KR20220146898A - 식물 광수용체에 근거한 식물재배조명 스펙트럼 특성의 정량화 방법 - Google Patents
식물 광수용체에 근거한 식물재배조명 스펙트럼 특성의 정량화 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20220146898A KR20220146898A KR1020210053751A KR20210053751A KR20220146898A KR 20220146898 A KR20220146898 A KR 20220146898A KR 1020210053751 A KR1020210053751 A KR 1020210053751A KR 20210053751 A KR20210053751 A KR 20210053751A KR 20220146898 A KR20220146898 A KR 20220146898A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- spectrum
- light
- productivity
- light source
- plant
- Prior art date
Links
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 59
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 108091008695 photoreceptors Proteins 0.000 claims abstract description 49
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 16
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims description 32
- KCYOZNARADAZIZ-CWBQGUJCSA-N 2-[(2e,4e,6e,8e,10e,12e,14e)-15-(4,4,7a-trimethyl-2,5,6,7-tetrahydro-1-benzofuran-2-yl)-6,11-dimethylhexadeca-2,4,6,8,10,12,14-heptaen-2-yl]-4,4,7a-trimethyl-2,5,6,7-tetrahydro-1-benzofuran-6-ol Chemical compound O1C2(C)CC(O)CC(C)(C)C2=CC1C(\C)=C\C=C\C(\C)=C\C=C\C=C(/C)\C=C\C=C(/C)C1C=C2C(C)(C)CCCC2(C)O1 KCYOZNARADAZIZ-CWBQGUJCSA-N 0.000 claims description 8
- KCYOZNARADAZIZ-PPBBKLJYSA-N Cryptochrome Natural products O[C@@H]1CC(C)(C)C=2[C@@](C)(O[C@H](/C(=C\C=C\C(=C/C=C/C=C(\C=C\C=C(\C)/[C@H]3O[C@@]4(C)C(C(C)(C)CCC4)=C3)/C)\C)/C)C=2)C1 KCYOZNARADAZIZ-PPBBKLJYSA-N 0.000 claims description 8
- 108010037139 Cryptochromes Proteins 0.000 claims description 8
- KCYOZNARADAZIZ-XZOHMNSDSA-N beta-cryptochrome Natural products CC(=C/C=C/C=C(C)/C=C/C=C(C)/C1OC2(C)CC(O)CC(C)(C)C2=C1)C=CC=C(/C)C3OC4(C)CCCC(C)(C)C4=C3 KCYOZNARADAZIZ-XZOHMNSDSA-N 0.000 claims description 8
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 claims description 4
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 71
- 238000011161 development Methods 0.000 description 9
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 9
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 235000009849 Cucumis sativus Nutrition 0.000 description 4
- 240000008067 Cucumis sativus Species 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 3
- 101100484243 Arabidopsis thaliana UVR8 gene Proteins 0.000 description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 2
- 235000010799 Cucumis sativus var sativus Nutrition 0.000 description 1
- 244000299906 Cucumis sativus var. sativus Species 0.000 description 1
- 206010013883 Dwarfism Diseases 0.000 description 1
- 108010020577 Phototropins Proteins 0.000 description 1
- 108090000679 Phytochrome Proteins 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 229960000106 biosimilars Drugs 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000002372 labelling Methods 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 108020003175 receptors Proteins 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000007330 shade avoidance Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000017260 vegetative to reproductive phase transition of meristem Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
- A01G7/00—Botany in general
- A01G7/04—Electric or magnetic or acoustic treatment of plants for promoting growth
- A01G7/045—Electric or magnetic or acoustic treatment of plants for promoting growth with electric lighting
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/0098—Plants or trees
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N2021/8466—Investigation of vegetal material, e.g. leaves, plants, fruits
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Botany (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- Ecology (AREA)
- Forests & Forestry (AREA)
- Environmental Sciences (AREA)
- Cultivation Of Plants (AREA)
Abstract
본 발명은 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 식물에 조사되는 빛의 스펙트럼에 따라 식물이 나타내는 반응과 생산성을 정량화하여 계산할 수 있는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 식물에 조사되는 빛의 스펙트럼에 따라 식물이 나타내는 반응과 생산성을 정량화하여 계산할 수 있는 방법에 관한 것이다.
인공조명을 이용한 식물 재배는 외부환경의 영향에서 벗어나 농업생산성과 품질을 향상시킬 수 있어서 전세계적으로 급격히 도입되고 있다. 현재는 주로 첨단 유리온실에서 고위도지방(러시아, 네덜란드, 기타 북유럽)의 겨울철 햇빛 부족을 보완하기 위한 용도로 주로 설치되고 있으며 제약용 식물공장 등에도 적극적으로 사용되고 있다.
종래 기술에 의한 인공 조명은, 통상적으로 사람의 눈에 인식되는 것을 기준으로 분류되었다. 예컨대, blue(400-500), green(500-600), red(600-700) 등으로 파장 영역을 크게 구분하여 해당 영역이 각 광원에 어느정도의 비율로 구성되어 있는지 정도로 단순하게 광원이 분류되었다. 이는 식물의 광 수용체와 관련 없이 단순 100nm간격으로 쪼개서 구분한 것이라고 볼 수 있다. 이 때문에 red 및 blue 등의 파장 비율이 동일하게 구성된 광원들 간에도, 포함하는 영역 범위가 넓기 때문에 다른 식물 반응이 나타날 수 있다. 예를 들어 광원의 red 영역의 peak 가 630nm인지 680nm인지 등에 따라 전혀 다른 반응을 나타낼 수 있다. 즉, 기존의 인공 조명 분류 방법은 식물의 반응을 고려하는 데 미흡하였다고 할 수 있다.
식물은 스펙트럼을 인식하고 주변 환경을 판단하여 민감하고 적극적인 반응을 나타낸다. 농업적으로는 식물의 생장 및 발달(개화, 착과 등)이 입사 스펙트럼의 영향을 받으므로 식물에 제공되는 광의 스펙트럼은 식물의 생산성에 큰 영향을 미친다. 따라서, 인공조명을 이용한 식물 재배에서는, 식물에 제공되는 광의 스펙트럼을 식물 생산에 최적화 시키는 것이 매우 중요하다.
그러나, 현재까지 스마트팜 및 식물공장과 같은 인공조명을 사용한 식물 재배에서 사용되는 인공광원들의 스펙트럼은 태양광과 크게 다르다. 뿐만 아니라, 인공광원의 종류에 따라서도 각각 큰 차이를 갖는다(나트륨등, 형광등, LED 등).
사용 광원에 따라 스펙트럼이 크게 달라지면 식물의 반응도 크게 달라지나 지금까지는 이를 정량화할 방법이 없었다. 이 때문에 인공조명을 이용한 식물 재배에서 각 광원 및 스펙트럼의 생산성 등을 정량적으로 설계하거나 표기할 방법이 없었다. 따라서, 식물 생산에 최적의 환경을 제공하는 데 한계가 있었다.
이러한 정량화를 위해서는, 식물의 스펙트럼 정보 수용에 관해 먼저 고찰해야 한다. 식물의 스펙트럼 정보 수용은 광수용체를 통해 이루어지며, 광수용체의 활성은 유전자 발현 및 물질대사에 영향을 미침으로써 식물의 반응을 야기한다.
식물의 광수용체는 파이토크롬(Phytochrome), 크립토크롬(Cryptochrome), 포토트로핀(Phototropin), UVR8 등이 대표적으로 알려져 있다.
각각의 광수용체들은 서로 흡수하는 스펙트럼의 영역대에 차이가 있다.
먼저, 파이토크롬은 주로 적색(600-700nm)을 흡수하는 Pr 형태와 원적색광(700-800nm)을 흡수하는 Pfr 형태가 있으며, 상호간에 광 가역적으로 변화할 수 있다.
크립토크롬과 포토트로핀은 청색(400-500nm) 영역, UVR8은 UV-B(280-315nm) 영역대의 스펙트럼을 주로 흡수한다. 또한 동일한 색의 빛이라고 하더라도 파장의 길이에 따라 그 흡수율이 다르기 때문에 각 광수용체를 활성시키는 정도가 다르며,광수용체들의 스펙트럼 별 흡수율은 여러 이전 연구의 결과로서 알려져 있다.
따라서 인간의 눈에 동일한 색의 광원일지라도 식물의 광수용체에 흡수되는 정도는 다를 수 있으며 식물의 생장과 발달에 미치는 영향이 전혀 다를 수 있다.
이와 반대로 사람이 보기에 다른 색의 광원에서 오히려 식물의 광수용체가 활성되는 정도는 유사할 수 있으며 따라서 식물의 생장과 발달을 유사한 방향으로 유도할 가능성이 있다.
따라서, 식물 생산에 최적의 환경을 제공하기 위해서, 식물의 광수용체에 따라 광원 및 스펙트럼의 정량적인 설계 및 표기가 필요하다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 식물에 조사되는 빛의 스펙트럼에 따라 식물이 나타내는 반응과 생산성을 정량화하여 계산할 수 있는, 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법은, 조명의 스펙트럼과 식물의 광수용체 광흡수량을 이용해 식물의 반응 특성을 정량적으로 계산한다.
본 발명에 따른 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법은, 식물의 광수용체의 광흡수량은 하기 식 1 에 의해 도출된다.
(식 1)
A : 광수용체의 광 흡수량,
Nλ : 각 광원의 파장 별 광도,
αλ : 각 광수용체의 파장 별 흡광도
본 발명에 따른 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법은, 광원이 태양광이며, 상기 광수용체는 파이트크롬과 크립토크롬일 때 상기 식 1 에 의해서 도출되는 광 흡수량과 동일한 광 흡수량을 갖는 조명을 식물재배용 인공광원으로 선택한다.
본 발명에 따른 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법은, 조명용 광원이 사람 눈의 인식을 기준으로 성능과 특성을 표기하듯이(예: 주광색 6000K, 100 lm/W 등), 식물 재배용 광원을 식물의 인식을 기준으로 표기할 수 있다. 따라서 광원에 무관하게 목적에 따라 스펙트럼을 설계할 수 있다.
도 1 은 본 발명에 의한 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법의 개념도이다.
도 2 는 서로 다른 광원 및 스펙트럼에서 본 발명에 의한 방법을 이용해 스펙트럼을 수정하여 식물의 반응을 동일하게 이끌어내는 것을 확인한 것을 나타낸 그림이다.
도 3 은 인공광원 RB, HPS, AS와 표준 태양(ASTM)의 파장 분포를 나타낸 도면이다.
도 4 는 AS, HPS, RB 하에서 재배중인 오이 사진 및 재배 결과를 나타낸 것이다.
도 5, 6 은, 각 광원의 파장 분포 및 계산된 광수용체 광 흡수량을 나타낸 것이다.
도 7 은 AS의 광수용체 광 흡수량과 유사하도록 기존 광원을 수정한 모습을 나타낸 것이다.
도 8 은 AS와 기존의 재배광원 및 수정된 재배광원에서 재배된 오이를 비교하여 나타낸 것이다.
도 9 은 대표적인 재배용 인공광원의 광수용체 광 흡수율 계산 값을 나타낸 것이다.
도 10 은 인공광원의 광수용체 광 흡수율 계산 값을 기반으로 한 광원의 분류 예시이다.
도 2 는 서로 다른 광원 및 스펙트럼에서 본 발명에 의한 방법을 이용해 스펙트럼을 수정하여 식물의 반응을 동일하게 이끌어내는 것을 확인한 것을 나타낸 그림이다.
도 3 은 인공광원 RB, HPS, AS와 표준 태양(ASTM)의 파장 분포를 나타낸 도면이다.
도 4 는 AS, HPS, RB 하에서 재배중인 오이 사진 및 재배 결과를 나타낸 것이다.
도 5, 6 은, 각 광원의 파장 분포 및 계산된 광수용체 광 흡수량을 나타낸 것이다.
도 7 은 AS의 광수용체 광 흡수량과 유사하도록 기존 광원을 수정한 모습을 나타낸 것이다.
도 8 은 AS와 기존의 재배광원 및 수정된 재배광원에서 재배된 오이를 비교하여 나타낸 것이다.
도 9 은 대표적인 재배용 인공광원의 광수용체 광 흡수율 계산 값을 나타낸 것이다.
도 10 은 인공광원의 광수용체 광 흡수율 계산 값을 기반으로 한 광원의 분류 예시이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예는 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다.
본 발명은 식물에 조사되는 빛의 스펙트럼에 따라 식물이 나타내는 반응과 생산성을 정량화하여 계산할 수 있는, 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법에 관한 것으로서, 식물의 반응을 기준으로 스펙트럼을 정량화 할 수 있는 방법에 관한 것이다.
실시예에 의하면, 본 발명에 따른 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법은, 조명의 스펙트럼과 식물의 광수용체 광흡수량을 이용해 조명에 대한 식물의 반응 특성을 정량적으로 계산한다.
각각의 광수용체의 광흡수량 계산식은 아래 식 1과 같다.
(식 1)
위 식 1 에서, A는 광수용체의 광 흡수량을 나타내며, Nλ는 각 광원의 파장 별 광도, αλ는 각 광수용체의 파장 별 흡광도를 나타낸다. 아울러, λ는 파장의 길이를 나타낸다. 파장의 단위는 nm 이다.
상기 수치 범위에서, 하한이 400 이며, 상한이 800 으로 설정된 것은, 상기 범위 밖의 파장을 갖는 광원(자외선, 적외선 등)은 식물의 생장 및 발달에 영향을 미치는 정도가 작기 때문이다.
상기 각 광수용체의 파장 별 흡광도는, 기존의 연구에 의해서 이미 밝혀진 사항이므로, 기존에 밝혀진 결과값을 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 태양광 파장의 광수용체 광 흡수량을 토대로 각 광원을 분류할 수 있다. 예컨대, 대표적인 광수용체인 파이토크롬과 크립토크롬의 광수용체 광 흡수량과 관련하여, 광원이 태양광일 때 측정되는 광 흡수량을 기준으로 각 광원들을 구분할 수 있다. 즉, 파이트크롬과 크립토크롬의 광수용체가 태양광을 흡수하는 광 흡수량을 측정하고, 이와 동일한 광 흡수량을 나타내는 광원을 선택하여 식물재배용 인공광원으로 사용할 수 있다.
도 1 은 본 발명에 의한 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법의 개념도이다.
본 발명은, 식물 재배에 이용되는 인공광원의 파장 데이터와 식물의 광수용체의 파장별 흡수율 데이터를 바탕으로, 여러 인공광원 하에서 각 광수용체의 상대적인 광 흡수량을 정량화한다. 이를 토대로 서로 다른 인공광원을 광수용체 광 흡수량을 기준으로 분류 및 비교하는 것이 가능하다.
또한 실제로 광수용체 광 흡수량이 유사한 광원 하에서 식물의 생장과 발달을 비교함으로써 식물 광수용체 광 흡수량을 기준으로 한 식물 재배용 인공광원 분류의 타당성을 확인할 수 있다.
본 발명에 의하면, 인공 광원의 식물 재배 성능을 정량적으로 나타낼 수 있으며 원하는 목적에 따라 광원을 조합하여 정량적으로 스펙트럼을 설계할 수 있다. 예컨대, 조명용 광원이 사람 눈의 인식을 기준으로 성능과 특성을 표기하듯이(예: 주광색 6000K, 100 lm/W 등), 본 발명에 의한 방법을 이용하면 식물 재배용 광원을 식물의 인식을 기준으로 표기할 수 있다.
따라서 광원에 무관하게, 목적에 따라 스펙트럼을 설계할 수 있다. 아울러, 본 발명에 의한 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법은, 식물 재배용 광원 전체에 적용될 수 있다.
도 2 는 서로 다른 광원 및 스펙트럼(아래, 검은선)에서 본 발명에 의한 방법을 이용해 스펙트럼을 수정(붉은선)하여 식물의 반응을 동일하게 이끌어내는 것을 확인한 것을 나타낸 그림이다.
도 2 에서, AS 는 Artificial solar, control 을 나타내며, HPS 는 고압나트륨등을 나타내고, RB 는 적색/청색 LED를 나타내며, FL는 형광등을 각각 나타낸다. 아울러, -adj 는 본 발명에 의한 방법을 이용해 수정한 스펙트럼으로서, 아래 스펙트럼에서 붉은선으로 표시되어 있다. 아울러, 아래 스펙트럼에서 검은선은 각각 상기 광원에 의한 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 서로 다른 광원 및 스펙트럼(아래, 검은선)에서 본 발명에 의한 방법을 이용해 스펙트럼을 수정(붉은선)하여 식물의 반응을 동일하게 이끌어낼 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 방법을 이용하면 서로 다른 다양한 광원과 스펙트럼을 자유롭게 이용하여 정량적으로 목적에 따라 스펙트럼을 설계할 수 있다.
<실험예>
이하에서는 본 발명의 실험예에 대해서 설명한다.
도 3 은 인공광원 RB, HPS, AS와 표준 태양(ASTM)의 파장 분포를 나타낸 도면이다.
인공광원 파장에 따른 작물 생육의 차이를 확인하기 위해 대표적인 식물 재배 광원인 적색과 청색 조합의 LED(RB), 고압나트륨등(HPS), 그리고 태양광 파장과 유사한 인공광원(AS)에서 오이 재배 실험을 진행하였다.
재배 결과 인공광원의 파장분포에 따라 생육과 형태에 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 도 4 는 AS, HPS, RB 하에서 재배중인 오이 사진 및 재배 결과를 나타낸 것이다.
위 결과를 토대로 서로 다른 인공광원을 기본으로 할 때, 일부 파장 분포를 변화시켰을 때 전체적인 파장 분포가 다르더라도 식물의 반응이 유사하게 나타나는지 확인하기 위한 재배 실험을 진행하였다.
태양의 파장과 유사한 광원인 AS를 기준으로, HPS와 RB, 그리고 추가적으로 형광등(FL)에 일부 파장을 추가하여 광수용체의 흡수율이 AS와 유사하도록 하였으며, 계산을 위하여 상기 식 1 을 사용하였다.
위 식 1 을 통해 HPS와 RB, FL 광원의 광수용체 광 흡수량을 최대한 AS와 유사하게 수정하였으며, 이를 각각 HPSm, RBm, FLm으로 구분하였다. 아울러, 수정 이전의 기존 광원을 혼동없이 구분하기 위해 각각 HPS0, RB0, FL0로 구분하였다.
각 광원의 파장 분포 및 계산된 광수용체 광 흡수량은 도 5 및 도 6 에 도시된 바와 같다. 도 5, 6 에서 σCry, σPhot, σPr, σPfr, σPr/σPtotal은 각각 크립토크롬, 포토트로핀, Pr 형태 파이토크롬, Pfr 형태 파이토크롬의 광수용체 광 흡수량, 그리고 총 파이토크롬 대비 Pr형태 파이토크롬의 광 흡수량을 나타낸다.
위 실험에서 오이를 재배하여 생장과 발달을 비교하였으며, 이하와 같이 재배실험을 진행하였다.
도 7 은 AS의 광수용체 광 흡수량과 유사하도록 기존 광원을 수정한 모습을 나타낸 것이다.
앞서 언급한바와 같이 AS와 HPSm, FLm, RBm은 육안으로는 매우 다른 파장을 나타내지만 광수용체 광 흡수량은 유사하며, 기본 광원들과 수정된 광원들은 육안으로 유사한 파장을 나타내지만, 광수용체 광 흡수량은 매우 다른 것을 알 수 있다.
도 8 은 AS와 기존의 재배광원 및 수정된 재배광원에서 재배된 오이를 비교하여 나타낸 것이다.
재배 결과 아래와 같이 광수용체 광 흡수량이 유사한 광원들에서 재배된 개체들은 매우 유사한 생장과 발달 형태를 보이는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해 서로 다른 광원 및 스펙트럼에서 개발 방법을 이용해 스펙트럼을 수정하여 식물의 반응을 동일하게 이끌어내는 것을 확인하였다. 개발한 방법을 이용하면 서로 다른 다양한 광원과 스펙트럼을 자유롭게 이용하여 정량적으로 목적에 따라 스펙트럼을 설계할 수 있다.
결론적으로, 본 발명에 의한 방법을 통하여 다양한 인공광원들의 광수용체 광 흡수량을 계산할 수 있으며, 비슷한 값을 가지는 광원은 생장과 발달을 유사하게 이끌어 낼 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
도 9 은 대표적인 재배용 인공광원의 광수용체 광 흡수율 계산 값을 나타낸 것이다. 아울러, 도 10 은 인공광원의 광수용체 광 흡수율 계산 값을 기반으로 한 광원의 분류 예시이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 태양광 파장의 광수용체 광 흡수량을 토대로 하여 광원을 분류할 수 있다.
예컨대, 대표적인 광수용체인 파이토크롬과 크립토크롬의 광수용체의 광 흡수량에 있어서, 태양광의 광 흡수량을 기준으로 하여 각 광원을 구분할 수 있다. 이에 따라, 태양광에 비해 far-red가 sufficient할 경우 음지 회피 반응(shade avoidance)등이 더 강하게 일어날 것 등을 예상할 수 있고, blue가 sufficient 할 경우 식물의 왜소화 등이 더 강하게 일어날 것을 예상할 수 있다.
본 발명에 따라서 광수용체 광 흡수량을 기반으로 아래와 같이 재배 광원들을 분류할 수 있으며, 기존 재배 광원의 개선과 선택에 활용할 수 있다고 기대된다.
본 발명에 따른 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법은, 식물 재배용 광원을 제조, 판매하는 산업 및 인공조명을 사용해 식물을 재배하는 산업분야 일체에 적용될 수 있다. 뿐만 아니라, 밀폐공간에서 인공조명으로 유전자변형 식물을 이용해 생산하는 의약품(예: ZMapp) 및 바이오시밀러, 천연물신약 원료재배, 우주농업 등에 광범위하게 적용될 수 있다.
이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
도면 부호 없음
Claims (3)
- 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법으로서,
조명의 스펙트럼과 식물의 광수용체 광흡수량을 이용해 식물의 반응 특성을 정량적으로 계산하는 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법. - 제1항에 있어서,
식물의 광수용체의 광흡수량은 하기 식 1 에 의해 도출되는 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법.
(식 1)
A : 광수용체의 광 흡수량,
Nλ : 각 광원의 파장 별 광도,
αλ : 각 광수용체의 파장 별 흡광도
λ : 광원의 파장 (nm) - 제2항에 있어서,
광원이 태양광이며, 상기 광수용체는 파이트크롬과 크립토크롬일 때 상기 식 1 에 의해서 도출되는 광 흡수량과 동일한 광 흡수량을 갖는 조명을 식물재배용 인공광원으로 선택하는 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210053751A KR20220146898A (ko) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | 식물 광수용체에 근거한 식물재배조명 스펙트럼 특성의 정량화 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210053751A KR20220146898A (ko) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | 식물 광수용체에 근거한 식물재배조명 스펙트럼 특성의 정량화 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220146898A true KR20220146898A (ko) | 2022-11-02 |
Family
ID=84043244
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210053751A KR20220146898A (ko) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | 식물 광수용체에 근거한 식물재배조명 스펙트럼 특성의 정량화 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20220146898A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150107508A (ko) | 2014-03-14 | 2015-09-23 | 한국과학기술연구원 | 식물 상태 자동화 분석 장치 및 이를 이용한 식물 분석 방법 |
-
2021
- 2021-04-26 KR KR1020210053751A patent/KR20220146898A/ko active Search and Examination
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20150107508A (ko) | 2014-03-14 | 2015-09-23 | 한국과학기술연구원 | 식물 상태 자동화 분석 장치 및 이를 이용한 식물 분석 방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104869806B (zh) | 用于对接至少一个照明系统的园艺照明接口 | |
| EP2278870B1 (en) | Method and apparatus for using light emitting diodes in a greenhouse setting | |
| AU2013292640B2 (en) | Method for stimulating plant growth, apparatus and methods for computing cumulative light quantity | |
| Engbers et al. | Plant physiological acclimation to irradiation by light-emitting diodes (LEDs) | |
| JP4995476B2 (ja) | ナス科植物の糖度を向上させる栽培方法 | |
| KR20090124155A (ko) | 발광다이오드를 이용한 식물재배 등기구 및 지능형 광환경제어 시스템 | |
| CN104703464A (zh) | 一种促进植物生长的方法与一种光量累积计算装置及方法 | |
| Radetsky | LED and HID horticultural luminaire testing report | |
| Dănilă et al. | Efficient lighting system for greenhouses | |
| CN109121808B (zh) | 一种模拟太阳光的全光谱植物用灯具 | |
| Landis et al. | Light-emitting diodes (LED): applications in forest and native plant nurseries | |
| Craver et al. | Control of morphology by manipulating light quality and daily light integral using LEDs | |
| KR20220146898A (ko) | 식물 광수용체에 근거한 식물재배조명 스펙트럼 특성의 정량화 방법 | |
| CN107144669A (zh) | 一种遮荫对七叶树幼苗光合特性影响的测试方法 | |
| JP2016019507A (ja) | Ｌｅｄ複合光線利用の防蛾装置。 | |
| CN112243727A (zh) | 一种促进植物生长的方法 | |
| KR20200082461A (ko) | 식물재배조명 스펙트럼의 생산성과 특성을 정량화하는 방법 | |
| KR102572520B1 (ko) | 식물공장 내 갯방풍의 재배방법 | |
| TWI494054B (zh) | 智慧型光柵式植物培植裝置、其製法及培植方法 | |
| Savage | LEDs lower costs, boost crops inside greenhouses | |
| Wu | Light emitting diodes: refining a tool for plant response analyses and improved plant performance | |
| Sun et al. | Quantifying the Photosynthetic Quantum Yield of Ultraviolet‐A1 Radiation | |
| Pérez-Saiz et al. | Spectral distribution of light under different structures and cover materials employed in Mediterranean greenhouses | |
| Petre et al. | EFFECTS OF THE USE OF LED LIGHTING IN GREENHOUSES | |
| Yoon et al. | Evaluation of the spectral properties and the effect on photosynthetic efficiency of spectrum conversion films |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination |