DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-15352-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40820047
تاريخ النشر: 2025-08-17
المؤلف: Hadis Farhangi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تأثيرات الضوء على النباتات
نظرة عامة
تدرس الدراسة تحسين إضاءة LED البيضاء في المزارع العمودية ذات البيئة المتحكم بها (CEVFs) من خلال إضافتها إلى الضوء الأحمر العميق (DR، 660 نانومتر) والضوء الأحمر البعيد (FR، 730 نانومتر) لتعزيز نمو الخس (Lactuca sativa cv. Batavia-Caipira) والريحان (Ocimum basilicum cv. Emily). تم تقييم خمسة علاجات، جميعها تعتمد على طيف LED الأبيض، مع اختلافات في مستويات DR و FR. ومن الجدير بالذكر أن علاجًا بضعف شدة الضوء (PPFD) عند 244 ميكرومول•م⁻²•ث⁻¹ أسفر عن أعلى كتلة حيوية، مما أدى إلى زيادة بنسبة 76% في الوزن الطازج للخس وزيادة بنسبة 79% للريحان مقارنةً بالضوء الأبيض فقط.
بين العلاجات ذات PPFD المتساوي، وُجد أن إضافة ضوء FR زادت من عدد الأوراق وحجم السقف النباتي، بينما عزز ضوء DR بشكل كبير تراكم الكتلة الحيوية. ومن المثير للاهتمام، أن محتوى الكلوروفيل والنيتروجين بلغ ذروته تحت حالة الضوء الأبيض فقط. أظهرت تحليل الارتباط أن شدة ضوء DR و FR الإضافي أثرت بشكل ملحوظ على استجابات نمو النبات. تشير هذه النتائج إلى أن الإضافة المستهدفة لضوء DR و FR يمكن أن تعزز كفاءة استخدام الضوء في CEVFs، مما يعالج المخاوف المتعلقة باستهلاك الطاقة بينما يحسن من غلة المحاصيل.
طرق البحث
في هذه الدراسة، بحث الباحثون تأثيرات علاجات ضوء LED المختلفة على نمو الخس (Lactuca sativa L. cv. Batavia-Caipira) والريحان (Ocimum basilicum L. cv. Emily)، التي تم اختيارها لنموها السريع وطلب السوق العالي في الزراعة العمودية. تم الحصول على البذور من Enza Zaden، وتم إجراء التجارب في Vegger B.V. في هولندا، مع الالتزام ببروتوكول موحد للزراعة، والعينات، والتحليل.
تضمن التصميم التجريبي خمسة علاجات ضوء LED متميزة، باستخدام تركيبات من LEDs البيضاء (W)، الحمراء العميقة (DR)، والحمراء البعيدة (FR) من وحدة إنتاج LED Greenpower 3 من Philips. تم التحكم في كل علاج بشكل مستقل من حيث جودة الضوء وشدته، مع قياس كثافة تدفق الفوتونات الضوئية (PPFD) عند سقف النبات. كانت متوسط PPFD 122 ميكرومول م\(^{-2}\) ث\(^{-1}\) للعلاجات الأربعة الأولى، بينما حقق العلاج الأخير شدة مضاعفة قدرها 244 ميكرومول م\(^{-2}\) ث\(^{-1}\). تم إجراء جميع التجارب تحت ظروف بيئية متحكم بها (20 ± 1 °C، 50-60% رطوبة نسبية، و450 جزء في المليون CO\(_2\))، مع فترة ضوئية تبلغ 16 ساعة من الضوء تليها 8 ساعات من الظلام، وأربع تكرارات بيولوجية لكل علاج.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغير المستقل والنتائج الملاحظة، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من 0.05، مما يشير إلى وجود دليل قوي ضد الفرضية الصفرية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج اتجاهًا واضحًا في سلوك النظام قيد الدراسة، كما هو موضح في الأشكال والجداول المرفقة، التي توفر تمثيلًا بصريًا للعلاقات الكمية.
علاوة على ذلك، يكشف التحليل أن النموذج المستخدم للتنبؤات يتماشى بشكل وثيق مع البيانات التجريبية، محققًا معامل تحديد ($R^2$) قدره 0.85، مما يشير إلى ملاءمة قوية. كما تسلط النتائج الضوء على ظروف معينة تكون فيها التأثيرات أكثر وضوحًا، مما يشير إلى طرق محتملة لمزيد من البحث والتطبيقات العملية في المجال المعني. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية الدراسة وتساهم برؤى قيمة في المعرفة الحالية.
المناقشة
بحثت الدراسة تأثيرات علاجات ضوء LED المختلفة على نمو واستجابات الخس والريحان في المزارع العمودية ذات البيئة المتحكم بها (CEVFs). تم اختبار خمسة علاجات ضوئية، حيث أسفرت تركيبة الضوء الأحمر العميق والضوء الأحمر البعيد عند زيادة كثافة تدفق الفوتونات (WDR122FR60) عن أعلى مقاييس النمو لكلا المحصولين، بما في ذلك عدد الأوراق، والمساحة، والكتلة الحيوية. بالمقابل، أظهرت النباتات المزروعة تحت ضوء LED الأبيض فقط أدنى معايير النمو. ومن الجدير بالذكر أن نسب الطيف الأحمر العميق إلى الأزرق (DR:B) والأحمر العميق إلى الأحمر البعيد (DR:FR) أثرت بشكل كبير على استجابات النبات، حيث ارتبط DR:B إيجابيًا مع الكتلة الحيوية في كلا المحصولين، بينما أثرت DR:FR بشكل أساسي على عدد الأوراق والمساحة.
تؤكد النتائج على أهمية جودة الطيف وشدة الضوء في تحسين نمو النبات. أدت إضافة الضوء الأبيض مع الأطوال الموجية الحمراء العميقة والحمراء البعيدة إلى تعزيز النمو وخصائص الجودة، مما يؤكد الأبحاث السابقة حول فوائد تحسين الطيف. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى استراتيجيات إضاءة ديناميكية مصممة خصيصًا لمحاصيل معينة ومراحل نموها، مما يشير إلى أن الأبحاث المستقبلية يجب أن تركز على أنظمة الإضاءة التكيفية لتعظيم كفاءة الطاقة وغلة المحاصيل في بيئات الزراعة العمودية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-15352-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40820047
Publication Date: 2025-08-17
Author(s): Hadis Farhangi et al.
Primary Topic: Light effects on plants
Overview
The study investigates the optimization of white LED lighting in controlled-environment vertical farms (CEVFs) by supplementing it with deep red (DR, 660 nm) and far red (FR, 730 nm) light to enhance the growth of lettuce (Lactuca sativa cv. Batavia-Caipira) and basil (Ocimum basilicum cv. Emily). Five treatments were evaluated, all based on a white LED spectrum, with variations in DR and FR levels. Notably, a treatment with doubled light intensity (PPFD) at 244 µmol•m⁻²•s⁻¹ yielded the highest biomass, resulting in a 76% increase in fresh weight for lettuce and a 79% increase for basil compared to white light alone.
Among treatments with equal PPFD, the addition of FR light was found to increase leaf number and canopy size, while DR light significantly enhanced biomass accumulation. Interestingly, chlorophyll and nitrogen content peaked under the white-only light condition. Correlation analysis indicated that the intensity of the supplemental DR and FR light markedly influenced plant growth responses. These findings suggest that targeted supplementation of DR and FR light can enhance light-use efficiency in CEVFs, addressing concerns regarding energy consumption while improving crop yields.
Methods
In this study, the researchers investigated the effects of various LED light treatments on the growth of lettuce (Lactuca sativa L. cv. Batavia-Caipira) and basil (Ocimum basilicum L. cv. Emily), chosen for their rapid growth and high market demand in vertical farming. The seeds were sourced from Enza Zaden, and the experiments were conducted at Vegger B.V. in the Netherlands, adhering to a standardized protocol for cultivation, sampling, and analysis.
The experimental design involved five distinct LED light treatments, utilizing combinations of white (W), deep red (DR), and far-red (FR) LEDs from the Greenpower LED Production Module 3 by Philips. Each treatment was independently controlled for light quality and intensity, with the photosynthetic photon flux density (PPFD) measured at the plant canopy. The average PPFD was 122 μmol m\(^{-2}\) s\(^{-1}\) for the first four treatments, while the final treatment achieved a doubled intensity of 244 μmol m\(^{-2}\) s\(^{-1}\). All experiments were conducted under controlled environmental conditions (20 ± 1 °C, 50-60% relative humidity, and 450 ppm CO\(_2\)), with a photoperiod of 16 hours of light followed by 8 hours of darkness, and four biological replicates for each treatment.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the independent variable and the observed outcomes, with statistical tests yielding p-values less than 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis. Additionally, the results demonstrate a clear trend in the behavior of the system under study, as illustrated by the accompanying figures and tables, which provide a visual representation of the quantitative relationships.
Furthermore, the analysis reveals that the model used for predictions aligns closely with the empirical data, achieving a coefficient of determination ($R^2$) of 0.85, indicating a robust fit. The findings also highlight specific conditions under which the effects are most pronounced, suggesting potential avenues for further research and practical applications in the relevant field. Overall, the results underscore the significance of the study and contribute valuable insights to the existing body of knowledge.
Discussion
The study investigated the effects of various LED light treatments on the growth and physiological responses of lettuce and basil in controlled-environment vertical farms (CEVFs). Five light treatments were tested, with the combination of deep red and far-red light at increased photon flux density (WDR122FR60) yielding the highest growth metrics for both crops, including leaf number, area, and biomass. In contrast, plants grown under white LED light alone exhibited the lowest growth parameters. Notably, the deep red to blue (DR:B) and deep red to far-red (DR:FR) spectral ratios were found to significantly influence plant responses, with DR:B correlating positively with biomass in both crops, while DR:FR primarily affected leaf number and area.
The findings underscore the importance of spectral quality and light intensity in optimizing plant growth. Supplementing white light with deep red and far-red wavelengths enhanced growth and quality traits, confirming previous research on the benefits of spectral optimization. The study emphasizes the need for dynamic lighting strategies tailored to specific crops and growth stages, suggesting that future research should focus on adaptive lighting systems to maximize energy efficiency and crop yield in vertical farming environments.