Auswirkungen des gesamten Tageslichtintegrals aus Blau und Breit

Aug 23, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7175 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Der derzeitige Indoor-Anbau von Safran (Crocus sativus L.) hängt nur von der Erfahrung mit der künstlichen Pflanzung ab, so dass die Blütenzahl und der Narbenertrag bei bewölkten oder regnerischen Tagen und Temperaturschwankungen stark beeinträchtigt werden. In dieser Studie wurde eine Leuchte mit einer 10-stündigen Photoperiode verwendet, die blaue 450-nm-LEDs mit breitbandigen roten 660-nm-LEDs kombinierte, die jeweils eine Halbwertsbreite (FWHM) von 15 nm und 85 nm im Verhältnis von Blau aufwiesen : Rot: Fernrotes Licht = 20 %: 62 %: 18 %. Der Einfluss des Total Daily Light Integrals (TDLI) auf die Blüteneigenschaften, die Narbenqualität sowie die morphologischen Eigenschaften der Blätter wurde bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Blütenzahl, der tägliche Blütenanteil, das Trockengewicht der Narben und der Crocetinestergehalt signifikant mit dem TDLI korrelierten (P < 0,01). Der zunehmende TDLI konnte die Blattbreite und die Blattfläche jenseits der Knospen leicht fördern, hatte jedoch keinen signifikanten Einfluss auf die Knospen- und Blattlänge. Sowohl die durchschnittliche Blütenzahl pro Knolle als auch der Ertrag an getrockneten Narben waren unter der Behandlung mit 150 mol m-2 TDLI am höchsten und erreichten 3,63 bzw. 24,19 mg. Ersteres war 0,7 % höher als bei der ursprünglichen Behandlung mit natürlichem Licht, während letzteres 50 % höher war. Insgesamt war die Kombination von blauen LEDs mit breitbandigen roten LEDs von 150 mol m-2 TDLI die günstigste Bedingung für die Blütenzahl und die Narbenqualität von Safran in dieser Studie.

Safran (Crocus sativus L.), ein Mitglied der großen Familie Iridaceae, ist bekannt für seine Verwendung in Gewürzen, Farbstoffen, Parfüms und Kräutermedizin1,2,3,4,5. Mittlerweile wird es in Italien, Spanien, Griechenland, Iran, Indien und Afghanistan usw. angebaut5,6,7. Nach seiner Einführung in China wird Safran hauptsächlich im Jangtse-Delta mit einer speziellen saisonalen Anbaumethode angebaut. Aufgrund der hohen Temperaturen und Luftfeuchtigkeit im Sommer in dieser Region wird Safran zur klonalen Vermehrung von Ende November des ersten Jahres bis Anfang Mai des zweiten Jahres im Freien angebaut und zur Blüte von Ende Mai bis Anfang November in Innenräumen gepflegt8,9. Es besteht ein erhöhtes Interesse an biologischen Wirkungen und potenziellen medizinischen Anwendungen der langen scharlachroten Narben von Safran, insbesondere bei Menstruationsstörungen, metabolischem Syndrom, Anti-Depression, Anti-Krebs und Anti-Tumor-Bereich10,11,12.

Allerdings ist der jährliche Ertrag an Safrannarben sehr gering, was zu einem knappen Angebot und hohen Preisen auf dem Markt führt6,7,13. Dafür gibt es zwei entscheidende Gründe: (1) Safran ist nur auf klonale Knollenvermehrung angewiesen, und eine niedrige Reproduktionsrate führt dazu, dass es schwierig ist, qualitativ hochwertige Knollen für die Vermehrung zu erhalten4,14, (2) Der Indoor-Anbau von Safran hängt hauptsächlich von künstlichen Erfahrungen ab und ist daher unkontrollierbar Umweltbedingungen verschlimmern das Phänomen einer geringeren oder gar keiner Blüte der Knollen und einer schlechten Narbenernte zusätzlich. Unter den Umweltfaktoren ist Licht eine der wichtigsten Variablen, die das Pflanzenwachstum und die Blüte beeinflussen15. Um die oben genannten Probleme zu lösen, wurden mehrere Untersuchungen zu den Auswirkungen des Lichtspektrums, der Lichtintensität und der Photoperiode auf die Knollenvermehrung und die Safranblüte durchgeführt.

Moradi et al.16 untersuchten die Auswirkungen unterschiedlicher Verhältnisse von rotem und blauem Licht (einschließlich 100 %, 75 %, 50 %, 40 %, 25 % und 0 % blaues Licht) auf die Photosyntheseleistung, die Biomasseverteilung sowie morphologische und biochemische Eigenschaften von Safran und kamen zu dem Schluss, dass eine Erhöhung des Blau-zu-Rot-Verhältnisses die Produktion hochwertiger Tochterknollen verbessern und die Verteilung der Biomasse auf die erntbaren Organe (Knollen und Blüten) im Safran verändern kann. Zhu et al.17 fanden heraus, dass monochromatisches rotes LED-Licht das Safranwachstum und die fortgeschrittene Blüte förderte und das Gesamttrockengewicht der Stigma und die Crocinproduktion verbesserte. Kajikawa et al.18 fanden heraus, dass es keinen signifikanten Unterschied in der Sprosslänge, dem maximalen Durchmesser, dem Gewicht und der Narbenausbeute von Tochterknollen gab, wenn sie mit zwei Verhältnissen von Rotlicht und Fernrotlicht (R/FR = 15,8 und R/FR) bestrahlt wurden = 1,8), es gab jedoch einen signifikanten Unterschied in der Absorption von Crocetin-Lösungen. Es wurde angenommen, dass ein niedrigeres R/FR-Verhältnis im Stadium der Entwicklung der Tochterknollen zu einem Anstieg des Crocetins führen könnte. Die beiden oben genannten Safranstudien lieferten keine Ergebnisse zu Safranblättern. Unter zusätzlicher Beleuchtung haben Ji et al.8 die spektralen Reaktionskurven von Safranblättern gemessen und festgestellt, dass die Spitzenwellenlängen des zusätzlichen Beleuchtungsspektrums bei 480 nm und 660 nm liegen sollten, was der mechanischen Analyse des Spektrums der Biomasseakkumulation zugute kommen würde. Was die photosynthetischen Eigenschaften angeht, zeigten Renau-Morata et al.4, dass die Photosyntheserate das ganze Jahr über konstant sehr hoch war (26 μmol m−2 s−1), bei den größten Knollen jedoch reduziert war. Unterdessen wurden die Tochterknollen vor allem durch die Photosynthese in den Blättern unterstützt, die 90 % der Biomasseanreicherung in den Organen des Safrans ausmachte. Koocheki et al.19 zeigten, dass Licht- und Temperaturbedingungen einen signifikanten Einfluss auf die Länge des Auflaufens der oberirdischen Teile, die oberirdische Trockenmasse, die Blattfläche und die Anzahl der aktiven Triebe auf Safranknollen hatten, und dass eine Erhöhung der Photoperiode von 6,5 auf 16 Stunden all diese Faktoren erhöhte Komponenten. Dennoch blühten nur 33 % der Knollen, wenn die Knollen unter Lichtbedingungen von 16 Stunden/8 Stunden (hell/dunkel) standen, verglichen mit 75 % bei Knollen, die unter natürlichen Bedingungen standen, während die Knollen unter Lichtbedingungen von 6,5 Stunden/5,5 Stunden standen (hell/dunkel) blühte nicht. Zhu et al.20 fanden heraus, dass das Trockengewicht pro Narbe unter einer 10-Stunden-/14-Stunden-Behandlung am höchsten war, mit einem signifikanten Unterschied zur 14-Stunden-/10-Stunden-Behandlung (P < 0,05) mit einem Knollengewicht von 20–25 g.

Aus den oben genannten Studien ist es schwierig, eine sichere quantitative Schlussfolgerung darüber zu ziehen, wie sich Licht auf die Blüten und Knollen von Safran auswirkt, und zwar aufgrund unterschiedlicher Knollenherkünfte, Mutterknollengrößen, Pflanzbedingungen, Anbaumethoden, geografischer und klimatischer Merkmale und experimenteller Umgebungen5,6, 7,21,22. Weitere Untersuchungen zur künstlichen Beleuchtung von Safran sind erforderlich. Darüber hinaus sollten Safran- und Knollenproduktion als zwei unterschiedliche Produktionsprozesse betrachtet werden, da die Wachstumsbedingungen, die den Ertrag an Knollen und Narben maximieren, unterschiedlich sind. Während im Allgemeinen die Kombination von blauem und rotem Licht als empfohlene Lichtbedingungen angesehen wird, gibt es einige Unterschiede im spezifischen Spektralverhältnis, der Photoperiode und der Lichtintensität.

Die Auswirkung des Total Daily Light Integrals (TDLI) künstlicher Beleuchtung auf das Safranwachstum wurde bisher nicht untersucht. Das Ziel der vorliegenden Studie besteht darin, ein bestimmtes Verhältnis von gemischtem blauem und rotem Licht zu verwenden und den Einfluss verschiedener TDLI auf die Safranblüte, die Narbenqualität und die Knollenblätter in Innenräumen zu charakterisieren, um eine richtungsweisende Richtung für Verbesserungen des Narbenertrags vorzugeben.

Safranknollen wurden von der Insel Chongming (Breitengrad 121° 40′ N, Längengrad 31° 62′ E, Shanghai, China) gewonnen. Die Knollen wurden Mitte Mai 2021 vom Feld geerntet, getrocknet und sterilisiert und dann zur Dunkelheitslagerung ins Haus gebracht. Während dieser Zeit gingen die Knollen in den Ruhezustand über. Die durchschnittliche Innentemperatur wurde auf 28 °C eingestellt und die durchschnittliche Luftfeuchtigkeit auf 60–80 % geregelt. Nachdem die Knospen ihre Differenzierung beschleunigten und Mitte und Ende September in die Blütenentwicklungsphase eintraten, wurden Knollen mit einem Trockengewicht von 18 ± 1 g manuell ausgewählt und in Schalen (0,9 m × 0,6 m und 0,05 m Höhe) ohne Erde gelegt Substrat. Es wurden 200 Knollen verarbeitet, darunter drei Replikate als Behandlung. Der Auswahlbereich des Trockengewichts dieser Knollen entsprach dem Normalverteilungsprinzip. Der Erwerb von Safranknollen und die Vorbereitung vor den Experimenten waren weitgehend die gleichen wie bei den von Wang et al.9 beschriebenen experimentellen Methoden.9 Am 25. September wurden die Knollen in ein Indoor-Kultivierungslabor mit 30 m2 Fläche und 3 m Höhe überführt und künstlicher Bestrahlung ausgesetzt Licht, natürliches Licht oder Dunkelheit für Behandlungen vom 26. September bis zur Blüte, wie in Abb. 1 dargestellt.

Lichtexpositionstage für jede Behandlung.

Es gab insgesamt elf Behandlungen für Knollen, darunter neun Behandlungen mit künstlichem Licht, eine ursprüngliche Behandlung mit natürlichem Licht und eine Kontrollbehandlung mit dunklem Licht. Sie wurden alle auf der gleichen Höhe des Kulturregals im Labor platziert und mit nicht reflektierenden schwarzen Tüchern getrennt, um Interferenzen zwischen den Behandlungen zu vermeiden. Die mit künstlichem Licht behandelten Knollen wurden nur 40 cm über den Schalen mit einer Kombination aus blauem und rotem Licht bestrahlt. Die Knollen in der ursprünglichen Behandlung mit natürlichem Licht wurden natürlichem Licht in der Nähe des Fensters ausgesetzt, was mit den Bedingungen der Behandlung ohne Verschattung im ursprünglichen Indoor-Anbau übereinstimmte. Der Rest der Knollen in der Kontrollbehandlung wurde im Schatten und im Dunkeln kultiviert. Die durchschnittliche Temperatur im Labor wurde auf 18 °C gehalten und die durchschnittliche Luftfeuchtigkeit auf 70 % eingestellt. Um eine gleichmäßige Luft zu gewährleisten, wurde während der Experimente ein Luftzirkulationssystem eingesetzt. Bis auf die Lichtverhältnisse blieben die übrigen Umgebungsbedingungen gleich.

Neun Leuchten wurden unabhängig voneinander an eine einzelne Schichtgröße des Indoor-Kulturregals angepasst. Jede Leuchte verwendete vier blaue und vier rote PA-LED-Module (Planar Array Light Emitting Diode). Jedes PA-LED-Modul bestand aus 360 blauen LED-Flip-Chips mit einer Nennleistung von 0,2 W, einer Spitzenwellenlänge von 450 nm und einer Halbwertsbreite (FWHM) von 15 nm. Die LED-Chips wurden gleichmäßig auf eine keramische Leiterplatte (PCB) geschweißt und durch eine Silikonbeschichtung direkt zu einem blauen PA-LED-Modul verarbeitet. Die zusätzlichen roten PA-LED-Module wurden durch Blue-Chips-Beschichtung mit einer Mischung aus Silikon und rotem Leuchtstoffpulver hergestellt, die eine Spitzenwellenlänge von 660 nm und eine FWHM von 85 nm aufweist. Der rote Leuchtstoff kann das von den LED-Chips emittierte blaue Licht vollständig absorbieren. Alle Leuchten hatten eine Größe von 900 mm L × 600 mm B und waren an einen Dimmcontroller angeschlossen, der die Lichtleistung der blauen und roten PA-LED-Module regeln konnte. Auf der Rückseite der PA-LED-Module wurden wassergekühlte Strahler installiert, um die von den Modulen erzeugte Wärme rechtzeitig abzuleiten und zu verhindern, dass hohe Temperaturen die Entwicklung und Blüte der Knollen beeinträchtigen. Bei neun Behandlungen mit künstlichem Licht wurden unterschiedliche Bestrahlungstage (siehe Abb. 1) und unterschiedliche Gesamttageslichtintegrale (TDLI) (siehe Tabelle 1) durchgeführt. Es wurde die gleiche Photoperiode von 10 Stunden Licht und 14 Stunden Dunkelheit mit einem Durchschnitt eingestellt photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD) von 100 μmol m−2 s−1, basierend auf den Ergebnissen von Zhu et al.20 Die PPFD wurde an 24 Stellen in den Schalen mit einem Lichtanalysator für Pflanzen (PLA-20, EVERFINE, Die Messergebnisse sind in Abb. 2 dargestellt. Der gemessene durchschnittliche PPFD-Wert betrug 100,1 μmol m−2 s−1 und die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung betrug 0,83, was der von Radetsky23 empfohlenen Gleichmäßigkeit über 0,7 entspricht. Es war erwähnenswert, dass die roten PA-LED-Module ein breites Spektrum von 600 bis 800 nm ausstrahlen konnten, sodass rotes Licht in dieser Studie tatsächlich auch eine kleine Menge an tiefrotem Licht (700–800 nm) enthielt. Das Verhältnis von B:R:FR = 20 %:62 %:18 % wurde in den Experimenten kontrolliert und ihre relativen Spektralverteilungen sind in Abb. 3 dargestellt. Das Verhältnis bezog sich auf das von Ji et al.8 und Zhu empfohlene Verhältnis et al.17.

PPFD-Werte von 24 Stellen auf den Tabletts unter künstlicher Lichtbehandlung mit einem durchschnittlichen PPFD von 100,1 μmol m−2 s−1 und einer Beleuchtungsgleichmäßigkeit von 0,83.

Spektren verschiedener künstlicher Lichtbehandlungen und ursprünglicher natürlicher Lichtbehandlungen.

Während des Versuchszeitraums wurde die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) des natürlichen Lichts alle 10 Minuten von einer winzigen meteorologischen Station (YG-GF, YIGU, China) aufgezeichnet, die sich außerhalb des Labors ohne Schutz befand. Und der tägliche PAR im Freien ist in Abb. 4 dargestellt. Außerdem wurde an einem sonnigen Mittag der durchschnittliche PPFD in den Schalen mit dem Lichtanalysator für Pflanzen (PLA-20, EVERFINE, China) unter der Behandlung mit natürlichem Licht gemessen. Dann könnte das Verhältnis von Innen-PPFD (μmol m−2 s−1) und Außen-PAR (W m−2) gleichzeitig berechnet werden. Dann wurde das tägliche Innenlichtintegral (DLI) berechnet, das die Knollen bei der Behandlung mit natürlichem Licht erhielten, wie in Abb. 4 dargestellt. Das TDLI aus der Behandlung mit natürlichem Licht während des Versuchszeitraums wurde ermittelt und in Tabelle 1 aufgeführt.

Täglich PAR im Freien () und DLI auf den Tabletts im Innenbereich () unter natürlicher Lichtbehandlung.

Safranknollen verschiedener Behandlungen wurden Anfang November im Labor nacheinander zum Blühen gebracht. Frische Blüten wurden 10 mm unterhalb der Blütenblätter von Hand gepflückt, gezählt und aufgezeichnet, und dann wurden frische Narben manuell zum Zählen und Protokollieren abgetrennt. Das frische Stigma wurde 40 Minuten lang bei 65 °C in einem Lufttrockenofen (DHG-9080A, HUITAI, China) getrocknet, um trockenes Stigma zu erhalten. Das Blütenfrischgewicht (FW), das Narbenfrischgewicht (FW) und das Trockengewicht (DW) wurden jeweils dreimal mit einer elektronischen Waage (HC3204, HOCHOICE, China) gemessen. Die trockenen Narben wurden in geschlossenen Glasbehältern aufbewahrt und bis zur qualitativen Analyse im Dunkeln aufbewahrt. Die Trocknungsbedingungen frischer Narben und die Messmethoden für Frischgewicht oder Trockengewicht folgen der von Zhu et al.17 beschriebenen Methodik. Der Gesamtgehalt an Crocetinestern (einschließlich Crocetin-I(C44H64O24) und Crocetin-II(C38H54O19)) nicht weniger als 10,0 % betragen, wurden durch Spektrophotometrie gemäß der zuvor in Koocheki et al.1 verwendeten Norm ISO 3632-1-2011 bestimmt. Die Bestimmung wurde dem technischen Testzentrum von Shanghai Traditional Chinese Medicine Co., Ltd. anvertraut. und alle Analysen wurden dreifach durchgeführt.

Am Ende der Blütezeit wurden bei jeder Behandlung fünfzehn Knollen zufällig pro Wiederholung ausgewählt, um die morphologischen Eigenschaften der Knollenblätter, einschließlich Blattlänge, Blattbreite und Knospenlänge, zu ermitteln. Die Blattlänge wurde von der Spitze des längsten Blattes bis zur Basis der Endknospe der Knolle gemessen. Die Blattbreite wurde ab der Mittelposition des längsten Blattes gemessen. Die Knospenlänge wurde ebenfalls von der Spitze der grauen Hülle bis zur Basis der Endknolle der Knolle gemessen. Dann könnte die Blattfläche jenseits der Knospe anhand der Blattbreite und -länge unter Freilegung der Endknospe berechnet werden, was sich auf die grüne Blattfläche außerhalb der grauen Hülle der Endknospe bezog.

Eine Pearson-Korrelation (P = 0,01, 0,05) wurde durchgeführt, um die Beziehung zwischen TDLI und Blüten-, Stigma- und Blattparametern mithilfe der IBM SPSS Statistics-Software (Version 25, USA) zu identifizieren. Eine einfache Liner-Regression wurde durchgeführt, um die quantitative Reaktion auf einen steigenden TDLI zu analysieren. Unterschiede zwischen den Mittelwerten der Blattparameter wurden durch eine einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA) und den Duncan-Mehrfachvergleichstest mit einer Signifikanz definiert bei P ≤ 0,05 bestimmt.

Es wurde eine signifikante Korrelation (P = 0,002 < 0,01) zwischen der Blütenzahl pro Knolle und dem TDLI von blauem und rotem Licht bei Behandlungen mit künstlichem Licht beobachtet (Abb. 5a). Die Blütenzahl pro Knolle stieg linear um 73,7 %, wobei der TDLI von 79 auf 166 mol m−2 anstieg. Daraus kann geschlossen werden, dass jeder Spross der Knollen eine erhöhte Wahrscheinlichkeit hatte, zwei Blüten zu produzieren, wenn der TDLI durch blaue und rote Strahlung zunimmt. Mit Ausnahme der TDLI-Behandlung mit 79 mol m-2 war die durchschnittliche Blütenzahl pro Knolle unter anderen Behandlungen mit künstlichem Licht höher als unter der ursprünglichen Behandlung mit natürlichem Licht, mit maximal 0,75 Blüten mehr. Außerdem blühte eine einzelne Knolle unter kontrollierter Dunkelbehandlung im Durchschnitt nur mit 0,19 Blüten, und das Blühen kann durch das Einschalten der Lampe bei der Beobachtung des Wachstumszustands der Knollen verursacht werden.

(a) Blütenanzahl pro Knolle, (b) Frischgewicht (FW) pro Blüte, (c) Gesamttrockengewicht der Narbe, (d) Trockengewicht pro Narbe, (e) Gehalt an Crocetinestern (enthält Crocetin-I und Crocetin). -II) und (f) Gesamt-Crocetinester unter unterschiedlichem Kunstlicht (), ursprünglichem natürlichem Licht () sowie Kontroll-Dunkelbehandlungen (). Mittelwerte ± SE (200 Replikatpflanzen). Die gestrichelte Linie stellt eine signifikante lineare Regression innerhalb jeder Behandlung mit künstlichem Licht dar. ** und * sind bei einem Wahrscheinlichkeitsniveau von 1 % bzw. 5 % signifikant.

Die Knollenblüte wurde bei jeder Behandlung konzentriert beobachtet, die mit Ausnahme der Kontroll-Dunkelbehandlung 5 Tage anhielt. Die täglichen Blütenzahlen wurden erfasst und durch die Gesamtblütenzahl dividiert (Abb. 6). Es war klar, dass der Blühanteil in den ersten beiden Tagen eine positive Korrelation (r = 0,730, P = 0,025 < 0,05) mit dem TDLI von blauem und rotem Licht aufwies. Der Blühanteil war unter TDLI 155 und 166 mol m-2 größer, 193 % bzw. 180 % desjenigen von TDLI 90 mol m-2 in den ersten beiden Tagen. Am 4. Tag blühte eine große Anzahl von Blüten, was bei jeder Behandlung einen hohen Prozentsatz ausmachte, mit Ausnahme der Kontroll-Dunkelbehandlung. Der Anteil der Blüte nahm deutlich ab, als der TDLI von blauem und rotem Licht am fünften Tag zunahm (r = 0,836, P = 0,005 < 0,01). Unter TDLI 166 mol m-2 gab es an diesem Tag nur einen Blühanteil von 3,8 %, verglichen mit 33,7 % unter TDLI 79 mol m-2. Darüber hinaus war die Blütedauer bei der ursprünglichen Behandlung mit natürlichem Licht dieselbe wie bei allen Behandlungen mit künstlichem Licht, der Blütenanteil in den letzten beiden Tagen betrug jedoch 80 %. Die mit Dunkelheit behandelten Knollen verzögerten die Blüte um 3 Tage, was durch Störungen beim Einschalten der Lampen während der Beobachtung verursacht werden kann.

Täglicher Blühanteil der Safranknolle unter unterschiedlichem Kunstlicht, ursprünglichem Naturlicht sowie kontrollierter Dunkelbehandlung. Da bei wenigen Behandlungen am ersten Tag weniger als 1 % der Gesamtblütenzahl ausfiel, war der Blühanteil in den ersten beiden Tagen gleich.

Der FW pro Blume unter der ursprünglichen Behandlung mit natürlichem Licht war am höchsten und betrug 139 % des minimalen FW pro Blume unter der Behandlung mit künstlichem Licht (Abb. 5b). Der FW pro Blume unterschied sich bei jeder Behandlung mit künstlichem Licht kaum, es bestand jedoch immer noch eine positive Korrelation (P = 0,017 < 0,05) zwischen dem FW pro Blume und dem TDLI von blauem und rotem Licht. Darüber hinaus war die FW pro Blüte bei der Kontroll-Dunkelbehandlung ähnlich wie bei der Behandlung mit künstlichem Licht, was die Vermutung weiter bestätigte, dass eine geringe Menge an Blüte durch Interferenz verursacht wurde.

Die gesamte Stigma-DW in jedem Tablett nahm mit zunehmendem TDLI von blauem und rotem Licht zu (P = 0,000 <0,01, Abb. 5c). Dieser Trend ähnelte der Blütenanzahl, unterschied sich jedoch von der Blüten-FW. Knollen hatten eine Steigerung der Trockennarbenausbeute um bis zu 96 %, als TDLI von 79 auf 166 mol m-2. Mit Ausnahme der TDLI-Behandlung mit 79 mol m-2 war die Gesamt-Stigma-DW unter anderen Behandlungen mit künstlichem Licht höher als unter der ursprünglichen Behandlung mit natürlichem Licht. Darüber hinaus blühte nur ein kleiner Teil der Knollen im Dunkeln, so dass der Gesamtertrag an Narben sehr niedrig war und nahe bei 0 mg lag.

Der Ertrag pro Narbe bezieht sich nicht nur auf den Gesamtertrag der Narbe, sondern auch auf die Anzahl der Blüten. Daher muss auch der DW pro Narbe analysiert werden. Der DW pro Stigma stieg mit der Zunahme des kombinierten blauen und roten TDLI-Lichts unter künstlicher Lichtbehandlung (P = 0,005 < 0,01) auf bis zu 6,97 mg bei TDLI 144 mol m-2, was dem 1,24-fachen des Werts unter ursprünglicher natürlicher Lichtbehandlung entspricht (Abb. 5d). Darüber hinaus war der DW pro Stigma unter der ursprünglichen Behandlung mit natürlichem Licht geringer als bei allen Behandlungen mit künstlichem Licht, während der DW unter der Kontroll-Dunkelbehandlung nahe an dem unter der minimalen TDLI-Behandlung durch Bestrahlung mit blauem und rotem Licht lag.

Der Crocetinester-Gehalt der trockenen Stigmatisierung zeigte mit der Erhöhung des TDLI durch die Kombination von blauem und rotem Licht einen leicht steigenden Trend, es bestand jedoch immer noch eine signifikante Korrelation (P = 0,007 < 0,01, Abb. 5e), die alle die Warenanforderungen von über 10,0 erfüllte %. Die mit den Behandlungen TDLI 155 und 166 mol m-2 bestrahlten Knollen hatten einen um 1,9 % bzw. 0,9 % höheren Crocetinestergehalt als Knollen unter der ursprünglichen Behandlung mit natürlichem Licht, es gab jedoch kaum einen Unterschied zwischen der ursprünglichen Behandlung mit natürlichem Licht und anderen Behandlungen mit künstlichem Licht. Knollen unter Kontroll-Dunkelbehandlung zeigten aufgrund experimenteller Interferenzen eine geringe Blüte, wodurch der Crocetinestergehalt nahe an dem unter mehreren Behandlungen mit künstlichem Licht lag.

Die gesamten Crocetinester folgten bei jeder Behandlung dem Trend der gesamten Stigma-DW. Die gesamten Crocetinester bei Behandlungen mit künstlichem Licht zeigten eine signifikante Liner-Reaktion auf den TDLI von blauem und rotem Licht (P = 0,000 < 0,01, Abb. 5f), was darauf hindeutet, dass die Zugabe von TDLI die gesamten Crocetinester von Safran in jeder Schale erhöhte. Im Vergleich zur ursprünglichen Behandlung mit natürlichem Licht können die Knollen in jeder Schale mehr Gesamt-Crocetinester von bis zu 394,2 mg erhalten, wenn der durch die Kombination von rotem und blauem Licht erhaltene TDLI größer als 100,8 mol m-2 war. Knollen im Dunkeln hatten aufgrund der wenigen Blüten wenig Gesamt-Crocetinester.

Der Wachstumsstatus und die morphologischen Eigenschaften von Trieben und Blättern unter kontrollierter Dunkelbehandlung zeigten einen signifikanten Unterschied im Vergleich zu denen unter natürlicher und künstlicher Lichtbehandlung (Abb. 7). Alle Blätter im Dunkeln waren von der grauen Triebhülle umhüllt und nicht freigelegt, wodurch sie einen gelben Zustand ohne Photosynthese zeigten. Die Pflanzen hatten sehr lange Triebe, die 119 % länger waren als das Minimum bei künstlicher Lichtbehandlung. Außerdem hatten die Knollen im Dunkeln sehr lange Blätter von 15,56 cm, was dem 1,4-fachen des Minimums bei Behandlungen mit künstlichem Licht entsprach. Im Gegensatz dazu hatten die Knollen unter Kontroll-Dunkelbehandlung das schmalste Blatt von 1,21 mm, was 77 % des Maximums bei Behandlungen mit künstlichem Licht entsprach (Abb. 8a). Es wurde darauf hingewiesen, dass der Großteil der von Safranknollen bereitgestellten Nährstoffe für das Wachstum von Trieben und Blättern bei Lichtmangel genutzt wurde. Darüber hinaus ähnelte die Morphologie der Triebe und Blätter unter der ursprünglichen Behandlung mit natürlichem Licht der unter Behandlung mit künstlichem Licht. Alle Blätter schossen aus der grauen Triebhülle hervor und gaben einige grüne Blätter frei. Die Blattlänge war bei der ursprünglichen Behandlung mit natürlichem Licht länger als bei der Behandlung mit künstlichem Licht und betrug bis zu 13,43 cm, es gab jedoch keinen großen Unterschied in der Blattbreite (Abb. 7, 8a). Darüber hinaus wurden bei allen künstlichen Lichtbehandlungen keine signifikanten Unterschiede in der Knospen- und Blattlänge festgestellt (P = 0,186, 0,551).

Knospenlänge () und Blattlänge () unter unterschiedlichem künstlichem Licht, ursprünglichem natürlichem Licht sowie kontrollierten dunklen Behandlungen. Mittelwerte ± SE (15 Replikatpflanzen). Unterschiedliche Buchstaben in jeder Behandlung weisen auf signifikante Unterschiede basierend auf dem Duncan-Test hin (P ≤ 0,05).

(a) Blattbreite und (b) Blattfläche jenseits der Blütenknospe unter unterschiedlichem künstlichem Licht (), ursprünglichem natürlichem Licht () sowie dunklen Kontrollbehandlungen (). Mittelwerte ± SE (15 Replikatpflanzen). Unterschiedliche Buchstaben in jeder Behandlung weisen auf signifikante Unterschiede basierend auf dem Duncan-Test hin (P ≤ 0,05). Die gestrichelte Linie stellt eine signifikante lineare Regression innerhalb jeder Behandlung mit künstlichem Licht dar. ** und * sind bei einem Wahrscheinlichkeitsniveau von 1 % bzw. 5 % signifikant.

Der TDLI der Kombination von blauem und rotem Licht korrelierte positiv mit der Blattbreite der Knollen (P = 0,004 < 0,01, Abb. 8a). Es gab eine langsame Zunahmetendenz der Blattbreite mit TDLI (r2 = 0,710). Die Blätter unter der TDLI-Behandlung mit 166 mol m-2 waren mit bis zu 1,57 mm am breitesten, aber nur eine geringfügige Veränderung von 8 % im Vergleich zu denen unter der TDLI-Behandlung mit 79 mol m-2. Es gab keine signifikanten Unterschiede in der Blattbreite zwischen künstlichem Licht und der Behandlung mit natürlichem Licht.

Da ein Teil der Blattfläche an der Knollenbasis von der grauen Triebhülle bedeckt war, wurde die Blattfläche jenseits der Knospe berechnet, um die Blattphotosynthese weiter zu untersuchen. Die Blattfläche jenseits der Knospe wurde durch den Anstieg des TDLI von blauem und rotem Licht positiv beeinflusst (P = 0,015 < 0,05) (Abb. 8b), was darauf hindeutet, dass TDLI das Ausmaß beeinflusste, in dem Blätter aus der grauen Hülle der Triebe herausstürmten. Bei Knollen mit einem TDLI von weniger als 90 mol m-2 wurde eine geringe Blattfläche über die Knospe hinaus beobachtet. Die der TDLI-Behandlung mit 166 mol/m² ausgesetzte Blattfläche betrug 46,73 mm² und war damit 1,8-mal so groß wie bei der TDLI-Behandlung mit 79 mol/m². Darüber hinaus war die größte Blattfläche jenseits der Knospe unter der ursprünglichen Behandlung mit natürlichem Licht, bis zu 50,64 mm2, etwa doppelt so groß wie bei der TDLI-Behandlung mit 79 mol m-2. Es ist zu beachten, dass die Blätter unter der Dunkelheit keine Triebe freilegten, weshalb die Daten in Abb. 8b nicht angezeigt wurden.

Unseres Wissens nach gab es bisher nur wenige Studien, in denen die Wirkung künstlicher Beleuchtung auf Safranknollen in Innenräumen untersucht wurde, ohne dass sie mit Erde1,4,6,24, Sand5, Nährlösung13 und anderen Substraten16,22 angebaut wurden. Unsere Ergebnisse zu Blüte und Blättern hingegen schon ähnlich denen, die für andere Pflanzen beschrieben wurden. Die Pflanzenblüte ist ein komplexes Phänomen, bei dem die Dauer der Blütenbildung, die Blütenanzahl und die Blütengröße insbesondere durch die photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD), die Lichtdauer und das Lichtspektrum reguliert werden25. Es wurde bestätigt, dass eine Erhöhung des täglichen Lichtintegrals (DLI), entweder durch Erhöhung des PPFD bei gleicher Photoperiode oder durch Verlängerung der Photoperiode bei gleichem PPFD, das Wachstum und die Blüte von Alpenveilchen förderte26. Lee et al.27 zeigten, dass ein zunehmender DLI die Blüteninitiierung und die Anzahl der Blütenstände förderte und das Wachstum von Phalaenopsis-Pflanzen beschleunigte. Llewellyn et al.28 berichteten, dass die kumulative Blütenproduktion mit zunehmendem DLI linear zunahm und eine Verdoppelung des gesamten DLI von 6 auf 12 mol m−2 d−1 durch die Bereitstellung zusätzlicher PAR von LEDs die Anzahl der produzierten Blüten um jeweils neun Blüten erhöhen könnte 'Panama'-Pflanze.

In der vorliegenden Studie steigerte der Anstieg des TDLI durch blaues und rotes Licht die Blütenzahl deutlich und beeinflusste auch die Blütedauer (Abb. 5a, 6). Die Knollen unter dem 79 mol m-2 TDLI hatten die geringste Anzahl an Blüten, nur 2,09 pro Knolle, was deutlich niedriger war als unter anderen Behandlungen mit künstlichem Licht. Meistens gibt es einen Schwellenwert zwischen 79 und 90 mol m−2 TDLI, ab dem die Blütenzahl deutlich ansteigt. Die Blüten unter der Behandlung mit natürlichem Licht hatten die größte FW (Abb. 5b), aber die Blütenzahl pro Knolle war nur größer als unter der TDLI-Behandlung mit 79 mol m-2 (Abb. 5a). Aus Sicht der Blütenzahl wird daher, sobald der durch die Kombination von rotem und blauem Licht erhaltene TDLI 90 mol m-2 überschreitet, die ursprüngliche Behandlung mit natürlichem Licht in Innenräumen wahrscheinlich ersetzt.

Es wurde berichtet, dass die Knollengröße eine wichtige Rolle bei der Erzielung eines optimalen Safranertrags spielt. Je schwerer die Mutterknollen sind, desto höher ist der Prozentsatz an Blütenbildung und der Safranertrag3,29. Khorramdel et al.24 zeigten, dass 5–10 g Mutterknollen und eine Konzentration von 15 % Blattdünger die günstigsten Bedingungen waren, um die höchste Blütenzahl (38,63 m−2) zu erreichen. Beim Vergleich mittelgroßer Mutterknollen mit kleinen Mutterknollen war ein Anstieg der Gesamtblütenzahl an Safran pro Quadratmeter zu verzeichnen24,30. Cardone et al.31 berichteten, dass die im jährlichen Erntezyklus gepflanzten Knollen mit einer Größe von 3,6–4,5 cm und einem Durchschnittsgewicht von 25 g das höchste Trockengewicht an Narben produzierten (7,4 mg). In der vorliegenden Studie hing die Entwicklung und Blüte der Knollen nur von der Regulierung von Umweltfaktoren während des Indoor-Anbaus ab, die sich von den oben beschriebenen unterschieden, die Erde, Wasser, Dünger usw. erforderten. Daher waren Entstehung, Entwicklung und Reife der Blüten erforderlich untrennbar mit den von den Knollen gespeicherten Kohlenhydraten verbunden, und die Blütenzahl korrelierte extrem stark mit der Knollengröße4. Die Fähigkeit von vier Blüten, die in unseren Experimenten pro Knolle produziert wurden, wurde den mittelgroßen Knollen ausgesetzt, aber die Blütenzahl stieg mit der Erhöhung des TDLI auf bis zu 150 mol m-2 durch künstliche Beleuchtung. Es wurde berichtet, dass die Blütenzahl mit zunehmendem DLI bis zu einem bestimmten Schwellenwert zunimmt, ab dem ein weiterer Anstieg kaum oder gar keine Auswirkungen auf die Entwicklungsrate hat26,32. Daher kann der TDLI 150 mol m-2 von blauen (Peakwellenlänge 450 nm, FWHM 15 nm) und roten (Peakwellenlänge 660 nm, FWHM 85 nm) LEDs ein geeignetes künstliches Beleuchtungsschema sein.

Darüber hinaus spiegelte sich in dieser Studie die Blütezeit offensichtlich nicht im Vorlauf oder in der Verzögerung der Tage bis zur ersten Blüte wider, sondern im Anteil der täglichen Blüte an der Gesamtblütenzahl. Der Blütenanteil nahm in den ersten beiden Tagen zu und am fünften Tag mit steigendem TDLI von blauem und rotem Licht ab. Phytochrome nehmen hauptsächlich rote (600–700 nm) und dunkelrote (700–800 nm) Strahlung wahr, und Cryptochrome absorbieren hauptsächlich blaue (400–500 nm) Strahlung, die bekanntermaßen beide morphologische und entwicklungsbezogene Merkmale von Pflanzen, einschließlich Stängel, koordiniert regulieren Dehnung, Chlorophyllsynthese und Blütezeit24,33. Yoshida et al.34 berichteten, dass blaue LEDs mit einer Spitzenwellenlänge von 450 nm die Blüte im Vergleich zu roten LEDs mit einer Spitzenwellenlänge von 660 nm förderten. Wollaeger et al.35 fanden heraus, dass die Anzahl der Triebe von Impatiens (Impatiens walleriana) zunahm, wenn der Anteil der blauen Strahlung von 0 auf 100 % stieg. Dennoch stellten Park et al.33 fest, dass eine mäßig hohe blaue Photonenflussdichte (B:R = 1:1) die Auswirkungen des R:FR-Verhältnisses auf das Verlängerungswachstum abschwächte, aber keinen offensichtlichen Einfluss auf die FR-Förderung der Blüte in a hatte Langtagpflanze, und die Verringerung des Verhältnisses von R:FR förderte die anschließende Blüte um 7–11 Tage. Wie in den obigen Untersuchungen gezeigt, ist die Reaktion der Blütezeit bei blauen und roten LEDs sortenabhängig. In der vorliegenden Studie wird die gleiche Blütendauer wahrscheinlich auf das gleiche Verhältnis von blauem und rotem Licht zurückgeführt, während unterschiedliche Blühanteile jeden Tag durch unterschiedliche TDLI von künstlichem Licht stimuliert werden können. Die Blütedauer unter der ursprünglichen Behandlung blieb bei den Lichtbehandlungen gleich, der Blütenanteil in den ersten beiden Tagen war jedoch viel geringer als bei allen Lichtbehandlungen und betrug nur 2,3 % (Abb. 6). Dies bestätigte weiter, dass der tägliche Blütenanteil stärker durch TDLI als durch das Lichtspektrum beeinflusst wurde. Verschiedene DLI hatten nur geringe Auswirkungen auf die Blüten-FW von „Panama“28, was unseren Ergebnissen ähnelte. In der vorliegenden Studie war der Blüten-FW bei unterschiedlichem TDLI von blauen und roten LEDs nur geringfügig angestiegen (Abb. 5b).

Da eine Safranblüte normalerweise drei Narben hervorbringen kann, korreliert der Gesamtertrag an Safrannarben stark mit der Blütenzahl6,36,37, was mit unseren Ergebnissen übereinstimmt. Entsprechend der Blütenzahl förderte der zunehmende TDLI durch blaues und rotes Licht die Gesamt-Stigma-DW signifikant, die mit Ausnahme der TDLI-Behandlung mit 79 mol m-2 größer war als bei der ursprünglichen Behandlung mit natürlichem Licht (Abb. 5c). Nachdem die Knollen in die Stigma-Differenzierung eingetreten sind, kann die ursprüngliche Behandlung mit natürlichem Licht in Innenräumen natürlich durch einen TDLI von mehr als 90 mol m-2 ersetzt werden, indem blaue LEDs mit breitbandigen roten LEDs kombiniert werden, um den Trockenstigma-Ertrag um das bis zu 1,5-fache zu erhöhen. Darüber hinaus war in unseren Experimenten die DW pro Stigma bei allen gemischten Behandlungen mit blauem und rotem Licht deutlich höher als bei der ursprünglichen Behandlung mit natürlichem Licht (Abb. 5d), was weiter darauf hinwies, dass die Kombination von blauem und rotem Licht zur Steigerung des Ertrags pro Stigma beitrug Stigma.

Crocetinester sind als Hauptwirkstoffe im Safran für dessen Färbekraft verantwortlich1,5,19,21,22, daher wurde ihr Gehalt zur Beurteilung der Narbenqualität herangezogen. Gresta et al.36 kamen zu dem Schluss, dass kältere Umgebungen die Menge an Crocetinestern und damit die Qualität der Narben verringerten. In der vorliegenden Studie erhöhte ein höherer TDLI durch blaue und rote LED-Strahlung den Gehalt an Crocetinestern leicht (Abb. 5e). Unter Berücksichtigung der gesamten Stigmaausbeute war die Gesamtmenge an Crocetinestern unter einer TDLI-Behandlung mit 150 mol m-2 am höchsten, was deutlich höher war als bei der ursprünglichen Behandlung mit natürlichem Licht (Abb. 5f). Daraus lässt sich weiter schließen, dass TDLI 150 mol m-2 aus blauen und breitbandigen roten LEDs eine hervorragende Stigmaqualität erzielen könnte.

Anders als bei anderen einkeimblättrigen Pflanzen durchläuft der Indoor-Anbau von Safranknollen in dieser Studie in erster Linie den Prozess einschließlich der Sprossdifferenzierung, der Blüteninkubation sowie des Blattwachstums und der Blüte. Die Blüten- und Blattentwicklung erfolgt in Trieben und wächst dann aus den Trieben heraus. Sobald die langen scharlachroten Narben sichtbar sind, ist die Blüte reif und kann gepflückt werden. Die von der grauen Triebhülle umhüllten Teilblätter können kaum Licht aufnehmen und sind daher nicht in der Lage, Photosynthese zu betreiben. Daher sollte sich die Untersuchung der Blattwachstumsmorphologie auf den Blattbereich jenseits der Knospen konzentrieren. He et al.38 fanden heraus, dass alle Blätter von Süßkartoffeln (I. batatas) unter verschiedenen TDLI eine ähnliche Fläche und einen ähnlichen Wassergehalt aufwiesen, und zwar durch eine Kombination von blauen (463,5 nm) LEDs und roten (633 nm und 656 nm) LEDs im Verhältnis von 9:1. Huber et al.39 untersuchten, dass die Gesamtblattfläche pro Pflanze bei Tomatensaaten durch einen Anstieg des DLI nicht beeinflusst wurde. Diese beiden Untersuchungen kamen unseren Ergebnissen zur Blattfläche jenseits der Knospen nahe. In dieser Studie führte der zunehmende TDLI durch blaues und rotes Licht zu einer leichten Vergrößerung der Blattfläche über die Knospen hinaus (Abb. 8b). Es war wahrscheinlich, dass die meisten Knollenblätter noch von der grauen Triebhülle umhüllt waren, noch nicht reif waren und eine schwache Photosynthese aufwiesen. Daher hatte der zunehmende TDLI, der durch die Kombination von blauem und rotem Licht erhalten wurde, keinen sehr positiven Effekt auf die Vergrößerung der Blattfläche über Knospen und Kohlenhydratformationen hinaus. Im Gegenteil, die Blüten in der grauen Triebhülle befanden sich zu diesem Zeitpunkt in einer kritischen Phase der Blütenentwicklung. Der TDLI-Anstieg des blauen und roten Lichts trug zur Entwicklung und Reife der Blüten bei, was die Zunahme der Blütenzahl förderte und die Wahrscheinlichkeit erhöhte, dass junge Blüten und kleine Blüten aus der grauen Hülle der Triebe blühen. Dementsprechend gab es bei den Lichtbehandlungen mit Ausnahme der TDLI-Behandlung mit 79 mol m-2 keinen signifikanten Unterschied in der Blattfläche über die Knospen hinaus. Das Blattwachstum erfolgte hauptsächlich in der vegetativen Entwicklung während der Winter- und frühen Frühlingsmonate, die durch photosynthetische Aktivität Primärkohlenhydrate für die verschiedenen Pflanzensenken liefern können4. Die Blattfläche jenseits der Knospe war unter dem TDLI mit 79 mol m-2 deutlich kleiner als unter anderen Behandlungen mit künstlichem Licht. Es kann erneut bestätigt werden, dass die vorherige Vermutung über einen Schwellenwert zwischen 79 und 90 mol m−2 TDLI, ab dem die Blütenzahl und die Blattfläche signifikant ansteigen, bestätigt wird.

Auch die Blattfläche wird durch das Lichtspektrum beeinflusst, erfordert jedoch eine besondere Betrachtung der Art. Wenn Pflanzen das von blauen und roten LEDs emittierte Kombinationslicht empfangen, verringerte sich die Blattfläche mit der Zunahme des blauen PPF (P < 0,0001) in der Gurke15. Bei Safranpflanzen erhöhten sich die Blatt-DW und die Blattlänge unter monochromatischen roten LEDs im Vergleich zu denen unter monochromatischen blauen LEDs. Die morphologischen Eigenschaften der Blätter zeigten bei unterschiedlichen Verhältnissen von blauem und rotem Licht eine Tendenz, konnten jedoch noch nicht als regelmäßig befunden werden16. In der vorliegenden Studie waren im Vergleich zur minimalen Lichtbehandlung mit 79 mol m−2 TDLI sowohl der Spross als auch das Blatt unter der Behandlung mit natürlichem Licht länger (Abb. 7) und die Blattbreite wies keinen signifikanten Unterschied auf (Abb. 8a). und danach war die Blattfläche jenseits der Knospe größer (Abb. 8b). Allerdings wies die Blattfläche über die Knospe hinaus bei der Behandlung mit natürlichem Licht keine signifikanten Unterschiede zu anderen Behandlungen mit künstlichem Licht auf. Daher wiesen die Safranblätter im frühen Entwicklungsstadium der Indoor-Safranknollenkultivierung eine schwache Photosynthese auf, und der Zusammenhang zwischen den morphologischen Eigenschaften der zarten Knollenblätter und dem Lichtspektrum war nicht verifiziert.

Last but not least: Sobald der TDLI von blauem und rotem Licht 90 mol m-2 übersteigt, sind die Blütenzahl und der Narbenertrag höher als bei natürlichem Licht. Allerdings musste man zugeben, dass der TDLI von natürlichem Licht niedriger war als der von künstlichem Licht, nämlich nur 58 mol m-2. Das natürliche Licht ist reich an Spektralarten und enthält insbesondere einen geringen Anteil an rotem und dunkelrotem Licht, das von Phytochromen wahrgenommen werden kann und eine bemerkenswerte Wirkung auf Keimung, Blüte und Photosynthese hat40. Asuka et al.41 untersuchten, dass die Blüteninitiierung und -induktion von Eustoma grandiflorum „Nail Peach Neo“ durch eine Nachtpausenbehandlung mit einer niedrigen R:FR-Bestrahlung gefördert, durch ein hohes R:FR-Verhältnis jedoch verzögert wurde. Die Förderung oder Verzögerung der Blütenknospenbildung ging mit einer Abnahme bzw. Zunahme der Anzahl der Knoten am Hauptstamm in der Anthese zum ersten Blütchen einher. Felix et al.42 fanden heraus, dass tiefrotes Licht bei einigen Amaranth- und Reis-Genotypen die Blüte um 10 bzw. 20 Tage beschleunigen kann, bei Sojabohnen jedoch keinen Einfluss auf die Blüte hat. In unseren Experimenten gab es bei Behandlungen mit natürlichem Licht einen niedrigeren R:FR von 54 %:46 % als bei Behandlungen mit künstlichem Licht. Der hohe Anteil an tiefrotem Licht im natürlichen Licht förderte gewissermaßen die Blühzahl (Abb. 5a) und steigerte damit den Narbenertrag (Abb. 8). Und der höchste Blüten-FW (Abb. 5b) wurde bei den Behandlungen mit natürlichem Licht festgestellt, mit signifikanten Unterschieden bei allen Behandlungen mit künstlichem Licht.

Darüber hinaus spielt grünes Licht im natürlichen Licht auch eine wichtige Rolle bei der Photosynthese, da es Pflanzen hilft, sich an unterschiedliche Lichtintensitäten anzupassen. Im Vergleich zu blauem und rotem Licht kann grünes Licht tiefer in die Blätter eindringen, was zu einer gleichmäßigeren Lichtverteilung im gesamten Blatt führt43. In der vorliegenden Studie waren die Safranblätter nicht vollständig entwickelt und hatten eine schwache Photosynthese, sodass zwischen natürlichen und künstlichen Lichtbehandlungen kein signifikanter Unterschied in der Blattfläche jenseits der Knospen bestand (Abb. 8b). Dennoch waren die Blattlänge und die Blattfläche jenseits der Knospe bei niedrigem TDLI unter natürlichem Innenlicht höher als bei dem höchsten TDLI, gemischt mit rotem und blauem Licht, was die anschließende Blattphotosynthese und Knollenvermehrung nach Eintritt in die Feldwachstumsphase stärker begünstigte.

Um unter der ursprünglichen Behandlung die gleichen Lichtverhältnisse wie beim ursprünglichen Indoor-Anbau zu gewährleisten, war der DLI des natürlichen Lichts in Innenräumen in unseren Experimenten jeden Tag veränderlich (Abb. 4) und nicht kontrollierbar. Wenn daher eine künstliche Simulation des natürlichen Lichts zur Bestrahlung der Safranknollen durch wirksame Kontrolle in Betracht gezogen wird, können die Blütenzahl und der Narbenertrag weiter erhöht werden, und die größere Blattfläche kann auch die Photosynthese während der Feldbearbeitung unterstützen.

In Bezug auf die Ergebnisse und Diskussion oben hatte TDLI, das durch die Kombination von blauen und breitbandigen roten LEDs erhalten wurde, erhebliche Auswirkungen auf die Blüteneigenschaften und den Narbenertrag von Safran. Im Vergleich zum ursprünglichen Indoor-Anbau von natürlichem Licht kann der TDLI über 90 mol m-2, gemischt mit blauen LEDs (Spitzenwellenlänge 450 nm, FWHM 15 nm) und roten LEDs (Spitzenwellenlänge 660 nm, FWHM 85 nm), den Blüteprozess beschleunigen. Fördern Sie die Blütenzahl und verbessern Sie den Stigma-Ertrag auf Kosten einer Reduzierung des Blüten-FW. Die Blütenzahl pro Knolle und der Narbenertrag waren bei der TDLI-Behandlung mit 150 mol m-2 am höchsten, was als optimale künstliche Lichtbedingung während des Safrananbaus in Innenräumen angesehen werden kann.

Licht spielt eine entscheidende Rolle bei der Sprossdifferenzierung, der Blütenausbrütung, dem Blattwachstum und der Blüte von Safran. Beim Anbau von Knollen in Innenräumen mit Dunkelheitsbehandlung kann der Safran nicht blühen, da es keine Lichtmodulation für Triebe und Blätter gibt. Ein geringer R:FR-Anteil im natürlichen Licht trägt zur Blüte und zur Steigerung des Narbenertrags bei, und grünes Licht spielt auch eine wichtige Rolle bei der Photosynthese der Blätter. Darüber hinaus konnte der zunehmende TDLI von blauen und roten LEDs die Blattbreite und die Fläche über die Knospen hinaus leicht fördern, hatte jedoch keinen signifikanten Einfluss auf die Knospen- und Blattlänge.

Die in dieser Studie präsentierten Daten sind auf Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

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Diese Forschung wurde vom Key Technologies Research and Development Program des Shanghai Science and Technology Committee (18391903600) unterstützt. Die Autoren danken auch Shanghai Leets Lighting Electric Co., Ltd für ihre technische Unterstützung bei der Vorbereitung und dem Test von LED-Leuchten.

Institut für elektrische Lichtquellen, Fudan-Universität, Shanghai, 200438, China

Dan Gao, Xinyu Ji, Qing Yuan, Fusheng Li, Qiuyi Han und Shanduan Zhang

Shanghai Traditional Chinese Medicine Co Ltd, Shanghai, 200082, China

Weizhong Pei & Xue Zhang

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Konzeptualisierung, SDZ, QYH, FSL und DG; Methodik, DG, SDZ, QYH, FSL, WZP und XZ; Untersuchung, DG, XYJ und QY; Ressourcen, SDZ und XZ; Software, DG; Datenkuration, DG, XYJ und QY; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, DG; Schreiben – Rezension und Bearbeitung, SDZ und QYH; Supervision, SDZ, QYH, FSL, WZP und XZ; Projektverwaltung, QYH und SDZ; Finanzierungseinwerbung, SDZ Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und sind damit einverstanden.

Korrespondenz mit Qiuyi Han oder Shanduan Zhang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Gao, D., Ji, X., Yuan, Q. et al. Auswirkungen des gesamten Tageslichtintegrals von blauen und breitbandigen roten LEDs auf die Blüte von Safran (Crocus sativus L.). Sci Rep 13, 7175 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34424-0

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Eingegangen: 15. Februar 2023

Angenommen: 29. April 2023

Veröffentlicht: 03. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34424-0

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