CN107072149A - 用于启动光合电子传递链的光子引擎系统 - Google Patents

用于启动光合电子传递链的光子引擎系统 Download PDF

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Abstract

一种园艺系统，该园艺系统具有利用与光合电子传递链的翻转时间成比例的断开时间进行脉冲的照明元件。这些照明元件发射在该植物的色素的峰值吸收的20nm内的波长的光，并且被控制为以如该植物引起光合作用所需的预定间隔提供光并减少过多的非生产性光。

Description

用于启动光合电子传递链的光子引擎系统
优先权申明
本申请要求以下各项的优先权的权益并且基于以下各项：2014年7月21日提交的标题为“适应于植物的光谱敏感性的光源(Light Sources Adapted to SpectralSensitivity of Plants)”的美国临时专利申请序列号62/027,049，2014年10月9日提交的标题为“用于启动光合电子传递链的光子引擎系统(Photonic Engine System forActuating the Photo Synthesis Electron Transport Chain)”的美国临时专利申请序列号62/061,933，以及2015年1月13日提交的标题为“用于启动光合电子传递链的光子引擎系统(Photonic Engine System for Actuating the Photosynthetic ElectronTransport Chain)”的美国临时专利申请序列号62/102,637，在此要求保护这些申请的每一个的优先权的权益，并且这些申请的每一个通过引用以其全文结合在此。
背景
本发明涉及植物生长。更具体地，本发明涉及一种辐射植物以便增强光合作用的方法和组件。
本领域中众所周知的是，在光合作用过程期间，植物吸收不同频率的光以便使得发生光合作用。具体地，光合有效辐射(PAR)是在从大约400纳米(nm)至700nm的光谱范围内的辐射。本领域中还已知的是，叶绿素(最丰富的植物色素和负责植物代谢的色素)在捕捉红光和蓝光时最高效。
在光合作用过程中，植物中的叶绿素色素吸收光子以便驱动代谢过程并且耗散光子内的其他能量。同时，为红光/远红外光和蓝光/UV-A和UV-B光传感器或光感受器的其他色素起化学反应以便调整植物的行为和发育。因此，通过提供红色和蓝色光谱的光，植物已经被示出为以增加的速率生长。
此外，本领域中还已知的是，植物需要翻转(turn over)、或黑暗中的时间。具体地，当色素已经接受了光子并且正在经历代谢过程时，色素无法接受另外的光子。仍然，当另外的光子轰击植物时，色素将继续试图代谢，从而使植物胁变或疲劳。确切地，光抑制是植物光诱导的对光系统II(PSII)的损伤的光合成能力的光诱导降低的现象。光系统II被光损伤，不管光强度如何，其中损伤反应(在高等植物的典型叶片中)的量子产率在10-8至10-7的范围内。一种PSII复合物被拦截的每1000-10000万个光子损伤，并且因此在所有光强度下发生光抑制，并且光抑制的速率常数与以每平方米焦耳测量的植物的能量密度或辐射曝量成正比。仅当损伤的速率超过其修复(其要求PSII蛋白合成)的速率时，光电子转移的效率显著降低。
当光合装置吸收在氧气产生或CO2固定的过程中不能有效利用的光子时，发生二次损伤。过量光子的能量通过非同化光化学消散，预期其程度随着光强度而线性增加超过光合复合物的能力。过量光子通过产生活性氧(ROS)产生氧化应激。在低光水平下，ROS的水平可以通过包括ROS清除酶(超氧化物歧化酶，抗坏血酸过氧化物酶)和多种抗氧化剂(β-胡萝卜素，α-生育酚)的抗氧化系统降低到可忍受的水平。然而，ROS的产生加速并且高水平的ROS引起显著的氧化应激。ROS不加速对PSII的光损伤，而是抑制PSII的修复。
概述
因此，本发明的主要目的是使用光源提高植物的生长特性。本发明的另一目的是提供提高植物生长的成本有效的照明。本发明的又另一目的是提供一种用于多种植物的照明组件。这些和其他目的、特征以及优点将会从说明书的其余部分变得明显。
一种用于在人工照明下种植植物的园艺系统，该园艺系统具有人工照明元件，这些人工照明元件发射在植物的色素的峰值吸收的20nm内的波长的光。这些照明元件与该植物成间隔关系放置，使得所发射的光被该植物吸收用于光合作用。此外，这些照明元件被脉冲以提供预定间隔的光明和黑暗，这些间隔是不同步的并且相反呈现与光合电子传递链的翻转时间成比例的黑暗间隔。还使用另外的照明元件，其类似地发射在植物的色素的峰值吸收的20nm内的波长的光，并且再次以与光合电子传递链的翻转时间成比例被脉冲，以实现植物的生长。
本概述旨在提供对本专利申请的主题的概述。其并不旨在提供本发明唯一的或详尽的解释。详细说明被包括在内以便提供关于本专利申请的进一步信息。
附图简要说明
在不必按比例绘制的附图中，相同标号可以描述不同视图中的类似部件。具有不同字母后缀的相同标号可以表示类似部件的不同实例。附图总体上通过举例的方式而非通过限制的方式展示了在本文献中论述的各个实施例。
图1是用于增长植物寿命的受控环境中的照明组件的侧面透视图；
图2是用于增长植物寿命的照明组件的框图；
图3是用于增长植物寿命的照明组件的托盘的俯视平面图；
图4是用于增长植物寿命的照明组件的电路的示意图；
图5是示出在一定波长范围内由叶绿素A、叶绿素B和类胡萝卜素吸收的光的量的图；
图6是用于增长植物寿命的照明组件的电路的示意图；
图7是示出图6的电路的电压和输入电流的波形的曲线图；
图8是用于园艺系统的照明装置的电路的示意图；并且
图9是示出对于图8的不同照明元件的输入电压随时间变化的曲线图。
详细描述
本发明集中讨论在光合作用期间发生的化学反应并且使用光作为引擎以有效地引起光合作用反应并使由最终暂时抑制并且减慢光合作用的光化学反应的辅助光化学反应导致的不期望的光抑制最小化。
在光合作用期间，两种复合物，光系统I和主要光系统II提供光合电子传递链(PETC)以与细胞色素βf反应以引起水的氧化，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)的还原和三磷酸腺苷(ATP)的产生，该化学物质负责保持细胞带电并且也作为植物和动物的生命能源货币已知。
科学家已经确定光系统II(PSII)是通过光反应以引起这种光化学反应的关键复合物。特别地，光系统II复合物包含具有伯醌和仲醌QA和QB的互连的D1-多肽和D2-多肽。D1-多肽结合仲醌受体QB，同时还具有用于初级电子供体和受体P680和脱镁叶绿素的结合位点。P680由在680nm处最佳吸收光的两个叶绿素α分子形成。D1-多肽还具有酪氨酸残基，其是锰复合物MN4Ca与P680+/Pheo-自由基对状态之间的氧化还原中间体。D1多肽也与D2多肽共享非血红素铁(Fe)连同P680和锰复合物。还形成光系统II复合物的是细胞色素b559，光捕获叶绿素CP43和CP47，β-胡萝卜素和外源性蛋白16、23和33。
当光轰击光系统II时，光使光活化的P680反应并且从水分子中除去四个电子。确切地，P680将电子转移到脱镁叶绿素。此时，在P680上形成正电荷以提供从在锰处结合的水中提取电子的P680+。这被重复直到从两个水分子转移了四个电子，从而O2的副产物。同时，电子从脱镁叶绿素转移到伯醌QA。电子然后被转移到从基质吸收两个质子的仲醌QB以形成质体醌PQH2。所形成的质体醌然后通过电子传递链经由细胞色素βf转移其电子到光系统I复合物。
光系统I具有两种主要组分psaA和psaB并且类似于光系统II，光系统I包含吸收光(但不是最佳680nm处)的两个叶绿素α分子，这些叶绿素α分子最佳吸收在700nm处的光并且因此是P700。PSI还含有结合的醌QA和一组4Fe-4S簇。
当光子轰击植物时，P700电子被转移到4Fe-4S簇使得电子被转移到基质中的铁氧还蛋白(Fd)，导致P700具有正电荷P700+。铁氧还蛋白是具有配位到4个半胱氨酸残基的2Fe-2S簇的水溶性移动电子载体。质体蓝素然后将电子转移到P700+。含有FAD的风味蛋白然后充当还原酶以接受来自铁氧还蛋白的电子以形成FADH2，其然后将氢化物转移至NADP+以形成NADPH，并且从而驱动ATP合成，如本领域中已知的。因此，通过电子传递链，电子从水中转移，导致ATP的合成。
这种自然的奇迹是大多数植物生命的基础；然而，低效率仍然存在。特别地，例如，在PSII复合物内，P680+是非常反应性的，并且当过量产生时，其与其他化学物质例如可用的叶绿素、ch1670和β-胡萝卜素反应，导致光诱导的损伤。特别地，当D1-多肽形成P680+以进行所需的电子传递时，发生D1-多肽的蛋白水解，从而要求D1-蛋白合成来修复D1-多肽以及因此PSII，使得PSII可以再次用于电子传递。在蛋白水解和最终D1-蛋白质合成的这个时间段过程中，过量的P680+与其他化学物质如ch1670和β-胡萝卜素反应以从中提取电子，导致P680+不能适当地起作用并对植物或光抑制产生损害。特别地，植物合成了在PSII系统中用作抗氧化剂的多功能类胡萝卜素。以这种方式，抗氧化剂作为免疫系统起作用，通过形成抗氧化剂来防止对PSII和植物的损害。这个过程耗费巨大量的能量，该能量被浪费而不是用于最大化光合作用反应。因此，通过调节递送到PSII的质子的量使过量的P680+产生和与过量chl670化学物质的化学反应最小化，使光诱导的损害最小化并且使植物生长最大化。通过消除在该区域中的能量使用，能量几乎可以专门用于生长。如果从某些植物内的营养价值需要抗氧化剂，则生长植物的更有效的方法是在整个生长周期期间防止这些抗氧化剂的形成，然后在生长周期结束时，植物可以接受恒定的光，引起抗氧化剂在生长最理想地被抑制的时间形成。
确定植物所要求的光子量的第一种方式是查看PSII内的S-态转移。光的闪光已经示出在第3次、第7次和第11次闪光后引起氧气的释放，导致科学家推理处于黑暗位置中的植物处于S1状态，并且每次光的闪光导致光子被PSII接受引起化学反应，第3次闪光或光子导致O2的副产物，表明四个电子已经从两个水分子转移并且电子传递完成。类似地，此后PSII被置于S0状态，其中第4次闪光提供单个光子，第5次闪光提供另一个光子，直到所有4次闪光导致发生4个电子被提供，因此在第7次并且然后第11次闪光之后导致O2的副产物。这被称为Kok周期。
在基本水平上，在第一闪光期间，存在从第一状态S1到第二状态S2的转变，其涉及电子从锰复合物MN4Ca转移到酪氨酸残基以形成酪氨酸自由基。在那时，当引入第二闪光或另外的光子时，发生从S2到S3状态的转变，导致在形成酪氨酸自由基之后并且在MN复合物的氧化之前从MN复合物释放质子。在第三次闪光或引入另一个光子时，发生从S3状态到S4以及随后从S4到S0的转变，导致双氧释放。确切地，在MN复合物的质子释放之后，光子使得电子从MN复合物再次转移到酪氨酸残基，接着快速开始水氧化和MN还原，并且由MN复合物释放另一个质子。最后，由于MN复合物的氧化和MN复合物的去质子化的原因，第四次闪光导致从S0状态转变回S1状态。
尽管S-态转变和运行本质上仍然是理论性的，但转变的重要性是实现一旦光子轰击PSII复合物，则发生初始化学反应，并且化学反应需要预定量的时间以达到新的过渡状态并且在要求另外的光子之前。确切地，PSII复合物在S1与S2级之间转变所花费的时间量为约70μs，在S2与S3级之间为约190μs，在S3与S4级之间为约200μs，在S4与S0级之间为约1.1-1.6ms，并且在S0与S1级之间为约30-60μs。类似地，在光合过程期间，PSI复合物中的天线色素(antenna)的光化学衰变是15-40ps和5-6ns。换句话说，在光合过程期间，不同的化学反应要求以不同时间间隔的光子，并且发生的每个化学反应具有与其相关联的预定时间段，其中不需要过量光子。相反，过量的光子仅仅为PSI和PSII复合物如P680中的反应中心提供额外的势能，这提供了P680与PSII中的其他化学物质反应并损害植物的机制，如上所述。
虽然PSII内的光合电子传递被认为是线性的，但一旦反应将电子通过β-胡萝卜素转移到PS1，则循环电子传递在PS1周围运行。确切地，质子和电子传输导致形成跨类囊体质子势(pmf)以驱动ATP的形成。在高等植物中，这些途径由依赖铁氧还蛋白醌氧化还原酶(FQR)和NAD(P)H脱氢酶(NDH)的途径组成。由于这些循环路径的原因，围绕PSI的电子流通过增强管腔的质子化以限制电子传输并因此限制ROS的形成来保护PSII。因此，增强或提供用于PSI的适当照明以增强该功能还起到减少导致ROS的损害的作用。因此，通过在预定强度下在PSI的反应性P700中心提供适当剂量的在700-720nm波长下的光并且持续预定时间段使PSI的循环流动功能最大化，再次限制损伤PSII并且降低植物光合作用的效率的不需要的化学反应。
因此，开发了一种算法以确定释放光子以供植物吸收之间所需的适当的时间量。此外，该算法考虑植物的单独的色素和细胞色素以及在所要求的时间引起色素和细胞色素的化学反应所需的能量水平。例如，在色素内，引起从S0状态到S1状态的电子跃迁所要求的能量的量为约1.84电子伏特(eV)或由在676nm处的波长的光提供的能量的量。因此，在大约680nm处，在峰值水平处示出能量吸收。随着光的波长从680nm减少能级增加。因此，当仅提供例如在550nm处的光时，提供足够的能量以引起从S0状态到S1状态的转变；然而，过量的能量保持或者导致植物发出荧光或以不同波长重新发射光或产生过量的热。
在大约445nm处，产生大约2.8eV的能量，这是足以使电子从S0状态跃迁到S2状态的能量。电子然后立即淬灭到发生电子转移的S1状态。与676nm，导致直接跃迁到S1状态的1.84eV能级相比，这种淬灭导致一些浪费的热量；然而，确实存在第二吸收峰，其与在其他波长(例如仅550nm)处提供的能量相比，由于过剩能量而使能量损失最小化。以这种方式在设计光时，如果产生676nm光比产生445nm光显著更昂贵，则445nm光可用于最小化能量损失的影响，即使676nm光是优选的。
此外，植物内的细胞色素也影响产生光合作用的电子传递链。例如，细胞色素βf具有吸收绿光的胡萝卜素的主色素(波长495nm-570nm)。这种吸收产生更高的梯度，从而将电子拉向更快的加速氧化并且从而加速光合作用。以这种方式，绿光调节提供信号的光合作用。以这种方式，在电子传递链从红光或蓝光开始之后，可以提供绿光以增加该过程的速度。
一般来说，大多数植物含有叶绿素A、叶绿素B或类胡萝卜素，或三者的某种组合。具体来说，叶绿素A、叶绿素B和类胡萝卜素是负责植物内的光合作用的色素。图5示出了如曲线105(叶绿素A)、110(叶绿素B)和115(类胡萝卜素)所示的随波长变化的由叶绿素A、叶绿素B和类胡萝卜素吸收的光的示例性曲线100。
在所描绘的图中，曲线105提供了叶绿素A接受或吸收不同波长的光的示例性表示。吸收出现在380与780nm之间的波长中明显的峰。在该实例中，叶绿素A的第一峰120出现在约400-410nm处，第二峰125出现在约430-450nm处，并且第三峰130出现在约670-685nm处。这些实例是说明性的而非限制性的。
对于叶绿素B吸收曲线110，第一峰135发生在约430-450nm处。第二峰140发生在约470-490nm处，最终峰145发生在约665-670nm处。再次，这些实例是说明性的而非限制性的。
对于类胡萝卜素吸收曲线115，第一峰150发生在约415-420nm处。第二峰155出现在约465-470处，并且第三峰160出现在约510-525nm处。再次，这些实例是说明性的而非限制性的。
除了叶绿素A、叶绿素B和类胡萝卜素之外，光合作用的其他化学物质，例如PSII的光合作用、破坏和重建所必需的蛋白质、β-胡萝卜素等具有光反应性化学反应和引起这些化学反应的光的特定吸收波长。
此外，植物自然具有与其相关的瞬态特性。特别地，当光首先到达植物时，光几乎自动地被吸收，但是当光继续提供额外的能量时，光由于植物的自然瞬态特性的结果不那样快地被吸收。当光被脉冲时，在每个脉冲之间存在停机时间，导致植物的实际重置，从而导致光的每个脉冲被有效地吸收，因为使植物具有的对光的瞬态效应最小化。以这种方式，要求较少的光和强度以引起期望的光化学反应。因此，为了使植物内的效率最大化，不仅以预定间隔提供光，在光的预定间隔期间，光被均匀地脉冲以使植物的瞬态特性最小化并提高光合效率。
因此，人造光可以被设计并用于不仅替换由太阳接收的光，而且被用作如由设计者希望的操纵植物的光合作用和生长的工具。
仅作为示例，图1示出了园艺组件10可以处在任何位置，包括室外、在温室内、室内等。组件10包括容器或空间12，典型地以并排关系种植的植物14位于其中。在一个实施例中，提供了容器12，该容器是培育装置，在一个实施例中，其一般为矩形形状，具有固定到也以平行间隔关系的顶壁和底壁18和20的以平行间隔关系的第一和第二侧壁15和16以及后壁22以形成和中空内部空腔24。前壁或门铰接地固定到侧壁15或16上以允许进入主体12的内部空腔24。优选地，门由透明材料制成以允许看到内部空腔24，虽然在另一个实施例中，门完全包围内部空腔24。
设置在内部空腔24内的是多个可旋转的保持构件或托盘28，其具有接收多个在其中具有幼苗31的土壤块30的开口29。特别地，土壤块30具有由托盘28的开口29接收和保持的尺寸和形状。托盘28旋转或倾斜到不同的角度以确保光在土壤块30和幼苗31上的完全覆盖。
多个照明元件32固定到每个托盘28并且彼此电连接。在优选实施例中，多个照明元件32是接收AC输入的发光二极管元件。特别地，这些组件结合来自以下专利申请中的任一个的AC驱动LED技术：Grajcar的美国专利公开号2011/0101883；Grajcar的美国专利公开号2011/0109244；Grajcar的美国专利公开号2011/0210678；Grajcar的美国专利公开号2011/0228515；Grajcar的美国专利公开号2011/0241559；Grajcar的美国专利公开号2011/0273098；Grajcar的美国专利申请号13/452332；或Grajcar的美国专利临时申请号61/570,552，所有这些专利以其全文结合在此。
在一个实施例中，每个照明元件32引起发射蓝色波长(450-495nm)光，使用紫外光和近紫外光(350-450nm)、红光(620-750nm)或电磁辐射。确切地，照明元件32具有组合在同一托盘28上的电磁辐射/紫外/蓝色波长照明元件和红色波长元件，如图3中作为照明元件32a和32b示出的。在一个实施例中，这种蓝色和红色波长的照明元件32a和32b具有不同的光持续时间周期。因此，作为示例，第一蓝色波长照明元件具有3ms的光持续时间周期，而红色波长照明元件具有2秒的光持续时间。
可替代地，照明元件32a和32b具有恰好交错的相同的持续时间。作为该实施例的示例，第一蓝色波长照明元件32a具有3ms的亮和3ms的暗的持续时间或周期。在托盘上还提供了第二红色波长照明元件32b，其也具有3ms的亮和3ms的暗的持续时间或周期。在一个实施例中，第一和第二照明元件同时发射光或呈现重叠。在另一实施例中，第二红色波长照明元件在第一蓝色波长照明元件产生光的3ms期间是暗的。然后，当第二红色波长照明元件产生光持续3ms时，第一蓝色照明元件在黑暗中并且不发射光。
照明元件32由电源33供电并且进一步具有调光装置34，其使光的强度减小到小于3流明。因此，在整个容器12中发射恒定的低强度波长光。光可以是窄频率或单色的以引导所希望的光的精确波长。此外，虽然被描述为低强度，但是可提供更高强度的光波长。进一步地，在其中由于LED照明元件的特性而利用LED元件的实施例中，可将灯打开持续长的持续时间。
在灯的强度可降低至小于3流明时，灯的强度类似地可增加以便输出800流明、1000流明或更多。类似地，当灯的持续时间可以是长时间周期(诸如日、周或月)时，亮周期与暗周期之间的持续时间也可被控制为小时、分钟、秒并且甚至毫秒。
加湿装置36还与内部空腔24相关联且优选地与顶壁18接合并且具有可在门26关闭时增加内部空腔24内的湿度的管状元件。以此方式，内部内的湿度可被控制为提供从0％湿度到100％的任何相对湿度，使得内部空腔24的湿度是预定的。优选地，湿度大约在50％至80％之间。加热装置38还电连接至电源33并且布置在内部空腔24内以便在内部空腔内提供预定量的热量。
在一个实施例中，磁场源装置40与培育装置10相关联。在一个实施例中，磁场源装置40在内部空腔内以便形成贯穿或影响幼苗31和所产生的植物14的预定磁通。
此外，另一考虑是每个照明元件的强度。特别地，随着植物14或幼苗31上的强度或流明/m2或勒克司的增加，被供应给植物14或幼苗31的能量的量增加，因此减少了提供适当剂量所需的时间量、或产生光化反应、或光合作用所需的能量。
此外，在一天的持续时间期间、或者在其中光被提供用于引起光化学反应的周期期间，引起化学反应所需的能量的剂量增加。确切地，引起光合作用所需的剂量是动态的。因此，提供足够能量以引起光化学反应或光合作用所需的时间量实际上可以在一天期间或随时间增加，使得在照明周期开始时，以第一预定时间量(诸如3.5ms)提供最佳剂量，并且在诸如12小时的时间周期之后，要求第二预定时间量，诸如14.5ms的光。
因此，通过使用控制光周期的控制器200，可以提供用于每个植物14或幼苗31的算法，其在整个预定时间周期(例如十二(12)小时、二十四(24)小时、四十八(48)小时或更长)特别定制或动态地改变照明元件32的频率或光周期。通过动态地增加光周期以对应于发生化学反应或光合作用的动态变化的要求，光合作用效率被增强并且植物14或幼苗31的生长被优化。
类似地，光的强度可以通过控制器200，或者通过增加和减少电压以及因此光输出强度或者通过使控制器200电连接到托盘致动器39来动态地改变，这些托盘致动器机械地升高和降低托盘28以使照明元件32更靠近或远离植物14或幼苗31。此外，传感器41可以电连接到控制器200以确定植物14的高度，并且自动地和动态地将托盘28移动离开植物14以确保始终向植物提供适当的强度。
虽然描述为以并排关系种植，但是设想了单个植物14或彼此以任何关系种植的多个植物14，并且其不落入本披露的范围之外。在一个实施例中，照明元件32邻近植物14放置或安装，使得至少一个植物接收由照明元件32发射的辐射。
照明元件32是可调光的并且如在Grajcar的美国专利申请序列号12/824,215和/或Grajcar的美国专利申请序列号12/914,575中所描述的构造，这两个专利申请都结合于此。仅作为示例的一个这样的组件在图4中示出，其具有适配为接收周期性激励电压的一对输入端子50，使得端子可以接收AC电流或相等幅度和相反极性的电流，所述电流响应于激励电压流动以提供AC输入。AC电流然后由驱动电路52调节，该驱动电路任选地包括金属氧化物汽化器(MOV)54和整流装置55，在优选实施例中该整流装置是由多个发光二极管(LED)56形成的桥式整流器。
发光二极管(LED)56被安排在第一网络58中，其中该第一网络58被安排为响应于激励电压超过与该第一网络58相关联的至少一个正向阈值电压而传导电流。任选地，取决于驱动电路52，可以使用电阻器60或多个电阻器来在到达第一网络58之前调节电流。第一网络58的LED 56可以具有任何类型或颜色。在一个实施例中，第一网络58的LED 56是产生具有大约600-750纳米(nm)的波长的光的红色LED。在另一个实施例中，LED的第一网络是产生具有大约350-500nm的波长的光的蓝色LED。可替代地，可以一起提供红色和蓝色LED二者，或者可以类似地使用诸如绿色的其他彩色LED，而不超出本披露的范围。
具有多个LED 56的第二网络62与第一网络58以串联关系另外提供。第二网络62的LED 56可以具有任何类型或颜色。在一个实施例中，第二网络62的LED 56是产生具有大约600-750纳米(nm)的波长的光的红色LED。在另一个实施例中，LED的第二网络是产生具有大约350-500nm的波长的光的蓝色LED。可替代地，可以一起提供红色和蓝色LED二者，或者可以类似地使用诸如绿色的其他彩色LED，而不超出本披露的范围。
在照明元件32中提供旁路通路64，其与第一网络58处于串联关系并且与第二网络62处于并联关系。同样在旁路通路64内的是提供受控阻抗的元件，其可以例如仅是晶体管66，该晶体管在一个实施例中是耗尽型MOSFET。在旁路通路64内可以使用另外的晶体管、电阻器或类似物，所有这些都调节电流以提供从旁路通路64到第二网络62的平滑且连续的转变。
因此，从在此的披露内容应理解，随输入激励波形改变的色温偏移可以基于LED组或网络58和62的适当选择以及一个或多个选择性电流转移调节电路调节围绕所选LED网络58和62的旁路电流的安排来实现或设计。可以操纵每组中的二极管的数量、激发电压、相位控制范围、二极管颜色和峰值强度参数的选择，以产生用于一系列照明应用的改进的电和/或光输出性能。
照明元件32能够使用调光装置34来调节，而不使用DC电源。在一个实施例中，如所示调光装置34利用前缘和下降缘切相元件。作为示例，只有三端双向可控硅调光器在前缘处提供切相，而IGBT调光器在后缘处提供切相。在该实施例中，具有前缘和后缘切相二者的调光装置与驱动电路52电连通。以这种方式，通过在调光装置34中使用两者，提供预定的无电流周期。因此，与调光装置34相关联的控制装置可以用于确定无电流周期并且因此确定黑暗周期。
在另一个实施例中，调光装置34包括至少一个SCR硅可控整流器)，并且在一个实施例中，第一和第二SCR用于切断对于预定时间周期提供的电流。切割可以在0相位角或可替代地在一个角度处发生。因此，通过利用SCR，调光装置34再次用作照明元件32的可控打开/关闭开关。确切地，在一个实施例中，控制装置(例如控制旋钮)与第一和第二SCR通信，使得预定的亮和暗周期可以设置在从0-30分钟的任何预定时间周期。因为提供了AC输入，所以提供的暗是完全的黑暗，其中由于没有提供电流的结果而不产生光子，与基于DC的闪烁不同。以这种方式，人们可以控制预定的亮和暗的持续时间以匹配特定植物的需要。
图6示出了允许不同照明元件32a和32b交错的替代实施例。该实施例示出了具有AC输入70的电路68，该AC输入向包括桥式整流器72的一半的驱动电路69提供AC电流，以在第一多个照明元件32a中提供输入，其在一个实施例中提供红色光谱输出。然后，并行地，第二多个照明元件32b通过二极管74(例如齐纳二极管)接收来自AC输入的输入。每组照明元件32a和32b还具有附加的电流调节元件，在这个实施例中，这些元件被提供为具有控制电阻器的晶体管。
因此，输入到第一和第二照明元件32a和32b的电流如图7中所示进行调节。图7示出了从电路68产生的到照明元件32a和32b的电压输入80和电流输入82和84。当正电压被施加到电路时，第一电流输入82提供最大电流输入86，而当电压输入80下降到零(0)以下时，没有电流88。同时，当电压为负或低于零时，第二电流输入84提供最大电流输入90，而当电压高于零或为正时不存在电流92。
因此，利用单个电压源，到每组照明元件32a和32b的电流频率被偏移，使得在没有电流流到第一照明元件32a的周期期间，导致第一照明元件32a中的暗，电流流动到第二照明元件32b，使得由第二照明元件32b提供亮，并且反之亦然。以这种方式，人感知到连续的亮，但是植物接收它吸收的光的波长周期，并且然后接收它不吸收的光的周期，并且因此各个色素感知亮和暗周期。
类似地，照明元件32a和32b被控制以向植物提供不同的光周期。因此，单个照明元件32a被驱动以在第一时间提供亮，然后基于在植物内的预定化学反应所要求的预定时间周期，不发射能够被植物吸收预定时间量的光，并且然后光再次由照明元件32发射并且然后不再发射能够被植物吸收第二预定时间周期的光以允许发生第二化学反应，其中该第一和第二预定时间周期可以相同或不同，并且各自在植物内引起预定的生物效应。因此，提供发射可吸收光之间的不同周期，其中这样的不同周期包括但不限于30μs、70μs、190μs、200μs或1.1ms，或15-40ps或5-6ns，而不超出本披露的范围。以这种方式，可以基于单独的植物需要开发算法，以便计时吸收光相对于输出(包括暗)的周期，其不被吸收以引起化学反应。
在另一示例性实施例中，图8和9分别示出了替代电路201及其波输出的曲线图。电路201具有提供相反量值的电激励的输入202，其由整流器204整流并且被提供给彼此并联地提供的一系列照明元件206、208和210。虽然第一、第二和第三照明元件206、208和210中的每一个被示出为单个二极管，但是本领域技术人员理解，示意性地示出的每个照明元件包括多个串联连接的发光二极管。每个照明元件206、208或210可以是相同或不同的波长，并且优选地是接收所发射的光的植物30的色素的峰值吸收波长的20nm内的波长。在一个实施例中，第一照明元件206是第一波长，而第二和第三照明元件208和210是不同的波长。
优选的第一、第二和第三阻抗元件212、214和216是晶体管，并且更优选地是MOSFET被安排在具有电阻器217的电路201中并且在旁路通路中，以提供图9所示的输出。特别地，如所示，第一照明元件206接收功率并发射光持续第一亮间隔218(其是第一预定时间间隔)接着在预定时间量内的第一暗间隔219并且然后第二亮间隔220。类似地，第二照明元件208提供第三亮间隔222，其是不同于第一和第二亮间隔218和220的预定时间量的预定时间量，接着第二暗间隔223，并且然后第四亮间隔224。同时，第三照明元件210呈现第三暗间隔225，第五亮间隔226和第四暗间隔227。此外，第五暗间隔229出现在第一亮间隔218之前，并且第六暗间隔出现在第二亮间隔220之后。因此，可以操纵亮和暗间隔以提供非同步或变化的亮和暗间隔。特别地，切相调光器用于控制第五和第六暗间隔229和231以改变光间隔脉冲之间的时间，以提供与光合电子传递链的翻转时间成比例的关闭或暗时间，从而降低光抑制率。类似地，亮和暗的间隔可以变化以缩短与植物的瞬态特性成比例的光的周期，从而使用最小的功率提供最大的光吸收。
虽然已经与培育室类型结构一起描述了LED照明元件32，但是能够将不同波长的光或不同光周期的光递送到其中使用人造光来生长植物的任何环境的任何类型的光源被本披露设想并且这样的实施例不落入本披露的范围之外。这包括但不限于使用与白炽灯、高压钠灯、紧凑型荧光灯、AC LED、DC LED或类似物相关联的控制器以照亮植物。这还包括但不限于使用具有控制器的PWM驱动器，该控制器调节驱动器的频率以提供与植物的变化的预定生物响应相关联的变化的预定时间周期一致的变化输出。
特别地，关于光的波长或颜色，人们确定增强植物特性(例如生长、产量、根生长等)的植物的光波长或颜色。确切地，取决于特定植物内的叶绿素或类胡萝卜素，除了在预定时间周期需要在680nm或700nm处的光以最小化可用于ROS型反应伤害植物的过量680nm和700nm光之外，提供适于被植物内的叶绿素或类胡萝卜素吸收的光以向植物提供额外的能量用于增强光合作用的化学反应。以这种方式，处于被叶绿素吸收的波长的光也增强并促进更有效的光合作用。
在操作中，人们可以研究和确定特定植物的预定亮和暗周期，连同增强植物特性(例如生长、产量等)的植物的预定光波长或颜色。在一个实施例中，该波长为680nm，并且在另一个实施例中为700nm。然后，制造照明元件32以呈现预定的光波长，并且可以调节调光装置34以提供预定的亮和暗周期用于增强生长。
一旦选择了照明元件的预定波长并且对于每个照明元件确定亮和暗时间的持续时间，也选择了实现持续时间的方式。此时，再次分析植物以确定植物内是否存在另外的色素。因此，在存在叶绿素A的实施例中，再分析植物以确定叶绿素B是否也存在。如果叶绿素B也存在，则可以选择第二照明元件或多个照明元件。与第一照明元件一样，选择第二照明元件，其具有与植物内的色素(叶绿素A、叶绿素B或类胡萝卜素)的峰120、125、130、135、140、145、150、155或160相关的窄波长带。
然后，类似于第一选择的照明元件，确定对于完成光合作用的化学反应所需的光的剂量或量的时间的持续时间。作为这一点，对于第二照明元件提供如上所述的提供所需的亮和暗持续时间的方法。以这种方式，第一和第二照明元件二者都提供准确的光波长和如植物内色素所要求的亮和暗的持续时间，从而增强植物生长。该方法可以类似地与植物内的类胡萝卜素色素和其他化学物质相关使用。以这种方式，在周期中的不同时期使用多个不同的波长以达到用于增强光合作用的照明处理。
因此，人们分析给定植物内的化学反应和所需的光波长以引起这些反应并且需要光合过程期间的时间来引起所述反应。因此，提供预定波长和预定周期的光以引起预定的化学反应以便以所期望的方式实现光合作用。
一旦分析了植物的化学成分，开发算法以确定呈现什么波长的光以及在提供特定照明元件的暗或非反应周期之前给具体植物提供什么预定时间周期的光。例如，可以呈现第一照明元件，其呈现以一定强度或通量的680nm波长的光以及导致P680活化中心反应的第一周期的时间或持续时间，并且然后第二周期的时间或持续时间用于提供特定照明元件，在其中光或者不呈现或以一定强度或通量呈现，使得输出使辅助化学反应的发生最小化，同时电子沿光合电子传递链的化学反应或移动向前移动。
然后在该第二周期的时间或持续时间之后，再次以一定强度和第三周期的时间或持续时间提供在680nm处波长的光以引起另外的化学反应以沿着光合电子传递链进一步发生反应，随后接着第四周期的时间或持续时间其中或者不呈现光或强度使辅助化学反应最小化，其中第四周期的时间由另外化学反应沿光合电子传递链发生的时间长度确定。虽然为了便于设计目的而不超出本披露内容，该第四周期可以具有相同的第二周期的长度，但是这些周期也可以呈现不同的时间长度。然后，可以控制提供680nm的该第一光元件以提供如前所述的另外的亮和暗的周期。
同时，提供与第一照明元件相邻的第二照明元件，不管是否在同一装置中，其是与第一照明元件不同的波长。第二光元件以一定强度和第一时间周期提供第二波长以提供增强光合作用的量的光。用于第二照明元件的该第一时间周期可以是在第一照明元件的第一时间周期期间，与第一时间周期重叠，或者可以是在第一照明元件的第二时间周期期间(当呈现没有光或限制的强度时)。因此，在一个实施例中，为在第一波长，例如像仅仅410nm或500nm处以第一较低强度的第一恒定背景光提供延长的时间周期，例如像仅至少一分钟，可替代地，至少一小时或可替代地二十四小时。同时在该延长的时间周期期间，第二光元件提供脉冲的另一波长，例如像仅680nm，或者提供打开和关闭持续小于一秒的预定周期的光，并且在一个实施例中，关于Kok周期内的时间段改变时间。
虽然在一个实施例中，光子释放之间的时间可以表示为暗周期或当光源不发射光子时的时间，但是光子准备好被接受的周期之间的时间也可以用在不被PSII或PSI复合物内的反应性组分吸收的强度或波长下发射的光充满。仅作为示例，P680吸收680nm波长的光以引起所希望的光化学反应；然而，可以利用450nm蓝色或甚至小于450nm并进入UV范围100nm-400nm的波长来引起植物内的其他化学反应并且不被P680吸收，使得这种光不会引起本披露所预期的光损伤。因此，提供被PSII复合物吸收并使其反应的第一波长的光源与未被吸收并且不使PSII复合物反应的波长在中间或甚至同时提供，引起所希望的光合作用增强，而不超出本披露的范围。
确切地，分析植物以确定第二波长的光对植物内的其他反应中心例如P680和存在的其他化学物质的影响，以再次使造成植物使用能量来保护或修复损伤有害化学反应最小化而不是用于光合作用。以这种方式，可以以对植物有害的强度或注量和时间周期提供在第二波长处的光；然而，引起向植物提供能量的增强或改进使得整个过程更有效并且增强了光合作用。
类似地，取决于植物的基因或化学成分，考虑了对应于不同的所希望的化学反应的附加时间周期呈现附加波长的附加照明元件。仅作为示例，类似地使用提供对应于PS1的反应中心的峰值吸收水平的700或720nm的波长的光的第三照明元件。特别地，研究了单独的植物，并且以不同的时间周期和强度提供不同波长的光以使植物内的有害化学反应最小化并使化学物质和化学反应的性能最大化，以通过使用照明装置增强光合作用。
因此，提供了刺激植物的连续生长的预定的亮和暗的周期。当在本申请的上下文中使用时，预定的亮和暗的周期通过植物14可以感知的进行测量或确定并且表示当照明元件32没有发射光时的周期，即使亮或暗不能被人感知。因此，在本披露的上下文中，闪烁和不能被人感知的存在的不可察觉的闪烁被认为提供预定的亮和暗的周期。通过使用具有与光合电子传递链(PETC)的翻转时间成比例的关闭时间的脉冲光降低了光抑制率并增加了光合效率。
在申请人进行的实验中，对烟草提供了三种不同的光处理。提供三个相同的室，具有相同的土壤、肥料、土壤容器、设置温度、温度保持、设置Rh湿度和Rh保持并且甚至近似通量、光波长和能量全部都保持恒定，其中唯一的差异是每个波长的光被递送到植物的周期或时间量。每个室使用深红色(约650nm-670nm或720nm-740nm)、品蓝(约440nm-460nm)和石灰绿(约566nm-569nm)。在第一室中，深红色、品蓝和柠檬绿每个以4个脉冲间隔同时脉冲，其中每个脉冲宽度约为30μs，并且在第一脉冲之后，在30μs的第二脉冲之前提供约85μs的没有光。然后在30μs的第三脉冲之前提供大约230μs的没有光的时期。然后在30μs的第四脉冲之前提供大约240μs的没有光。最后，在该周期重新开始并以此模式保持24小时直到植物完全生长之前，发生大约1360μs的没有光的时期。
在第二室中，深红色和品蓝输出与第一室相同，其中在如前段所述的相同时间发生4个脉冲间隔。然而，在第二室中，石灰绿光源不以与深红色和品蓝光源相同的间隔脉冲。相反，石灰绿光源每个周期脉冲一次持续1200μs，在第四个30μs脉冲结束之后开始80μs(在四个脉冲的周期的结束与四个脉冲的新周期的开始之间的1360μs间隔或时期)深红色和品蓝光源，并在下一个4个脉冲周期的第一个30μs脉冲之前结束80μs。然后将该模式保持24小时。
最终室是控制室，其提供深红色、品蓝和柠檬绿的恒定DC光持续24小时。与深红色相比，存在20％的品蓝和20％的石灰绿，并且调节电流以确保与第一和第二室中的对照植物达到完全相同的光量。
在实验中，进行测量，显示出植物芽以英寸、长度、湿重、干重和根干重计的更大的生长。在室1中的处理显示出在所有类别中最大，接着是室2。室1和2具有相比对照湿重和干重的显著增加，其中两个室1和2显示相比对照2-3倍更重。因此，仅仅通过提供基于Kok周期的1360μs和更少的没有光的间隔，与不提供间隔的照明相比，植物能够每天生长24小时，具有显著的重量增加。
在另一个实验中，使用玉米作为模型植物，进行三个概念验证试验，初步发现支持PETC同步脉冲光增加平均光合效率并因此提增加植物生长速率的假设。
因此，提供了一种利用照明元件32的园艺系统，这些照明元件能够提供不同的光波长和产生光的不同周期，以仅向植物提供功能光。确切地，因此在发生预定化学反应所要求的时间提供每个光子，并且使损害植物的化学反应中使用的过量光子最小化(如果不消除的话)。通过最小化损伤，增强了生长，导致更快的生长和更绿色、更好发育的植物生命。
确切地，通过提供刺激植物的连续生长的预定的亮和暗的周期以提供与光合电子传递链(PETC)的翻转时间成比例的断开时间降低了光抑制率并增加了光合效率。
因此，不仅可以开发算法以确定何时植物要求周期性的亮和暗的周期，连同要求什么波长的光，类似地可以间隔地提供光以使植物的瞬态特性最小化。
通过使光合效率最大化，提供另外的碳以及因此二氧化碳需求。因此，通过增加可用于植物的CO2，光合作用进一步增强，使植物的生长、颜色和营养物最大化。因此，提供了更快、更健康的植物，改善了现有技术水平。
总的来说，可以增强给定植物的不同特性。因此，提供了光处理，这些光处理增加植物的重量和密度，或可以增加叶尺寸，增加或减少根结构或操纵植物的预定特性以提供满足种植者需要的植物的定制生长。这包括但不限于增加植物内的营养物，对于消费者是最终产品的植物部分的更快速生长以及植物的颜色或外观。
因此，还提供了用于照亮多个植物14的一种方法和组件10。该组件10包括照明元件32，这些照明元件提供包括用于植物的预定量的暗或翻转时间的照明周期或阶段。结果是，植物14获得所需的休息以在代谢过程完成期间减轻植物应激和应变。在这一点上，植物14然后准备好吸收更多的光以在光合作用过程中继续代谢。
同时，通过基于引起光合作用所需的复合物和化学反应选择光的波长，使代谢和光合作用最大化。确切地，LED可以包括LED的不同网络58和62以根据用于该特定植物14的理想PAR在由植物14接收的光中产生间歇性UV、近UV、蓝光和/或红光。结果是，不仅可以拥有24小时恒定光生长周期，而且另外使植物生长最大化。结果是植物的更快的成熟和更高的产量。
此外，通过将组件10安装或者另外放置在植物14附近，组件10容易制造并且结合到新的和现有的园艺组件中。最后，因为使用AC输入调节电流并消除了脉冲宽度调制，所以大大降低了与照明元件32相关联的成本。因此，至少已经实现所有陈述的目标。

Claims (13)

1.一种用于在人工照明下种植植物的园艺系统，包括：
至少一个照明装置；
植物，与该至少一个照明装置成间隔关系放置以接收由该至少一个照明装置发射的光；
该至少一个照明装置具有第一照明元件，该第一照明元件发射在该植物的色素的峰值吸收的20纳米(NM)内的波长的光；
其中，利用与光合电子传递链的翻转时间成比例的断开时间对来自该第一照明元件的光进行脉冲以降低光抑制率。
2.如权利要求1所述的园艺系统，其中该第一照明元件发射在655NM与740NM之间的波长的光。
3.如权利要求1所述的园艺系统，其中该第一照明元件发射在425NM与465NM之间的波长的光。
4.如权利要求1所述的园艺系统，进一步包括至少一个具有第二照明元件的照明装置，该第二照明元件发射在植物的色素的峰值吸收的20NM内的波长的光。
5.如权利要求4所述的园艺系统，其中该第一照明元件在655NM与740NM之间，并且该第二照明元件在425NM与465NM之间。
6.如权利要求1所述的园艺系统，进一步包括至少一个具有第二照明元件的照明装置，该第二照明元件发射在495NM与570NM之间的范围内的光以便加速光合作用。
7.如权利要求6所述的园艺系统，其中该第二照明元件在该第一照明元件的第一黑暗间隔或第二黑暗间隔期间发射光。
8.如权利要求1所述的园艺系统，其中该第一照明元件是发光二极管。
9.如权利要求5所述的园艺系统，进一步包括至少一个具有第三照明元件的照明装置，该第三照明元件发射在495NM-570NM之间的范围内的光以便加速光合作用。
10.如权利要求9所述的园艺系统，其中该第三照明元件在第一黑暗间隔或第二黑暗间隔期间发射光。
11.如权利要求10所述的园艺系统，其中该第一、第二和第三照明元件是在同一照明装置中。
12.一种种植植物的方法，步骤包括：
从至少一个人工光源发射第一光；
所述第一光具有在该植物的色素的峰值吸收的20纳米(NM)内的波长；并且
利用与在该植物内的光合电子传递链的翻转时间成比例的断开时间对所述第一光进行脉冲。
13.一种用于在人工照明下种植植物的园艺系统，包括：
至少一个照明装置；
植物，与该至少一个照明装置成间隔关系放置以接收由该至少一个照明装置发射的光；
该至少一个照明装置具有第一照明元件，该第一照明元件发射在该植物的色素的峰值吸收的20纳米(NM)内的波长的光；
其中，在具有在第一照明间隔与第二照明间隔之间提供的第一黑暗间隔和在该第二照明间隔与第三照明间隔之间提供的第二黑暗间隔的第一、第二和第三照明间隔期间发射来自该第一照明元件的光；并且
其中该第一黑暗间隔和该第二黑暗间隔是不同的时间量。
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