JP6796578B2 - 光合成電子伝達系を作動させるための光エンジンシステム - Google Patents

Description

優先権の主張
本出願は、２０１４年７月２１日出願の「Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ Ａｄａｐｔｅｄ ｔｏ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｐｌａｎｔｓ」という名称の米国仮特許出願第６２／０２７，０４９号明細書、２０１４年１０月９日出願の「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ａｃｔｕａｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｃｈａｉｎ」という名称の米国仮特許出願第６２／０６１，９３３号明細書、および２０１５年１月１３日出願の「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ａｃｔｕａｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｃｈａｉｎ」という名称の米国仮特許出願第６２／１０２，６３７号明細書に対する優先権の利益を主張し、かつそれらに基づき、上記特許出願のそれぞれの優先権の利益が本明細書で主張され、それぞれの全体を参照により本明細書に援用する。

本発明は、植物の成長に関する。より詳細には、本発明は、光合成を向上させるために植物に放射を当てる方法およびアセンブリに関する。

光合成プロセス中、植物が様々な周波数の光を吸収して光合成を生じさせることが当技術分野でよく知られている。特に、光合成有効放射（ＰＡＲ）は、約４００ナノメートル（ｎｍ）〜７００ｎｍのスペクトル範囲内の放射である。また、最も豊富な植物色素であり、植物の代謝を司る色素であるクロロフィルが最も効率良く赤色および青色光を捕捉することが当技術分野でよく知られている。

光合成中、植物中のクロロフィル色素は、光子を吸収して代謝プロセスを促進し、光子の他のエネルギーを放散する。同時に、赤／遠赤および青色／ＵＶ−ＡおよびＵＶ−Ｂフォトセンサまたはフォトレセプタである他の色素が、植物の挙動および発育を調節するために化学的に反応する。したがって、赤色および青色のスペクトル光を提供することによって、植物は、より高速で成長することが示されている。

さらに、植物が代謝回転時間または暗い時間を必要とすることも当技術分野で知られている。特に、色素が光子を受け取って代謝プロセスを受けているとき、色素は、追加の光子を受け取ることができない。それでも追加の光子が植物に衝突するとき、色素は引き続き代謝を試み、それにより、植物を緊張させて疲労させる。特に、光阻害は、光によって植物の光合成能力の減少が引き起こされる、すなわち光によって光化学系ＩＩ（ＰＳＩＩ）に対するダメージが引き起こされる現象である。光化学系ＩＩは、光強度に関係なく光によってダメージを受け、（より高等な植物の典型的な葉での）ダメージを及ぼす反応の量子収量は１０^−８〜１０^−７の範囲内である。１つのＰＳＩＩ複合体が、捕捉された１０００万〜１億個の光子ごとにダメージを受け、したがって、すべての光強度で光阻害が生じ、光阻害の速度定数は、ジュール／平方メートル単位で測定される植物のフルエンスまたは放射露光量に正比例する。光電子移動の効率は、ダメージの速度がその修復の速度を超えるときにのみ顕著に減少する。修復は、ＰＳＩＩタンパク質合成を必要とする。

二次的なダメージは、光合成装置が、酸素生成またはＣＯ_２固定のプロセスで効率的に利用することができない光子を吸収するときに生じる。余剰の光子のエネルギーは、非同化光化学物質によって放散され、その大きさは、光合成複合体の能力を超えて光強度と共に線形に増加することが予想される。余剰の光子は、反応性酸素種（ＲＯＳ）を生成することによって酸化ストレスをもたらす。低い光レベルでは、ＲＯＳのレベルは、ＲＯＳ消毒酵素（スーパーオキシドディスムターゼ、アスコルビン酸ペルオキシダーゼ）および複数の酸化防止剤（β−カロチン、α−トコフェロール）を含む酸化防止系によってサポート可能なレベルに減少させることができる。しかし、ＲＯＳの生成が加速され、高レベルのＲＯＳが大きい酸化ストレスを生じる。ＲＯＳは、ＰＳＩＩへのフォトダメージを加速させず、代わりにＰＳＩＩの修復を阻害する。

したがって、本発明の基本的な目的は、光源を使用して植物の成長特性を高めることである。本発明の別の目的は、植物の成長を向上させる費用対効果の高い照明を提供することである。本発明のさらに別の目的は、複数の植物に関して使用される照明アセンブリを提供することである。これらおよび他の目的、特徴、および利点は、本明細書の残りの部分から明らかになるであろう。

人工照明素子を有する、人工照明下で植物を成長させるための園芸システムであり、人工照明素子は、植物の色素のピーク吸収から２０ｎｍ以内の波長で光を放出する。照明素子は、放出された光が光合成のために植物によって吸収されるように、植物に対して離隔した関係で配置される。さらに、照明素子がパルスされて、所定の明暗時間間隔を提供し、これらの時間間隔は同期せず、光合成電子伝達系の代謝回転時間に比例する暗い時間間隔を提供する。追加の照明素子も使用され、この照明素子も同様に、植物の色素のピーク吸収から２０ｎｍ以内の波長で、やはり光合成電子伝達系の代謝回転時間に比例してパルスされた光を放出して、植物の成長に影響を及ぼす。

この概要は、本特許出願の主題の概要を提供することが意図されている。本発明の排他的または網羅的な説明を提供することは意図されていない。詳細な説明は、本特許出願に関するさらなる情報を提供するために含まれる。

必ずしも正しい縮尺では描かれていない図面中、同様の番号は、異なる図において同様の構成要素を表すことがある。異なる添字を有する同様の番号は、同様の構成要素の異なる例を表すことがある。図面は、一般に例として、限定することなく、本明細書で論じる様々な実施形態を示す。

図１は、植物生命体を成長させるための制御された環境内での照明アセンブリの斜視側面図である。 図２は、植物生命体を成長させるための照明アセンブリのブロック図である。 図３は、植物生命体を成長させるための照明アセンブリのトレイの上面図である。 図４は、植物生命体を成長させるための照明アセンブリ用の回路の概略図である。 図５は、様々な波長にわたるクロロフィルＡ、クロロフィルＢ、およびカロテノイドによって吸収される光の量を示すグラフである。 図６は、植物生命体を成長させるための照明アセンブリ用の回路の概略図である。 図７は、図６の回路に関する電圧および入力電流に関する波形を示すグラフである。 図８は、園芸システム用の照明デバイスの回路の概略図である。 図９は、図８の様々な照明素子に関する、時間の関数として入力電圧を示すグラフである。

本発明は、光合成中に生じる化学反応に焦点を当て、光合成反応を効率的に生じ、望ましくない光阻害を最小限にするためのエンジンとして光を使用する。光阻害は、光合成の光化学反応を最終的には一時的に阻害して遅らせることになる副光化学反応により生じる。

光合成中、２つの複合体、すなわち、光化学系Ｉおよび主として光化学系ＩＩが、シトクロムβｆと反応するための光合成電子伝達系（ＰＥＴＣ）を提供して、水の酸化、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ^＋）の還元、およびアデノシントリフォスファート（ＡＴＰ）の生成をもたらす。アデノシントリホスファート（ＡＴＰ）は、細胞を帯電状態で保つことを司り、植物と動物との両方の生命のエネルギー通貨（ｅｎｅｒｇｙ ｃｕｒｒｅｎｃｙ）としても知られている化学物質である。

科学者らは、光化学系ＩＩ（ＰＳＩＩ）が、この光化学反応を生じるために光による反応を受ける重要な複合体であると判断している。特に、光化学系ＩＩ複合体は、一次キノンＱ_Ａおよび二次キノンＱ_Ｂを有する連結したＤ１−ポリペプチドおよびＤ２−ポリペプチドを含む。Ｄ１−ポリペプチドは、二次キノン受容体Ｑ_Ｂに結合すると共に、一次電子供与体および受容体、すなわちＰ６８０およびフェオフィチンのための結合部位も有する。Ｐ６８０は、最適には６８０ｎｍで光を吸収する２つのクロロフィルａ分子から形成される。また、Ｄ１−ポリペプチドは、マンガン錯体ＭＮ_４ＣａとＰ６８０^＋／Ｐｈｅｏ⁻ラジカル対状態との間のレドックス中間体であるチロシン残基も有する。また、Ｄ１−ポリペプチドは、Ｐ６８０およびマンガン錯体と共に非ヘム鉄（Ｆｅ）をＤ２−ポリペプチドと共有する。また、光化学系ＩＩ複合体を形成しているのは、シトクロムｂ_５５９、集光性クロロフィルＣＰ４３およびＣＰ４７、β−カロチン、ならびに表在性タンパク質１６、２３、および３３である。

光が光化学系ＩＩに衝突すると、光がＰ６８０と反応して光活性化させ、水分子から４つの電子が取り出される。具体的には、Ｐ６８０は、電子をフェオフィチンに移動させる。この時点で、Ｐ６８０に正電荷が生成されてＰ６８０^＋を提供し、Ｐ６８０^＋は、マンガンに結合された水から電子を抽出する。これは、２つの水分子から４つの電子が移動されて副生成物Ｏ_２を生じるまで繰り返される。その一方で、電子は、フェオフィチンから一次キノンＱ_Ａに移動される。次いで、電子は二次キノンＱ_Ｂに移動され、二次キノンＱ_Ｂは、葉緑体から２つのプロトンを取り上げて、プラストキノールＰＱＨ_２を生成する。次いで、生成されたプラストキノールは、その電子を、電子伝達系を通して、シトクロムβｆを介して光化学系Ｉ複合体に移動させる。

光化学系Ｉは、２つの主成分ｐｓａＡおよびｐｓａＢを有する。光化学系ＩＩと同様に、光化学系Ｉは、光を吸収する２つのクロロフィルａ分子を含むが、これらのクロロフィルａ分子は、最適には６８０ｎｍではなく、最適には７００ｎｍの光を吸収し、したがってＰ７００である。また、ＰＳＩは、結合されたキノンＱ_Ａ、および４Ｆｅ−４Ｓクラスタの組を含む。

光子が植物に衝突するとき、Ｐ７００電子は４Ｆｅ−４Ｓクラスタに移動され、したがって、電子は、葉緑体中のフェレドキシン（Ｆｄ）に移動され、その結果、Ｐ７００が正電荷Ｐ７００^＋を有する。フェレドキシンは、４つのシステイン残基に配位結合された２Ｆｅ−２Ｓクラスタを有する水溶性の可動性電子キャリアである。次いで、プラストシアニンが電子をＰ７００^＋に移動させる。次いで、ＦＡＤを含有するフラビンタンパク質がレダクターゼとしての役割を果たし、フェレドキシンから電子を受け取ってＦＡＤＨ_２を生成し、ＦＡＤＨ_２は、次いで、水素化物をＮＡＤＰ^＋に移動してＮＡＤＰＨを生成し、したがって当技術分野で知られているＡＴＰ合成を促進する。したがって、電子移動系により、電子は水から移動されてＡＴＰの合成を生じる。

この自然の奇跡が、大半の植物生命体の基礎となっている。しかし、非効率性が残っている。特に、例えばＰＳＩＩ複合体中で、Ｐ６８０^＋は非常に反応性が高く、余剰に生成されると、反応し得るクロロフィルｃｈｌ６７０およびβ−カロチンなどの他の化学物質と反応して、光により引き起こされるダメージをもたらす。特に、Ｄ１−ポリペプチドがＰ６８０^＋を生成して所要の電子移動を行うとき、Ｄ１−ポリペプチドのタンパク質分解が生じ、ここで、電子移動のためにＰＳＩＩを再び使用することができるように、Ｄ１ポリペプチド、したがってＰＳＩＩを修復するためにＤ１−タンパク質合成が必要となる。タンパク質分解および最終的にはＤ１−タンパク質合成のこの期間中、余剰のＰ６８０^＋が、ｃｈｌ６７０およびβ−カロチンなどの他の化学物質と反応して、そこから電子を抽出し、その結果、Ｐ６８０^＋が適切に機能しなくなり、植物へのダメージまたは光阻害を引き起こす。特に、植物は、ＰＳＩＩ系において酸化防止剤として作用する多官能性カロテノイドを合成する。このようにして、酸化防止剤は免疫システムとして機能して、酸化防止剤の生成によってＰＳＩＩおよび植物へのダメージを防止する。このプロセスは、光合成反応を最大限にするために使用されずに浪費されるかなりの量のエネルギーを使う。したがって、ＰＳＩＩに送達されるプロトンの量を調整することによって、余剰のＰ６８０^＋の生成、および余剰のｃｈｌ６７０化学物質との化学反応を最小限にすることによって、光により引き起こされるダメージが最小限にされ、植物の成長が最大限にされる。この面でのエネルギー使用をなくすことによって、ほとんど成長のためにのみエネルギーを使用することができる。特定の植物において、栄養的価値から酸化防止剤が望まれる場合、より効率的な植物成長法は、成長サイクル全体にわたってこれらの酸化防止剤の生成を防止することであり、次いで、成長サイクルの最後に、植物は、一定の光を受けることができ、この光により、成長が最も理想的に阻害される時点で酸化防止剤が生じる。

植物が必要とする光子の量を決定するための第１の方法は、ＰＳＩＩでのＳ状態遷移を見ることである。光のフラッシュは、３回目、７回目、１１回目のフラッシュ後に酸素の解放を引き起こすことが示されており、そこから、科学者は以下のように理論付けている：暗所にある植物はＳ_１状態であり、光の各フラッシュにより、ＰＳＩＩによって光子が受け取られて化学反応を引き起こし、３回目のフラッシュまたは光子が副生成物Ｏ_２を生じ、これは、２つの水分子から４つの電子が移動されており、電子移動が完了していることを示す。同様に、その後、ＰＳＩＩはＳ_０状態になり、４回目のフラッシュが１つの光子を提供し、５回目のフラッシュが別の光子を提供し、最終的に、全４回のフラッシュにより、４つの電子の供与が行われ、したがって、７回目および次いで１１回目のフラッシュの後に副生成物Ｏ_２が生じる。これは、Ｋｏｋサイクルとして知られている。

基本的なレベルで、最初のフラッシュ中、第１の状態Ｓ_１から第２の状態Ｓ_２への遷移があり、この遷移は、マンガン錯体ＭＮ_４Ｃａからチロシン残基への電子移動を含み、チロシンラジカルを生成する。第２のフラッシュまたは追加の光子が導入される時点でＳ_２状態からＳ_３状態への遷移が生じ、チロシンラジカルの生成後およびＭＮ錯体の酸化前に、ＭＮ錯体からのプロトンの解放を引き起こす。第３のフラッシュまたは別の光子の導入によって、Ｓ_３状態からＳ_４状態への、およびその後、Ｓ_４状態からＳ_０状態への遷移が生じて、二酸素の解放を生じる。具体的には、ＭＮ錯体のプロトン解放後、光子は、ＭＮ錯体から再びチロシン残基への電子移動を引き起こし、その後、水酸化およびＭＮ還元の急速な開始が続き、ＭＮ錯体によって別のプロトンが解放される。最後に、第４のフラッシュが、ＭＮ錯体の酸化およびＭＮ錯体の脱プロトン化により、Ｓ_０状態からＳ_１状態に戻る遷移を生じる。

Ｓ状態遷移および機能は依然として理論的なものであるが、遷移の重要性が以下のように認識されている：光子がＰＳＩＩ複合体に衝突すると、初期化学反応が生じ、この化学反応には所定量の時間がかかり、新たな遷移状態になり、その後、追加の光子が必要となる。具体的には、化学反応がＰＳＩＩ複合体をＳ_１段階とＳ_２段階との間で遷移させるのにかかる時間量は、約７０μｓであり、Ｓ_２段階とＳ_３段階との間では、約１９０μｓであり、Ｓ_３段階とＳ_４段階との間では約２００μｓであり、Ｓ_４段階とＳ_０段階との間では約１．１〜１．６ｍｓであり、Ｓ_０段階とＳ_１段階との間では、約３０〜６０μｓである。同様に、光合成プロセス中、ＰＳＩ複合体中のアンテナの光化学減衰は、１５〜４０ｐｓおよび５〜６ｎｓである。換言すると、光合成プロセス中、異なる化学反応は異なる時間間隔で光子を必要とし、生じる各化学反応はそれに関連付けられる、余剰の光子が必要とされない所定の期間を有する。余剰の光子は、Ｐ６８０などのＰＳＩおよびＰＳＩＩ複合体中の反応中心に追加のポテンシャルエネルギーを提供するにすぎず、このポテンシャルエネルギーは、上述したように、Ｐ６８０がＰＳＩＩ中の他の化学物質と反応して植物に害を及ぼすメカニズムを提供する。

ＰＳＩＩ中での光合成電子移動は線型と考えられるが、反応がβ−カロチンを介してＰＳＩに電子を伝達すると、ＰＳＩの周りで周期的な電子伝達が機能する。具体的には、プロトンおよび電子伝達は、トランスチラコイドプロトンポテンシャル（ｐｍｆ）の生成をもたらして、ＡＴＰの生成を促進する。高等植物では、これらの経路は、フェレドキシンキノンオキシドレダクターゼ（ＦＱＲ）およびＮＡＤ（Ｐ）Ｈデヒドロゲナーゼ（ＮＤＨ）に依存する経路からなる。これらの周期的な経路により、ＰＳＩの周りの電子流は、内腔のプロトン付加を向上させて電子伝達を制限し、それによりＲＯＳの生成を制限することによって、ＰＳＩＩを保護する。したがって、ＰＳＩがこの機能を向上させるための照明の向上または適切な照明の提供は、ＲＯＳを引き起こすダメージを減少させる役割も果たす。したがって、ＰＳＩのＰ７００反応中心に対して、所定の強度で所定の期間にわたって、７００〜７２０ｎｍの波長で適切な線量の光を提供することにより、ＰＳＩの周期的な流れの機能を最大限にし、ＰＳＩＩにダメージを与えて植物の光合成効率を低下させる不要な化学反応をさらに制限する。

したがって、植物による吸収のための光子解放の間で必要な適正な時間量を決定するためのアルゴリズムが開発される。さらに、このアルゴリズムは、植物の個々の色素およびシトクロム、ならびに所要の時間に色素およびシトクロムの化学反応を引き起こすために必要とされるエネルギーレベルを考慮に入れる。例えば、色素において、Ｓ０状態からＳ１状態への電子のジャンプを引き起こすのに必要なエネルギー量は、約１．８４エレクトロンボルト（ｅＶ）、または６７６ｎｍの波長で光によって提供されるエネルギーの量である。したがって、約６８０ｎｍでエネルギーの吸収度がピークレベルを示す。光の波長が６８０ｎｍから減少するにつれて、エネルギーレベルが増加する。したがって、例えば５５０ｎｍでのみ光が提供されるとき、Ｓ０状態からＳ１状態への遷移を引き起こすのに十分なエネルギーが提供される。しかし、余剰のエネルギーが残り、これにより、植物が蛍光を発するか、または異なる波長で光を再放出するか、または余剰の熱が生成される。

約４４５ｎｍで約２．８ｅＶのエネルギーが生成され、これは、電子をＳ０状態からＳ２状態にジャンプさせるのに十分なエネルギーである。次いで、電子は、Ｓ１状態に即座にクエンチングし、ここで電子移動が生じる。このクエンチングは、Ｓ１状態への直接のジャンプを引き起こす６７６ｎｍでの１．８４ｅＶのエネルギーレベルに比べて、いくらか熱を浪費するが、しかし、第２の吸収ピークを示す。これは、他の波長、例えば５５０ｎｍのみで提供されるエネルギーに比べて、余剰のエネルギーによるエネルギーの損失を最小限にする。このようにすると、光を設計する際に、６７６ｎｍの光の生成が４４５ｎｍの光の生成よりもかなり高コストである場合、６７６ｎｍの光が好ましいものの、４４５ｎｍの光を使用して、損失されるエネルギーの影響を最小限に抑えることができる。

さらに、植物中のシトクロムも、光合成を生じる電子移動系に影響を及ぼす。例えば、シトクロムβｆは、緑色の光（波長４９５ｎｍ〜５７０ｎｍ）を吸収するカロチンの主要色素を有する。この吸収は、より高い勾配をもたらし、したがって電子をより速く引き出して、酸化を速め、したがって光合成を速める。このようにして、緑色の光が光合成を調整し、信号を提供する。このようにして、電子移動系が赤色または青色の光から始まった後、プロセスの速度を上げるために緑色の光を提供することができる。

一般に、ほとんどの植物が、クロロフィルＡ、クロロフィルＢ、もしくはカロテノイド、またはそれら３つの組合せを含む。特に、クロロフィルＡ、クロロフィルＢ、およびカロテノイドは、植物において光合成を担う色素である。図５は、曲線１０５（クロロフィルＡ）、曲線１１０（クロロフィルＢ）、および曲線１１５（カロテノイド）で示されるように、波長の関数としての、クロロフィルＡ、クロロフィルＢ、およびカロテノイドによって吸収される光の例示的なプロット１００を示す。

示される図において、曲線１０５は、クロロフィルＡの受容性、または様々な波長の光の吸収度の例示を提供する。吸収度は、３８０〜７８０ｎｍの波長で明らかなピークを有している。この例では、クロロフィルＡの第１のピーク１２０は約４００〜４１０ｎｍで生じ、第２のピーク１２５は約４３０〜４５０ｎｍで生じ、第３のピーク１３０は約６７０〜６８５ｎｍで生じる。これらの例は例示であり、限定ではない。

クロロフィルＢの吸収度曲線１１０に関して、第１のピーク１３５は約４３０〜４５０ｎｍで生じる。第２のピーク１４０は約４７０〜４９０ｎｍで生じ、最後のピーク１４５は約６６５〜６７０ｎｍで生じる。ここでも、これらの例は例示であり、限定ではない。

カロテノイドの吸収度曲線１１５に関して、第１のピーク１５０は約４１５〜４２０ｎｍで生じる。第２のピーク１５５は約４６５〜４７０ｎｍで生じ、第３のピーク１６０は約５１０〜５２５ｎｍで生じる。ここでも、これらの例は例示であり、限定ではない。

クロロフィルＡ、クロロフィルＢ、およびカロテノイドに加えて、ＰＳＩＩの光合成、破壊、および再構成に必須の他の光合成化学物質、例えばタンパク質およびβ−カロチンなどは、光反応性の化学反応と、これらの化学反応を引き起こすための光の特定の吸収波長とを有する。

さらに、植物は、それらに関連付けられる遷移特性を自然に有する。特に、光が最初に植物に達するとき、光は略自動的に吸収されるが、光が引き続き追加のエネルギーを提供するにつれて、植物の自然の遷移特性により、光はそれほど迅速には吸収されなくなる。光がパルスされるとき、各パルス間にダウンタイムが存在し、植物の実質的なリセットを引き起こし、したがって、光に関して植物が有する遷移効果の最小化により、各光パルスが効率的に吸収される。このようにすると、所望の光化学反応を引き起こすのに必要な光および強度が小さくなる。したがって、植物での効率を最大限するために所定の時間間隔で光が提供されるだけでなく、光の所定の時間間隔中、光が均等にパルスされて、植物の遷移特性を最小限に抑え、光合成効率を高める。

したがって、太陽によって受け取られる光の代わりとなるだけでなく、設計者によって望まれるように植物の光合成および成長を操作するためのツールとして、人工光を設計して使用することができる。

単に例として、図１に園芸アセンブリ１０が示されており、園芸アセンブリ１０は、屋外、温室内、または屋内などを含めた任意の場所にあってよい。アセンブリ１０は、典型的には横並びの関係で植えられた植物１４が位置されるコンテナまたは空間１２を含む。一実施形態では、保温デバイスであるコンテナ１２が提供され、この保温デバイスは、一実施形態では、平行に離隔して配置された関係での頂壁１８および底壁２０に固定された、やはり平行に離隔して配置された関係での第１の側壁１５および第２の側壁１６と、後部壁２２とを有する略長方形状であり、中空内部キャビティ２４を形成する。前壁またはドアが側壁１５または１６に蝶番式に固定されて、本体１２の内部キャビティ２４へのアクセスを可能にする。好ましくは、ドアは、内部キャビティ２４が見えるように透明材料から形成されるが、別の実施形態では、ドアは内部キャビティ２４を完全に取り囲む。

内部キャビティ２４の内部には、実生３１を含む複数の土塊３０を受け取る開口２９を有する複数の回転可能な保持部材またはトレイ２８が配設される。特に、土塊３０は、トレイ２８の開口２９によって受け取られて保持されるようなサイズおよび形状である。トレイ２８は、様々な角度に回転または傾斜して、土塊３０および実生３１を光が完全に照らすことを保証する。

複数の照明素子３２が、各トレイ２８に固定され、互いに電気的に接続される。好ましい実施形態では、複数の照明素子３２は、ＡＣ入力を受け取る発光ダイオード素子である。特に、これらのアセンブリは、以下の特許出願の任意の１つからのＡＣ駆動ＬＥＤ技術を組み込む。Ｇｒａｊｃａｒの米国特許出願公開第２０１１／０１０１８８３号明細書；Ｇｒａｊｃａｒの米国特許出願公開第２０１１／０１０９２４４号明細書；Ｇｒａｊｃａｒの米国特許出願公開第２０１１／０２１０６７８号明細書；Ｇｒａｊｃａｒの米国特許出願公開第２０１１／０２２８５１５号明細書；Ｇｒａｊｃａｒの米国特許出願公開第２０１１／０２４１５５９号明細書；Ｇｒａｊｃａｒの米国特許出願公開第２０１１／０２７３０９８号明細書；Ｇｒａｊｃａｒの米国特許出願第１３／４５２３３２号明細書；またはＧｒａｊｃａｒの米国仮特許出願第６１／５７０，５５２号明細書。これらすべての全体を参照により本明細書に援用する。

一実施形態では、各照明素子３２は、青色波長（４５０〜４９５ｎｍ）の光、紫外光および近紫外光（３５０〜４５０ｎｍ）、赤色の光（６２０〜７５０ｎｍ）、または電磁放射の放出を引き起こし、その光放出が利用される。特に、照明素子３２は、照明素子３２ａおよび３２ｂとして図３に示される同じトレイ２８上に組み合わされた、電磁放射／紫外／青色波長の照明素子および赤色波長の素子を有する。そのような青色および赤色波長の照明素子３２ａおよび３２ｂは、一実施形態では、異なる光持続時間を有する。したがって、一例として、第１の青色波長照明素子は３ｍｓの光持続時間を有し、赤色波長照明素子は２秒の光持続時間を有する。

代替として、照明素子３２ａおよび３２ｂは、同じ持続時間を有するが、互い違いである。この実施形態の一例として、第１の青色波長照明素子３２ａは、３ｍｓの光と３ｍｓの暗闇との持続時間または期間を有する。第２の赤色波長照明素子３２ｂもトレイ上に提供され、これも、３ｍｓの光と３ｍｓの暗闇との持続時間または期間を有する。一実施形態では、第１および第２の照明素子は、同時に光を放出するか、または重畳を示す。別の実施形態では、第２の赤色波長照明素子は、第１の青色波長照明素子が光を発生している３ｍｓにわたって暗い。次いで、第２の赤色波長照明素子は、第１の青色照明素子が暗いかまたは光を放出していない３ｍｓにわたって光を発生している。

照明素子３２は、電源３３によって電力供給され、さらに減光デバイス３４を有し、減光デバイス３４は、光の強度を３ルーメン未満に減少させる。したがって、一定の低強度波長光がコンテナ１２全体にわたって放出される。光は、望まれる正確な波長の光を送るために、狭い周波数または単色でよい。さらに、低強度として述べているが、より高い強度の波長の光を提供することもできる。さらに、ＬＥＤ照明素子の特性により、ＬＥＤ素子が利用される実施形態では、光は、長時間にわたってオンのままであり得る。

光の強度を３ルーメン未満に減少させることができる一方で、同様に、８００ルーメンまたは１０００ルーメン以上を出力するように光の強度を上げることもできる。同様に、光の持続時間は、数日、数週、または数ヶ月など長期間でよいが、明るい期間と暗い期間との間の時間は、数時間、数分、数秒、さらには数ミリ秒に制御することもできる。

また、加湿デバイス３６が、内部キャビティ２４と関連付けられ、好ましくは頂壁１８と係合し、配管要素を有し、配管要素は、ドア２６が閉じられるときに内部キャビティ２４での湿度を増加させることができる。このようにして、内部の湿度を制御して、湿度０％〜１００％の任意の相対湿度を提供することができ、それにより、内部キャビティ２４の湿度が予め決定される。好ましくは、湿度は、約５０〜８０％である。また、加熱デバイス３８が、電源３３に電気的に接続され、内部キャビティ２４の内部に配設されて、内部キャビティ内で所定量の熱を提供する。

一実施形態では、磁場源デバイス４０は、保温デバイス１０に関連付けられる。一実施形態では、磁場源デバイス４０は、内部キャビティの内部にあり、実生３１および得られる植物１４を通るか、またはそれらに影響を及ぼす所定の磁束を生成する。

さらに、別の考慮事項は、各照明素子の強度である。特に、植物１４または実生３１での強度またはルーメン／ｍ２もしくはルックスが増加するにつれて、植物１４または実生３１に供給されるエネルギーの量が増加され、したがって、適切な照射量を提供するのに必要な時間の量、または光化学反応もしくは光合成を生じるために必要なエネルギーを減少させる。

さらに、１日の持続時間中または光化学反応を生じるために光が提供される期間中、化学反応を生じるのに必要なエネルギーの照射量が増加する。特に、光合成を生じるのに必要な照射量は動的である。したがって、実際には、光化学反応または光合成を生じるのに十分なエネルギーを提供するのに必要な時間量は、１日のうちに、または時間の経過と共に増加することがあり、したがって、照明の期間の開始時には、３．５ｍｓなどの第１の所定量の時間で最適な照射量が提供され、１２時間などの期間後には、１４．５ｍｓなどの第２の所定量の時間の光が必要とされる。

したがって、光周期を制御する制御装置２００を使用することによって、各植物１４または実生３１のためのアルゴリズムを提供することができ、このアルゴリズムは、特別に適合されるか、または所定の期間、例えば１２時間、２４時間、もしくは４８時間以上にわたって照明素子３２の周波数または光周期を動的に変える。化学反応または光合成が生じるための動的に変化する要件に対応するように光周期を動的に増加することによって、光合成の効率が向上され、植物１４または実生３１の成長が最適化される。

同様に、電圧、したがって光出力強度を増減させることによって、またはトレイアクチュエータ３９に電気的に接続された制御装置２００を有することによって、光の強度を制御装置２００によって動的に変化させることができ、トレイアクチュエータ３９は、トレイ２８を機械的に昇降させて、照明素子３２を植物１４または実生３１に近付けるまたは遠ざける。さらに、センサ４１を制御装置２００に電気的に接続することができ、植物１４の高さを求め、トレイ２８を植物１４から離れるように自動的におよび動的に移動させて、適正な強度が植物に常に提供されることを保証する。

横並びの関係で植えられているものとして説明しているが、単一の植物１４、または互いに任意の関係で植えられる複数の植物１４が企図され、本開示から逸脱しないものとする。一実施形態では、照明素子３２が植物１４に隣接して配置されるか、または取り付けられ、それにより、照明素子３２によって放出される放射線を少なくとも１つの植物が受ける。

照明素子３２は減光可能であり、Ｇｒａｊｃａｒの米国特許出願第１２／８２４，２１５号明細書、および／またはＧｒａｊｃａｒの米国特許出願第１２／９１４，５７５号明細書に記載されているように構成される。それら両方の特許文献を本明細書に援用する。単に一例として、１つのそのようなアセンブリが図４に示されており、このアセンブリは、入力端子５０の対を有し、これらの入力端子５０は、周期的な励起電圧を受信するように適合され、それにより、これらの端子は、ＡＣ電流、または等しい大きさであり、極性が逆の電流を受け取ることができ、この電流は、励起電圧に応答して流れて、ＡＣ入力を提供する。次いで、ＡＣ電流が駆動回路５２によって調整され、駆動回路５２は、任意選択で、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）５４および整流デバイス５５を含み、整流デバイス５５は、好ましい実施形態では、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）５６から形成されたブリッジ整流器である。

発光ダイオード（ＬＥＤ）５６は、第１のネットワーク５８内に配置され、第１のネットワーク５８は、少なくとも第１のネットワーク５８に関連付けられる順方向閾値電圧を超える励起電圧に応答して電流を伝導するように構成される。任意選択で、駆動回路５２に応じて、抵抗器６０または複数の抵抗器を使用して、第１のネットワーク５８に達する前に電流を調整することができる。第１のネットワーク５８のＬＥＤ５６は、任意のタイプまたは色のものでよい。一実施形態では、第１のネットワーク５８のＬＥＤ５６は、約６００〜７５０ナノメートル（ｎｍ）の波長を有する光を発生する赤色ＬＥＤである。別の実施形態では、ＬＥＤの第１のネットワークは、約３５０〜５００ｎｍの波長を有する光を発生する青色ＬＥＤである。代替として、本開示の範囲から逸脱することなく、赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤとを一体に提供することができ、または緑色などの他の色のＬＥＤを同様に使用することもできる。

さらに、複数のＬＥＤ５６を有する第２のネットワーク６２が、第１のネットワーク５８と直列の関係で提供される。第２のネットワーク６２のＬＥＤ５６は、任意のタイプまたは色でよい。一実施形態では、第２のネットワーク６２のＬＥＤ５６は、約６００〜７５０ナノメートル（ｎｍ）の波長を有する光を発生する赤色ＬＥＤである。別の実施形態では、ＬＥＤの第２のネットワークは、約３５０〜５００ｎｍの波長を有する光を発生する青色ＬＥＤである。代替として、本開示の範囲から逸脱することなく、赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤとを一体に提供することができ、または緑色などの他の色のＬＥＤを同様に使用することもできる。

バイパス経路６４が照明素子３２内に提供され、バイパス経路６４は、第１のネットワーク５８と直列の関係であり、第２のネットワーク６２と並列の関係である。また、バイパス経路６４の内部に、制御されたインピーダンスを提供する素子があり、この素子は、例えば単にトランジスタ６６でよく、一実施形態ではディプリーション型ＭＯＳＦＥＴである。追加のトランジスタまたは抵抗器などをバイパス経路６４内部で使用することができ、それらはすべて、電流を調整して、バイパス経路６４から第２のネットワーク６２への滑らかで連続的な移行を提供する。

したがって、ＬＥＤグループまたはネットワーク５８および６２の適切な選択、ならびに選択されたＬＥＤネットワーク５８および６２を通るバイパス電流を変調するための１つまたは複数の選択的電流偏移調整回路の構成に基づいて、入力励起波形の関数としてシフトする色温度を実現または設計することができることが本開示から理解されよう。各グループ内のダイオードの数、励起電圧、位相制御範囲、ダイオードの色、およびピーク強度パラメータの選択は、様々な照明用途に関して改良された電気および／または光出力性能をもたらすように操作されることがある。

照明素子３２は、ＤＣ電源を利用せずに減光デバイス３４を使用して変調することが可能である。図示される一実施形態では、減光デバイス３４は、前縁および後縁フェーズカット素子を利用する。単に一例として、トライアック減光器が、前縁でフェーズカットを示し、ＩＧＢＴ減光器が、後縁でフェーズカットを示す。この実施形態では、前縁と後縁でのフェーズカットの両方を有する減光デバイスが、駆動回路構成５２と電気的に連通している。このようにすると、減光デバイス３４で両方を利用することによって、電流のない所定の期間が提供される。したがって、減光デバイス３４に関連付けられる制御デバイスを使用して、電流のない期間、したがって暗い期間を決定することができる。

別の実施形態では、減光デバイス３４は、少なくとも１つのＳＣＲ（シリコン制御整流器）を含み、一実施形態では第１および第２のＳＣＲを含み、これらは、所定の期間にわたって提供される電流をカットするために利用される。カットは、位相角０で、または代替として、ある角度で行うことができる。したがって、ＳＣＲを利用することによって、減光デバイス３４は、照明素子３２の制御可能なオン／オフスイッチとして機能する。特に、一実施形態では、制御ノブなどの制御デバイスが第１および第２のＳＣＲと連通し、それにより、０〜３０分の任意の所定の期間で所定の明暗期間を設定することができる。ＡＣ入力が提供されるため、ＤＣベースの明滅と異なり、提供される暗さは完全な暗闇であり、電流が提供されないため、光子が生成されない。このようにして、特定の植物の要件に合致する所定の明暗持続期間を制御することができる。

図６は、異なる照明素子３２ａおよび３２ｂの千鳥配置を可能にする代替実施形態を示す。この実施形態は、ＡＣ入力７０を有する回路６８を示し、ＡＣ入力７０は、ＡＣ電流を駆動回路構成６９に提供し、駆動回路構成６９は、ブリッジ整流器７２の半分を含んで、一実施形態では赤色スペクトル出力を提供する第１の複数の照明素子３２ａに入力を供給する。ここで、並列に、第２の複数の照明素子３２ｂが、ツェナーダイオードなどのダイオード７４を介してＡＣ入力から入力を受信する。また、各グループの照明素子３２ａおよび３２ｂは、追加の電流調整素子を有し、これらの電流調整素子は、この実施形態では、制御抵抗器を有するトランジスタとして提供される。

したがって、第１および第２の照明素子３２ａおよび３２ｂに入力される電流が、図７に示されるように調整される。図７は、回路６８から生じる照明素子３２ａおよび３２ｂへの電圧入力８０と電流入力８２および８４とを示す。第１の電流入力８２は、正の電圧が回路に印加されるときには最大の電流入力８６を提供し、電圧入力８０がゼロ（０）未満に下がるときには電流８８を提供しない。一方、第２の電流入力８４は、電圧が負またはゼロ未満であるときには最大電流入力９０を提供し、電圧がゼロよりも高いまたは正であるときには電流９２は提供されない。

したがって、単一の電圧源を用いて、各組の照明素子３２ａおよび３２ｂへの電流周波数がオフセットされ、それにより、第１の照明素子３２ａに電流が流れていない（第１照明素子３２ａに暗闇を生じる）期間中、第２の照明素子３２ｂには電流が流れており、それにより第２の照明素子３２ｂによって光が提供され、その逆も成り立つ。このようにすると、ヒトは、連続的な光を知覚するが、植物は、それが吸収する光の波長の期間、次いでそれが吸収しない光の期間を受け、したがって個々の色素が明暗期間を感知する。

同様に、照明素子３２ａおよび３２ｂは、植物への光の変化する期間を提供するように制御される。したがって、単一の照明素子３２ａが駆動されて最初に光を提供し、次いで、植物での所定の化学反応が生じるのに必要な所定の期間に基づく所定の時間量にわたって、植物が吸収することができる光を放出せず、次いで照明素子３２によって光が再び放出され、次いで第２の所定の期間にわたって、植物が吸収することができる光を放出せず、第２の化学反応を生じさせ、ここで、第１および第２の所定の期間は、等しくても異なっていてもよく、それぞれが植物中で所定の生物学的効果を引き起こす。したがって、吸収可能な光の放出間の様々な期間が提供され、ここで、そのような様々な期間は、限定はしないが、本開示の範囲から逸脱することなく、３０μｓ、７０μｓ、１９０μｓ、２００μｓ、もしくは１．１ｍｓ、または１５〜４０ｐｓ、または５〜６ｎｓを含む。このようにすると、光を吸収する期間と、化学反応を生じるために吸収されない出力（暗さを含む）とのタイミングを設定するために、個々の植物の要件に基づいてアルゴリズムを開発することができる。

別の例示的実施形態では、図８および図９は、代替回路２０１およびその波出力のグラフをそれぞれ示す。回路２０１は、逆の大きさの電気励起を提供する入力２０２を有し、これは、整流器２０４によって整流され、互いに並列に提供された一連の照明素子２０６、２０８、および２１０に提供される。第１、第２、および第３の照明素子２０６、２０８、および２１０はそれぞれ単一のダイオードとして示されているが、概略的に、各照明素子が複数の一連の接続された発光ダイオードを備えることを当業者は理解されよう。各照明素子２０６、２０８、または２１０は、同じまたは異なる波長でよく、好ましくは、放出される光を受ける植物３０の色素のピーク吸収波長から２０ｎｍ以内の波長である。一実施形態では、第１の照明素子２０６は第１の波長であり、第２および第３の照明素子２０８および２１０は異なる波長である。

好ましい第１、第２、および第３のインピーダンス素子２１２、２１４、および２１６はトランジスタであり、より好ましくは、ＭＯＳＦＥＴが、抵抗器２１７を有する回路２０１内およびバイパス経路内に配置されて、図９に示される出力を提供する。特に、図示されるように、第１の照明素子２０６は、パワーを受け、第１の所定の時間間隔である第１の明るい時間間隔２１８にわたって光を放出し、その後、所定量の時間にわたって第１の暗い時間間隔２１９が続き、次いで第２の明るい時間間隔２２０が続く。同様に、第２の照明素子２０８は、第１および第２の明るい時間間隔２１８および２２０の所定時間量と異なる所定時間量である第３の明るい時間間隔２２２と、それに続く第２の暗い時間間隔２２３と、次いで第４の明るい時間間隔２２４とを提供する。第３の照明素子２１０は、第３の暗い時間間隔２２５、第５の明るい時間間隔２２６、および第４の暗い時間間隔２２７を提供する。さらに、第５の暗い時間間隔２２９が第１の明るい時間間隔２１８の前に生じ、第６の暗い時間間隔が第２の時間間隔２２０の後に生じる。したがって、明暗の時間間隔は、非同期のまたは変動する明暗の時間間隔を提供するように操作することができる。特に、フェーズカット減光器を利用して、第５および第６の暗い時間間隔２２９および２３１を制御し、明るい時間間隔のパルス間の時間を変えて、光合成電子伝達系の代謝回転時間に比例するオフ時間または暗い時間を提供し、光阻害率を減少させる。同様に、明暗の時間間隔は、利用される最小パワーを有する光の最大の取込みを提供するために、植物の遷移特性に比例して光の期間を短縮するように変えることができる。

保温チャンバタイプの構造と共にＬＥＤ照明素子３２を述べてきたが、植物を成長させるために人工光が使用される任意の環境に様々な波長の光または様々な光周期の光を送達することができる任意のタイプの光源が本開示によって企図され、そのような実施形態は本開示から逸脱しない。これは、限定はしないが、植物を照光するための白熱電球、高圧ナトリウムランプ、コンパクト蛍光ランプ、ＡＣ ＬＥＤ、またはＤＣ ＬＥＤなどに関連付けた制御装置の使用を含む。これはまた、限定はしないが、植物の様々な所定の生物学的応答に関連付けられる様々な所定の期間と一致する様々な出力を提供するようにドライバの周波数を変調する制御装置を有するＰＷＭドライバの使用を含む。

特に、光の波長または色に関して、成長、収量、または根の成長など植物の特性を向上させるその植物用の光波長または色を決定する。特に、特定の植物中のクロロフィルまたはカロテノイドに応じて、ＲＯＳタイプの反応に使用されて植物に害を及ぼし得る余剰の６８０ｎｍおよび７００ｎｍの光を最小限に抑えるように所定の期間に６８０ｎｍまたは７００ｎｍでの光を必要とすることに加えて、植物中のクロロフィルまたはカロテノイドが吸収するのに適した光が提供されて、光合成を向上させる化学反応のための追加のエネルギーを植物に提供する。このようにすると、クロロフィルによって吸収される波長の光はまた、より効率的な光合成を向上および促進する。

動作時、特定の植物のための所定の明暗期間を、成長または収量などの植物の特性を向上させるその植物に関する所定の光波長または色と共に調べて求めることができる。一実施形態では、この波長は６８０ｎｍであり、別の実施形態では７００ｎｍである。このとき、照明素子３２は、所定の光波長を提供するように製造され、減光デバイス３４は、成長向上のための所定の明暗期間を提供するように調節することができる。

照明素子の所定の波長が選択され、各照明素子に関して明暗の持続時間が決定されると、持続時間が達成される方式も選択される。この時点で、追加の色素が植物中に存在するかどうか判断するために植物が再び分析される。したがって、クロロフィルＡが存在する実施形態では、植物は、クロロフィルＢも存在するかどうか判断するために再分析される。クロロフィルＢも存在する場合、次いで第２の照明素子または複数の照明素子を選択することができる。第１の照明素子と同様に、第２の照明素子が選択され、植物中の色素（クロロフィルＡ、クロロフィルＢ、またはカロテノイド）のピーク１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５、１５０、１５５、または１６０に関係する波長の狭帯域を有する。

次いで、第１の選択された照明素子と同様に、光合成の化学反応を完了させるのに必要な光の照射量または量のための持続時間が決定される。この時点で、上述したのと同様に、必要な明暗の持続時間を提供する方法が、第２の照明素子に関して提供される。このようにすると、第１および第２の照明素子は何れも、植物中の色素が必要とする正確な光の波長および明暗の持続時間を提供し、したがって植物の成長を向上させる。同様に、この方法は、植物中のカロテノイド色素および他の化学物質に関係付けて使用することもできる。このようにして、光合成を向上させるための照明処置に達するために、１サイクル中の異なる期間に複数の異なる波長が利用される。

したがって、所与の植物中での化学反応、ならびにこれらの反応を生じるために必要な光の波長、およびその反応を生じるために光が必要とされる光合成プロセス中の時間を分析する。したがって、所定の波長および所定の期間での光が提供されて、所定の化学反応を生じて、望まれる方式で光合成を実現する。

植物の化学的構成が分析されると、提供される光の波長と、特定の照明素子に関する暗い期間または非反応性期間が提供される前に特定の植物に光が提供される所定の期間とを決定するためのアルゴリズムが開発される。例えば、第１の照明素子を提供することができ、第１の照明素子は、Ｐ６８０活性化中心を反応させる強度、またはフルエンスおよび第１の期間もしくは持続時間で６８０ｎｍの波長の光を提供し、次いで、その特定の照明素子に関する第２の期間または持続時間が提供され、その期間には、光が提供されないか、または光合成電子伝達系に沿った電子の化学反応または移動が進行している間に生じる副化学反応を光出力が最小限に抑える強度またはフルエンスで光が提供される。

次いで、その第２の期間または持続時間後に、６８０ｎｍ波長の光が、追加の化学反応を生じさせるような強度および第３の期間または持続時間で再び提供されて、光合成電子伝達系に沿って反応を促進し、次いで、第４の期間または持続時間が続き、この期間には、光が提供されないか、または強度が副化学反応を最小限に抑え、ここで、第４の期間は、光合成電子伝達系に沿って追加の化学反応が生じる時間の長さによって決定される。本開示から逸脱することなく、この第４の期間は、設計を容易にする目的で第２の期間と同じ長さを有することができるが、これらの期間は、異なる時間長を有していてもよい。次いで、６８０ｎｍを提供するこの第１の照明素子は、前述したように、追加の明暗期間を提供するように制御することができる。

同時に、第１の照明素子に隣接する（同じデバイス内に提供されてもそうでなくてもよい）第２の照明素子は、第１の照明素子と異なる波長である。第２の照明素子は、光合成を向上させるための光の量を提供するような強度および第１の期間で、第２の波長を提供する。第２の照明素子に関するこの第１の期間は、第１の照明素子に関する第１の期間中でよく、その第１の期間と重なり合っていてもよく、または光が提供されないもしくは限られた強度のみが提供される第１の照明素子の第２の期間中でもよい。したがって、一実施形態では、第１の波長（例えば４１０ｎｍまたは５００ｎｍのみ）で第１のより低い強度での第１の一定の背景光が、より長期間にわたって、例えば少なくとも１分のみ、または代替として、少なくとも１時間もしくは代替として２４時間にわたって提供される。同時に、このより長い期間中、第２の照明素子は、別の波長（例えばパルスされた６８０ｎｍのみ）を提供し、または第２の時間にわたって、および一実施形態では、Ｋｏｋサイクル中の期間に関係付けられる変動する時間未満の所定の期間にわたって、光がオンおよびオフで提供される。

一実施形態では、光子解放の間の時間は、暗い期間、または光源が光子を放出しない時間として提供されることがあるが、光子を受け取る準備ができている期間の間の時間は、ＰＳＩＩまたはＰＳＩ複合体中の反応成分によって吸収されない強度または波長で放出される光で埋めることもできる。単に例として、Ｐ６８０は、６８０ｎｍの波長の光を吸収して、望まれる光化学反応を生じる。しかし、４５０ｎｍの青色、さらには４５０ｎｍ未満であってＵＶ範囲１００ｎｍ〜４００ｎｍに入る波長を利用して、植物中での他の化学反応を生じることができ、そのような光は、Ｐ６８０によって吸収されず、それにより本開示によって考えられる光ダメージを引き起こさない。したがって、吸収されてＰＳＩＩ複合体と反応する第１の波長と、吸収されずにＰＳＩＩ複合体と反応しない波長とを介在的に、または同時に提供する光源は、本開示の範囲から逸脱せずに、光合成の所望の向上をもたらす。

特に、植物を分析して、Ｐ６８０などの植物中の他の反応中心および他の化学物質に対して光の第２の波長が及ぼす影響を求め、有害な化学反応をやはり最小限にする。そのような有害な化学反応により、植物は、光合成ではなく、ダメージからの保護または修復にエネルギーを使用する。このようにすると、第２の波長の光は、植物に有害な強度またはフルエンスおよび期間で提供されることがある。しかし、植物へのエネルギーの提供をもたらす向上または改良は、全体的なプロセスをより効率的にし、光合成を向上させる。

同様に、植物の遺伝的または化学的構成に応じて、様々な所望の化学反応に対応する追加の期間にわたる追加の波長を提供する追加の照明素子が企図される。単に例として、同様にＰＳＩの反応中心のピーク吸収度レベルに対応する７００または７２０ｎｍの波長で光を提供する第３の照明素子が利用される。特に、個々の植物が研究され、照明デバイスの使用によって光合成を向上させるために、異なる期間および強度で異なる光波長が提供されて、植物中での有害な化学反応を最小限にし、化学物質および化学反応の性能を最大限にする。

したがって、植物の連続的な成長を刺激する所定の明暗期間が提供される。本出願に関連して使用されるとき、所定の明暗期間は、その明暗をヒトが知覚することができない場合でさえ、植物１４がどのように知覚することができるかによって測定または決定され、照明素子３２によって光が放出されない期間を提供する。したがって、本開示に関連して、明滅および知覚不能な明滅（存在するが、ヒトには知覚できない）が所定の明暗期間を提供すると考えられる。光合成電子伝達系（ＰＥＴＣ）の代謝回転時間に比例するオフ時間に光のパルスを使用することによって、光阻害率を減少させ、光合成効率を上げる。

本出願人が行った実験では、３つの異なる光処理をタバコに加えた。同じ土壌、肥料、土壌用コンテナ、セットアップ時の温度、維持される温度、セットアップ時のＲｈ湿度、および維持されるＲｈで、３つの同一のチャンバを提供した。さらには、おおまかなフルエンス、光の波長、およびエネルギーをすべて一定に保ち、唯一の相違点は、光の各波長が植物に送達された期間または時間量であった。各チャンバが、ディープレッド（約６５０ｎｍ〜６７０ｎｍまたは７２０ｎｍ〜７４０ｎｍ）、ロイヤルブルー（約４４０ｎｍ〜４６０ｎｍ）、およびライムグリーン（約５６６ｎｍ〜５６９ｎｍ）を使用した。第１のチャンバ内で、ディープレッド、ロイヤルブルー、およびライムグリーンはそれぞれ、４つのパルス時間間隔で同時にパルスし、各パルス幅が約３０μｓであり、第１のパルス後、光のない約８５μｓを提供し、その後、３０μｓの第２のパルスを生じさせた。次いで、光がない約２３０μｓの期間を、３０μｓの第３のパルスの前に提供した。次いで、光のない約２４０μｓを提供し、その後、３０μｓの第４のパルスを生じさせた。最後に、光のない約１３６０μｓの期間を設けた後、このサイクルを再び開始し、植物が完全に成長するまで、２４時間にわたってこのパターンで維持した。

第２のチャンバ内で、ディープレッドおよびロイヤルブルーが出力され、ここで、第１のチャンバと同様に、４つのパルス時間間隔が前の段落で述べたのと同一の時点で生じる。しかし、第２のチャンバ内で、ライムグリーン光源は、ディープレッドおよびロイヤルブルーの光源と同じ時間間隔ではパルスしなかった。そうではなく、１２００μｓにわたるサイクルにつき１回、ライムグリーン光源がパルスし、このサイクルは、ディープレッドおよびロイヤルブルー光源の第４の３０μｓパルスの終了の８０μｓ後（４つのパルスのサイクルの終了と、４つのパルスの新たなサイクルの開始との間の１３６０μｓの時間間隔または期間内）に始まり、４パルスの次のサイクルの最初の３０μｓのパルスの８０μｓ前に終わる。次いで、このパターンを２４時間にわたって維持した。

最後のチャンバは、２４時間にわたってディープレッド、ロイヤルブルー、およびライムグリーンの一定のＤＣ光を提供する参照チャンバとした。ディープレッドと比較して、２０％のロイヤルブルーおよび２０％のライムグリーンが存在した。第１および第２のチャンバと全く同じ量の光が参照植物に達することを保証するように電流を調節した。

この実験において測定を行い、インチ、長さ、湿潤重量、乾燥重量、および根の乾燥重量に関して、植物の芽のより大きい成長が示された。チャンバ１内の処理は、すべてのカテゴリーで最大値を示し、次いでチャンバ２が続いた。チャンバ１および２は、湿潤および乾燥重量で参照に比べて大幅な増加を有し、両方のチャンバ１および２が、参照よりも２〜３倍大きい重量を示した。したがって、Ｋｏｋサイクルに基づいて、光のない１３６０μｓ以下の時間間隔を単に提供することによって、植物は、１日２４時間成長することが可能であり、時間間隔を提供しない照明に加えてかなりの重量利得を得る。

別の実験では、ＰＥＴＣ同期パルス光が平均の光合成効率を高め、したがって植物の成長率を高めるという仮説を支持する最初の見解の下で、モデル植物としてトウモロコシを使用して３つの概念実証試験が行われた。

したがって、植物に機能的な光のみを提供するように様々な光波長および様々な光発生期間を提供することが可能な照明素子３２を利用する園芸システムが提供される。したがって、特に、所定の化学反応が生じるのに必要な時間に各光子が提供されて、植物にダメージを与える化学反応で使用される余剰の光子は、なくならないにせよ最小限にされる。ダメージを最小限にすることによって、成長が向上され、より速く成長し、より青々としたより良く発育した植物生命体が得られる。

特に、光合成電子伝達系（ＰＥＴＣ）の代謝回転時間に比例するオフ時間を提供するために植物の連続的な成長を刺激する所定の明暗期間を提供することによって、光阻害率を減少し、光合成効率を上げる。

したがって、必要とされる光の波長と共に、明暗期間が植物によって必要とされるときを決定するためのアルゴリズムを開発することができるだけでなく、同様に、植物の遷移特性を最小限にするための時間間隔で光を提供することができる。

光合成効率を最大限にすることによって、追加の炭素、したがって二酸化炭素の要件が提供される。したがって、植物光合成に利用可能なＣＯ_２を増加することによって、植物の成長、色、および栄養の最大化をさらに向上させる。したがって、より速く、より健康的な植物が提供され、現在の技術水準を改良する。

全体として、所与の植物の様々な特性を向上させることができる。したがって、植物の重量および密度を増加し、または葉のサイズを増加し、根の構造を増減し、もしくは植物の所定の特性を操作することができ、栽培者の要求を満たすカスタマイズされた植物成長を実現する光処理が提供される。これは、限定はしないが、植物中の栄養の増加、顧客にとっての最終製品である植物の一部のより速い成長、および植物の色または見た目を含む。

したがってまた、複数の植物１４を照光するための方法およびアセンブリ１０が提示される。アセンブリ１０は照明素子３２を含み、照明素子３２は、植物のための所定量の暗い時間または代謝回転時間を含む照明サイクルまたは位相を提供する。その結果、代謝プロセスの完了時に、植物１４は、必要な休憩を取り、植物ストレスおよび緊張を緩和する。この点で、植物１４は、次いで、より多くの光を吸収する準備ができて、光合成プロセスでの代謝を続ける。

一方、光合成を引き起こすために必要な複合体および化学反応に基づいて光の波長を選択することによって、代謝および光合成が最大限にされる。特に、ＬＥＤは、ＬＥＤの異なるネットワーク５８および６２を備えることができ、植物１４に関する理想的なＰＡＲに従って、その特定の植物１４が受け取る光として、不連続なＵＶ、近ＵＶ、青色光、および／または赤色光を発生する。その結果、２４時間の一定の光成長サイクルを有することができるだけでなく、さらに植物の成長が最大限にされる。その結果、植物のより速い成熟およびより大きい収量が得られる。

さらに、アセンブリ１０は、容易に製造され、植物１４に隣接して取り付けるまたは配置することによって、新たな園芸アセンブリおよび既存の園芸アセンブリに組み込まれる。最後に、ＡＣ入力から調整される電流が利用され、パルス幅変調がなくされるため、照明素子３２に関連付けられるコストが大幅に低減される。したがって、少なくとも上記の目的がすべて達成されている。

Claims (13)

1. 少なくとも１つの照明デバイスを備える、人工照明下で植物を成長させるための園芸システムにおいて、
   前記少なくとも１つの照明デバイスが、前記少なくとも１つの照明デバイスによって放出される光を受け取るために、前記少なくとも１つの照明デバイスに対して離隔した関係で位置決めされる植物の色素のピーク吸収から２０ナノメートル（ＮＭ）以内の波長で光を放出する第１の照明素子を有し、
   前記第１の照明素子からの光が、第１、第２、第３、および第４の照明時間間隔中に放出され、第１の暗い時間間隔が、前記第１の照明時間間隔と前記第２の照明時間間隔との間に提供され、第２の暗い時間間隔が、前記第２の照明時間間隔と前記第３の照明時間間隔との間に提供され、第３の暗い時間間隔が、前記第３の照明時間間隔と前記第４の照明時間間隔との間に提供され、
   前記第１の暗い時間間隔と前記第２の暗い時間間隔と前記第３の暗い時間間隔とが異なる時間量であることを特徴とする、園芸システム。
2. 請求項１に記載の園芸システムにおいて、前記第１の照明素子が６５５ＮＭ〜７４０ＮＭの波長で光を放出することを特徴とする、園芸システム。
3. 請求項１に記載の園芸システムにおいて、前記第１の照明素子が４２５ＮＭ〜４６５ＮＭの波長で光を放出することを特徴とする、園芸システム。
4. 請求項１に記載の園芸システムにおいて、植物の色素のピーク吸収から２０ＮＭ以内の波長で光を放出する第２の照明素子を有する少なくとも１つの照明デバイスをさらに備えることを特徴とする、園芸システム。
5. 請求項４に記載の園芸システムにおいて、前記第１の照明素子が６５５ＮＭ〜７４０ＮＭの波長で光を放出し、前記第２の照明素子が４２５ＮＭ〜４６５ＮＭの波長で光を放出することを特徴とする、園芸システム。
6. 請求項１に記載の園芸システムにおいて、光合成の速度を上げるために、４９５ＮＭ〜５７０ＮＭの範囲内の光を放出する第２の照明素子を有する少なくとも１つの照明デバイスをさらに備えることを特徴とする、園芸システム。
7. 請求項６に記載の園芸システムにおいて、前記第２の照明素子が、前記第１の照明素子の第１の暗い時間間隔または第２の暗い時間間隔中に光を放出することを特徴とする、園芸システム。
8. 請求項１に記載の園芸システムにおいて、前記第１の照明素子が発光ダイオードであることを特徴とする、園芸システム。
9. 請求項５に記載の園芸システムにおいて、光合成の速度を上げるために、４９５〜５７０ＮＭの範囲内の光を放出する第３の照明素子を有する少なくとも１つの照明デバイスをさらに備えることを特徴とする、園芸システム。
10. 請求項９に記載の園芸システムにおいて、前記第１、第２、および第３の照明素子が同じ照明デバイスにおけるものであることを特徴とする、園芸システム。
11. 請求項１に記載の園芸システムにおいて、前記第１、第２、第３、および第４の照明時間間隔が繰り返しサイクルであることを特徴とする、園芸システム。
12. 請求項１に記載の園芸システムにおいて、前記第４の照明時間間隔の後であって、次の第１の照明時間間隔の前に、第４の暗い時間間隔をさらに備えることを特徴とする、園芸システム。
13. 人工照明下で植物を成長させる方法において、
    少なくとも１つの照明デバイスによって放出される光を受け取るために、前記少なくとも１つの照明デバイスに対して離隔した関係で植物を位置決めするステップであって、前記少なくとも１つの照明デバイスが第１の照明素子を有する、ステップと、
    前記第１の照明素子が、前記植物の色素のピーク吸収から２０ナノメートル（ＮＭ）以内の波長で光を放出するステップと
    を含み、
    前記第１の照明素子からの光が、第１、第２、第３、および第４の照明時間間隔中に放出され、第１の暗い時間間隔が、前記第１の照明時間間隔と前記第２の照明時間間隔との間に提供され、第２の暗い時間間隔が、前記第２の照明時間間隔と前記第３の照明時間間隔との間に提供され、第３の暗い時間間隔が、前記第３の照明時間間隔と前記第４の照明時間間隔との間に提供され、
    前記第１の暗い時間間隔と前記第２の暗い時間間隔と前記第３の暗い時間間隔とが異なる時間量であることを特徴とする、方法。

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