Development of Quantification Method for Spectral Perception of Plants

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Although plant responses to artificial lighting spectra often produce abnormal morphogenesis and reduced productivity, no quantification method to determine how plants perceive and respond to light has been available. The objective of this study was to test whether the spectral perception of plants can be quantified using the light absorption of its major photoreceptors, phytochrome, cryptochrome, and phototropin. An artificial solar lamp and three different light sources were developed based on a high-pressure sodium lamp, a fluorescent lamp, and red and blue light-emitting diodes, whose absorption by photoreceptors was equal to that of the standard solar spectrum. Cucumber plants grown under the artificial solar and developed light sources showed normal photomorphogenesis and were indistinguishable from each other. Plants grown under unmodified commercial light sources had abnormal photomorphogenesis that made them short and small. The photosynthetic rate was higher under the unmodified light sources; however, dry masses were highest under the artificial solar and modified light sources, indicating that the cucumber plants are optimized to the solar spectrum. Our results clearly demonstrate that the spectral perceptions of plants can be quantified using the light absorption of their photoreceptors, not visual color or spectra. It is expected that our findings will contribute to a better understanding of plant perceptions of and responses to light quality, and improve the productivity of plants cultivated under artificial light.

국문 초록 (Abstract)

인공 광원의 스펙트럼에 대한 식물 반응은 때때로 비정상적인 형태 형성을 일으키고 생산성을 감소시키지만, 지금까지 식물이 빛을 인식하고 반응하는 방법을 정량화할 수 없었다. 본 연구의 목표는 식물의 주요 광 수용체인 파이토크롬, 크립토크롬, 포토트로핀의 광 흡수를 이용하여 식물의 스펙트럼 인식을 정량화 할 수 있는지 테스트하는 것이다. 본 연구를 위하여 고압나트륨 램프, 형광 램프, 적색 및 청색 LED를 이용하여 광 수용체에 의한 광 흡수가 표준 태양스펙트럼과 유사 태양광과 기존 광원을 수정한 3종류의 조합 광원을 제작하였다. 유사 태양광과 수정된 광원에서 재배된 오이 작물의 광 형태형상은 유사하게 나타났지만, 수정되지 않은 광원 하에서 재배된 작물은 초장이 짧고 크기가 작았다. 광합성 속도는 수정되지 않은 광원에서 더 높았다. 그러나 건물중은 유사 태양광과 및 수정된 광원에서 가장 높았으며 이는 오이 작물이 태양스펙트럼에 최적화되었음을 나타낸다. 본 연구 결과는 식물의 스펙트럼 인식이 시각적 색상이나 스펙트럼이 아닌 광 수용체의 광 흡수를 이용하여 정량화 될 수 있음을 나타내었다. 본 연구 결과가 광질에 대한 식물의 인식과 반응을 더 잘 이해하고 인공 광원 하에서 재배되는 식물의 생산성을 향상시키는 데 기여할 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• INTRODUCTION 6
• MATERIALS AND METHODS 9
• RESULTS 16
• DISCUSSION 26
• CONCLUSION 38
• LITERATURE CITED 39
• APPENDIX 50
• ABSTRACT IN KOREAN 51