت التطورات الحديثة في أنظمة الزراعة العمودية كفاءة أعلى في استخدام الضوء (LUE) للخس مقارنة بأساليب الزراعة التقليدية، مما دفع إلى زيادة البحث في تحسين ظروف النمو. من الجدير بالذكر أن الدراسات أظهرت أن الخس المزروع تحت تقنية الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) يظهر مقاييس نمو وجودة متفوقة، بما في ذلك تقليل استهلاك المياه وزيادة إنتاج الكتلة الحيوية والمركبات الفينولية، مقارنة بأنظمة الإضاءة التقليدية مثل مصابيح الصوديوم عالية الضغط (HPS) والأضواء الفلورية.
تهدف المراجعة إلى تجميع الأدبيات الحديثة حول زراعة الخس بدون تربة، مع التركيز بشكل خاص على إضاءة LED وعوامل بيئية أخرى مثل درجة الحرارة، وثاني أكسيد الكربون (CO₂)، والرطوبة النسبية (RH)، وسرعة الهواء. تعتبر هذه العوامل حاسمة لتحسين النمو والعائد، حيث تتفاعل بطرق معقدة بدلاً من العمل بشكل منفصل. يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى فهم شامل لهذه التفاعلات لتعزيز كفاءة إنتاج الخس في البيئات المتحكم بها. ستدمج المراجعة النتائج من الدراسات التي تمت مراجعتها من قبل الأقران والمنشورة بين عامي 2012 و2025، مع معالجة الفجوات في المعرفة الحالية وتقديم توصيات لاتجاهات البحث المستقبلية.
النتائج
يقدم قسم النتائج في ورقة البحث نظرة شاملة على دراسات مختلفة تبحث في تأثيرات علاجات الضوء المختلفة على نمو وجودة التغذية لمختلف أصناف الخس (Lactuca sativa L.) وخس الحمل (Valerianella locusta). تشير النتائج الرئيسية إلى أن كثافات الضوء المحددة والطيف تؤثر بشكل كبير على معايير نمو النبات، ومحتوى المغذيات، وخصائص مضادات الأكسدة. على سبيل المثال، تحت كثافة تدفق الفوتونات الضوئية للتمثيل الضوئي (PPFD) تتراوح بين 100-150 µmol m$^{-2}$ s$^{-1}$، انخفضت مستويات النترات بينما زادت تركيزات فيتامين C والكربوهيدرات (Zhou et al., 2012). بالإضافة إلى ذلك، أظهرت علاجات LED توفيرًا للطاقة يصل إلى 77.8% مقارنة بالإضاءة التقليدية بالصوديوم عالي الضغط (HPS) مع الحفاظ على إنتاج كتلة حيوية مماثلة (Martineau et al., 2012).
كشفت التحليلات الإضافية أن الطيف الضوئي الأمثل يختلف حسب الصنف؛ على سبيل المثال، تم تحقيق أعلى كتلة حيوية مع علاج LED بالأحمر والأزرق والأبيض (RBW)، بينما تم ملاحظة أعلى محتوى إجمالي من الأنثوسيانين تحت الأضواء الفلورية البيضاء الباردة (FL) (Park et al., 2012). كما أبرزت الدراسات أن أطوال موجية محددة، مثل 535 نانومتر، تعزز محتويات فيتامين C والتوكوفيرول، بينما كان الضوء الأزرق (B) فعالًا في قمع Botrytis cinerea وتحسين محتوى الكلوروفيل (Kook et al., 2013). بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية علاجات الضوء المخصصة في تحسين زراعة الخس لزيادة العائد والجودة الغذائية.
المناقشة
يؤكد قسم المناقشة في ورقة البحث على الدور الحاسم لجودة الضوء، وكثافته، وفترة الإضاءة، والاتجاه في التأثير على نمو وجودة التغذية للخس. لقد ثبت أن جودة الضوء، وخاصة الأطياف الحمراء (R) والزرقاء (B)، تنظم عمليات فسيولوجية متميزة، حيث يعزز الضوء الأحمر الكتلة الحيوية وتوسع الأوراق، بينما يعزز الضوء الأزرق فتح الثغور وإنتاج الكلوروفيل. تشير الدراسات إلى أن التركيبات المثلى من الضوء الأحمر والأزرق تحسن كفاءة التمثيل الضوئي وتراكم الكتلة الحيوية، مع نسب R:B محددة تؤدي إلى تنازلات بين العائد والجودة الغذائية. على سبيل المثال، ترتبط النسب الأعلى من R بزيادة الكتلة الحيوية، بينما تعزز المستويات المرتفعة من B تراكم المركبات النباتية الكيميائية، مثل مضادات الأكسدة.
تلعب كثافة الضوء أيضًا دورًا كبيرًا، حيث تعزز كثافات تدفق الفوتونات الضوئية للتمثيل الضوئي (PPFD) المتوسطة إلى العالية النمو وامتصاص المغذيات، على الرغم من أن الكثافات العالية جدًا يمكن أن تؤدي إلى تثبيط الضوء. تسلط الأبحاث الضوء على أن هناك PPFDs مثالية، مع توصيات متغيرة بناءً على ظروف النمو المحددة. تؤثر معالجة فترة الإضاءة أيضًا على النمو، حيث تعزز فترات الإضاءة الممتدة عمومًا الكتلة الحيوية ولكن قد تقلل من كفاءة استخدام الطاقة بعد عتبات معينة. بالإضافة إلى ذلك، ظهر اتجاه الضوء كعامل يؤثر على مورفولوجيا النبات وجودة المغذيات، حيث تشير الدراسات إلى أن الإضاءة الجانبية أو الإضاءة المدمجة من الأعلى يمكن أن تحسن هيكل المظلة والأداء الضوئي.
بشكل عام، تؤكد النتائج على تعقيد إدارة الضوء في البيئات المتحكم بها، مما يشير إلى أن استراتيجيات الإضاءة المخصصة يمكن أن optimize كل من العائد والجودة في إنتاج الخس. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحسين هذه الاستراتيجيات واستكشاف الآليات الفسيولوجية الكامنة وراء التأثيرات الملحوظة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fhort.2026.1776018
Publication Date: 2026-03-27
Author(s): Hossein Sheikhi et al.
Primary Topic: Light effects on plants
Overview
This review comprehensively synthesizes recent literature on the application of light-emitting diodes (LEDs) and other environmental factors in lettuce cultivation within controlled environments, focusing on studies published between 2012 and 2025. Key findings indicate that optimal growth and quality of lettuce are achieved through a combination of red (R) and blue (B) light, specifically in proportions of approximately 75-80% R and 20-25% B, delivered at an intensity of 250-300 µmol m$^{-2}$ s$^{-1}$ and a photoperiod of 16-20 hours. Additionally, environmental factors such as air temperature (23-25/18-20 °C day/night), relative humidity (60-70%), CO$_2$ concentrations (800-1000 µmol mol$^{-1}$ in the air and 1500 µmol mol$^{-1}$ in the root zone), and air velocity (0.3-0.7 m s$^{-1}$) are critical for maximizing lettuce productivity and minimizing physiological disorders.
The review emphasizes the need for a coordinated approach to managing these environmental factors to enhance lettuce growth, photosynthetic efficiency, and product quality. Future research should focus on the interactions between multiple factors rather than single-variable optimization, as well as cultivar-specific responses and sustainable practices such as CO$_2$ recycling. Addressing these areas will contribute to the development of more resilient and efficient lettuce production systems, advancing the field of controlled-environment agriculture.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of lettuce (Lactuca sativa L.) as a widely consumed leafy vegetable, valued for its aroma, texture, and nutritional content. Recent advancements in vertical farming systems have demonstrated higher light-use efficiency (LUE) for lettuce compared to traditional cultivation methods, prompting increased research into optimizing growth conditions. Notably, studies have shown that lettuce grown under light-emitting diode (LED) technology exhibits superior growth and quality metrics, including reduced water consumption and enhanced biomass and phenolic compound production, compared to conventional lighting systems like high-pressure sodium (HPS) lamps and fluorescent lights.
The review aims to synthesize recent literature on the soilless cultivation of lettuce, particularly focusing on LED lighting and other environmental factors such as temperature, carbon dioxide (CO₂), relative humidity (RH), and air velocity. These factors are critical for optimizing growth and yield, as they interact in complex ways rather than acting in isolation. The authors emphasize the need for a comprehensive understanding of these interactions to enhance lettuce production efficiency in controlled environments. The review will integrate findings from peer-reviewed studies published between 2012 and 2025, addressing gaps in current knowledge and providing recommendations for future research directions.
Results
The results section of the research paper presents a comprehensive overview of various studies investigating the effects of different light treatments on the growth and nutritional quality of various lettuce cultivars (Lactuca sativa L.) and lamb’s lettuce (Valerianella locusta). Key findings indicate that specific light intensities and spectra significantly influence plant growth parameters, nutrient content, and antioxidant properties. For instance, under a photosynthetic photon flux density (PPFD) of 100-150 µmol m$^{-2}$ s$^{-1}$, nitrate levels decreased while vitamin C and carbohydrate concentrations increased (Zhou et al., 2012). Additionally, LED treatments demonstrated energy savings of up to 77.8% compared to traditional high-pressure sodium (HPS) lighting while maintaining comparable biomass production (Martineau et al., 2012).
Further analysis revealed that the optimal light spectrum varied by cultivar; for example, the highest biomass was achieved with a red-blue-white (RBW) LED treatment, while the highest total anthocyanin content was observed under cool white fluorescent (FL) lights (Park et al., 2012). The studies also highlighted that specific wavelengths, such as 535 nm, enhanced vitamin C and tocopherol contents, while blue light (B) was effective in suppressing Botrytis cinerea and improving chlorophyll content (Kook et al., 2013). Overall, the findings underscore the importance of tailored light treatments in optimizing lettuce cultivation for improved yield and nutritional quality.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the critical role of light quality, intensity, photoperiod, and direction in influencing the growth and nutritional quality of lettuce. Light quality, particularly the red (R) and blue (B) spectra, has been shown to regulate distinct physiological processes, with R light promoting biomass and leaf expansion, while B light enhances stomatal opening and chlorophyll production. Studies indicate that optimal combinations of R and B light improve photosynthetic efficiency and biomass accumulation, with specific R:B ratios yielding trade-offs between yield and nutritional quality. For instance, higher R proportions correlate with increased biomass, while elevated B levels enhance phytochemical accumulation, such as antioxidants.
Light intensity also plays a significant role, with moderate to high photosynthetic photon flux densities (PPFDs) enhancing growth and nutrient uptake, although excessively high intensities can lead to photoinhibition. The research highlights that optimal PPFDs exist, with varying recommendations based on specific growth conditions. Photoperiod manipulation further influences growth, with extended light durations generally enhancing biomass but potentially reducing energy-use efficiency beyond certain thresholds. Additionally, light direction has emerged as a factor affecting plant morphology and nutrient quality, with studies suggesting that side or combined top-side lighting can improve canopy architecture and photosynthetic performance.
Overall, the findings underscore the complexity of light management in controlled environments, suggesting that tailored lighting strategies can optimize both yield and quality in lettuce production. Further research is warranted to refine these strategies and explore the physiological mechanisms underlying the observed effects.