用于啟動光合電子傳遞鏈的光子引擎系統的制作方法

優先權申明

本申請要求以下各項的優先權的權益并且基于以下各項：2014年7月21日提交的標題為“適應于植物的光譜敏感性的光源(lightsourcesadaptedtospectralsensitivityofplants)”的美國臨時專利申請序列號62/027,049，2014年10月9日提交的標題為“用于啟動光合電子傳遞鏈的光子引擎系統(photonicenginesystemforactuatingthephotosynthesiselectrontransportchain)”的美國臨時專利申請序列號62/061,933，以及2015年1月13日提交的標題為“用于啟動光合電子傳遞鏈的光子引擎系統(photonicenginesystemforactuatingthephotosyntheticelectrontransportchain)”的美國臨時專利申請序列號62/102,637，在此要求保護這些申請的每一個的優先權的權益，并且這些申請的每一個通過引用以其全文結合在此。

背景

本發明涉及植物生長。更具體地，本發明涉及一種輻射植物以便增強光合作用的方法和組件。

本領域中眾所周知的是，在光合作用過程期間，植物吸收不同頻率的光以便使得發生光合作用。具體地，光合有效輻射(par)是在從大約400納米(nm)至700nm的光譜范圍內的輻射。本領域中還已知的是，葉綠素(最豐富的植物色素和負責植物代謝的色素)在捕捉紅光和藍光時最高效。

在光合作用過程中，植物中的葉綠素色素吸收光子以便驅動代謝過程并且耗散光子內的其他能量。同時，為紅光/遠紅外光和藍光/uv-a和uv-b光傳感器或光感受器的其他色素起化學反應以便調整植物的行為和發育。因此，通過提供紅色和藍色光譜的光，植物已經被示出為以增加的速率生長。

此外，本領域中還已知的是，植物需要翻轉(turnover)、或黑暗中的時間。具體地，當色素已經接受了光子并且正在經歷代謝過程時，色素無法接受另外的光子。仍然，當另外的光子轟擊植物時，色素將繼續試圖代謝，從而使植物脅變或疲勞。確切地，光抑制是植物光誘導的對光系統ii(psii)的損傷的光合成能力的光誘導降低的現象。光系統ii被光損傷，不管光強度如何，其中損傷反應(在高等植物的典型葉片中)的量子產率在10-8至10-7的范圍內。一種psii復合物被攔截的每1000-10000萬個光子損傷，并且因此在所有光強度下發生光抑制，并且光抑制的速率常數與以每平方米焦耳測量的植物的能量密度或輻射曝量成正比。僅當損傷的速率超過其修復(其要求psii蛋白合成)的速率時，光電子轉移的效率顯著降低。

當光合裝置吸收在氧氣產生或co2固定的過程中不能有效利用的光子時，發生二次損傷。過量光子的能量通過非同化光化學消散，預期其程度隨著光強度而線性增加超過光合復合物的能力。過量光子通過產生活性氧(ros)產生氧化應激。在低光水平下，ros的水平可以通過包括ros清除酶(超氧化物歧化酶，抗壞血酸過氧化物酶)和多種抗氧化劑(β-胡蘿卜素，α-生育酚)的抗氧化系統降低到可忍受的水平。然而，ros的產生加速并且高水平的ros引起顯著的氧化應激。ros不加速對psii的光損傷，而是抑制psii的修復。

概述

因此，本發明的主要目的是使用光源提高植物的生長特性。本發明的另一目的是提供提高植物生長的成本有效的照明。本發明的又另一目的是提供一種用于多種植物的照明組件。這些和其他目的、特征以及優點將會從說明書的其余部分變得明顯。

一種用于在人工照明下種植植物的園藝系統，該園藝系統具有人工照明元件，這些人工照明元件發射在植物的色素的峰值吸收的20nm內的波長的光。這些照明元件與該植物成間隔關系放置，使得所發射的光被該植物吸收用于光合作用。此外，這些照明元件被脈沖以提供預定間隔的光明和黑暗，這些間隔是不同步的并且相反呈現與光合電子傳遞鏈的翻轉時間成比例的黑暗間隔。還使用另外的照明元件，其類似地發射在植物的色素的峰值吸收的20nm內的波長的光，并且再次以與光合電子傳遞鏈的翻轉時間成比例被脈沖，以實現植物的生長。

本概述旨在提供對本專利申請的主題的概述。其并不旨在提供本發明唯一的或詳盡的解釋。詳細說明被包括在內以便提供關于本專利申請的進一步信息。

附圖簡要說明

在不必按比例繪制的附圖中，相同標號可以描述不同視圖中的類似部件。具有不同字母后綴的相同標號可以表示類似部件的不同實例。附圖總體上通過舉例的方式而非通過限制的方式展示了在本文獻中論述的各個實施例。

圖1是用于增長植物壽命的受控環境中的照明組件的側面透視圖；

圖2是用于增長植物壽命的照明組件的框圖；

圖3是用于增長植物壽命的照明組件的托盤的俯視平面圖；

圖4是用于增長植物壽命的照明組件的電路的示意圖；

圖5是示出在一定波長范圍內由葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素吸收的光的量的圖；

圖6是用于增長植物壽命的照明組件的電路的示意圖；

圖7是示出圖6的電路的電壓和輸入電流的波形的曲線圖；

圖8是用于園藝系統的照明裝置的電路的示意圖；并且

圖9是示出對于圖8的不同照明元件的輸入電壓隨時間變化的曲線圖。

詳細描述

本發明集中討論在光合作用期間發生的化學反應并且使用光作為引擎以有效地引起光合作用反應并使由最終暫時抑制并且減慢光合作用的光化學反應的輔助光化學反應導致的不期望的光抑制最小化。

在光合作用期間，兩種復合物，光系統i和主要光系統ii提供光合電子傳遞鏈(petc)以與細胞色素βf反應以引起水的氧化，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nadp⁺)的還原和三磷酸腺苷(atp)的產生，該化學物質負責保持細胞帶電并且也作為植物和動物的生命能源貨幣已知。

科學家已經確定光系統ii(psii)是通過光反應以引起這種光化學反應的關鍵復合物。特別地，光系統ii復合物包含具有伯醌和仲醌qa和qb的互連的d1-多肽和d2-多肽。d1-多肽結合仲醌受體qb，同時還具有用于初級電子供體和受體p680和脫鎂葉綠素的結合位點。p680由在680nm處最佳吸收光的兩個葉綠素α分子形成。d1-多肽還具有酪氨酸殘基，其是錳復合物mn4ca與p680⁺/pheo^-自由基對狀態之間的氧化還原中間體。d1多肽也與d2多肽共享非血紅素鐵(fe)連同p680和錳復合物。還形成光系統ii復合物的是細胞色素b559，光捕獲葉綠素cp43和cp47，β-胡蘿卜素和外源性蛋白16、23和33。

當光轟擊光系統ii時，光使光活化的p680反應并且從水分子中除去四個電子。確切地，p680將電子轉移到脫鎂葉綠素。此時，在p680上形成正電荷以提供從在錳處結合的水中提取電子的p680⁺。這被重復直到從兩個水分子轉移了四個電子，從而o2的副產物。同時，電子從脫鎂葉綠素轉移到伯醌qa。電子然后被轉移到從基質吸收兩個質子的仲醌qb以形成質體醌pqh2。所形成的質體醌然后通過電子傳遞鏈經由細胞色素βf轉移其電子到光系統i復合物。

光系統i具有兩種主要組分psaa和psab并且類似于光系統ii，光系統i包含吸收光(但不是最佳680nm處)的兩個葉綠素α分子，這些葉綠素α分子最佳吸收在700nm處的光并且因此是p700。psi還含有結合的醌qa和一組4fe-4s簇。

當光子轟擊植物時，p700電子被轉移到4fe-4s簇使得電子被轉移到基質中的鐵氧還蛋白(fd)，導致p700具有正電荷p700⁺。鐵氧還蛋白是具有配位到4個半胱氨酸殘基的2fe-2s簇的水溶性移動電子載體。質體藍素然后將電子轉移到p700⁺。含有fad的風味蛋白然后充當還原酶以接受來自鐵氧還蛋白的電子以形成fadh2，其然后將氫化物轉移至nadp⁺以形成nadph，并且從而驅動atp合成，如本領域中已知的。因此，通過電子傳遞鏈，電子從水中轉移，導致atp的合成。

這種自然的奇跡是大多數植物生命的基礎；然而，低效率仍然存在。特別地，例如，在psii復合物內，p680⁺是非常反應性的，并且當過量產生時，其與其他化學物質例如可用的葉綠素、ch1670和β-胡蘿卜素反應，導致光誘導的損傷。特別地，當d1-多肽形成p680⁺以進行所需的電子傳遞時，發生d1-多肽的蛋白水解，從而要求d1-蛋白合成來修復d1-多肽以及因此psii，使得psii可以再次用于電子傳遞。在蛋白水解和最終d1-蛋白質合成的這個時間段過程中，過量的p680⁺與其他化學物質如ch1670和β-胡蘿卜素反應以從中提取電子，導致p680⁺不能適當地起作用并對植物或光抑制產生損害。特別地，植物合成了在psii系統中用作抗氧化劑的多功能類胡蘿卜素。以這種方式，抗氧化劑作為免疫系統起作用，通過形成抗氧化劑來防止對psii和植物的損害。這個過程耗費巨大量的能量，該能量被浪費而不是用于最大化光合作用反應。因此，通過調節遞送到psii的質子的量使過量的p680⁺產生和與過量chl670化學物質的化學反應最小化，使光誘導的損害最小化并且使植物生長最大化。通過消除在該區域中的能量使用，能量幾乎可以專門用于生長。如果從某些植物內的營養價值需要抗氧化劑，則生長植物的更有效的方法是在整個生長周期期間防止這些抗氧化劑的形成，然后在生長周期結束時，植物可以接受恒定的光，引起抗氧化劑在生長最理想地被抑制的時間形成。

確定植物所要求的光子量的第一種方式是查看psii內的s-態轉移。光的閃光已經示出在第3次、第7次和第11次閃光后引起氧氣的釋放，導致科學家推理處于黑暗位置中的植物處于s1狀態，并且每次光的閃光導致光子被psii接受引起化學反應，第3次閃光或光子導致o2的副產物，表明四個電子已經從兩個水分子轉移并且電子傳遞完成。類似地，此后psii被置于s0狀態，其中第4次閃光提供單個光子，第5次閃光提供另一個光子，直到所有4次閃光導致發生4個電子被提供，因此在第7次并且然后第11次閃光之后導致o2的副產物。這被稱為kok周期。

在基本水平上，在第一閃光期間，存在從第一狀態s1到第二狀態s2的轉變，其涉及電子從錳復合物mn4ca轉移到酪氨酸殘基以形成酪氨酸自由基。在那時，當引入第二閃光或另外的光子時，發生從s2到s3狀態的轉變，導致在形成酪氨酸自由基之后并且在mn復合物的氧化之前從mn復合物釋放質子。在第三次閃光或引入另一個光子時，發生從s3狀態到s4以及隨后從s4到s0的轉變，導致雙氧釋放。確切地，在mn復合物的質子釋放之后，光子使得電子從mn復合物再次轉移到酪氨酸殘基，接著快速開始水氧化和mn還原，并且由mn復合物釋放另一個質子。最后，由于mn復合物的氧化和mn復合物的去質子化的原因，第四次閃光導致從s0狀態轉變回s1狀態。

盡管s-態轉變和運行本質上仍然是理論性的，但轉變的重要性是實現一旦光子轟擊psii復合物，則發生初始化學反應，并且化學反應需要預定量的時間以達到新的過渡狀態并且在要求另外的光子之前。確切地，psii復合物在s1與s2級之間轉變所花費的時間量為約70μs，在s2與s3級之間為約190μs，在s3與s4級之間為約200μs，在s4與s0級之間為約1.1-1.6ms，并且在s0與s1級之間為約30-60μs。類似地，在光合過程期間，psi復合物中的天線色素(antenna)的光化學衰變是15-40ps和5-6ns。換句話說，在光合過程期間，不同的化學反應要求以不同時間間隔的光子，并且發生的每個化學反應具有與其相關聯的預定時間段，其中不需要過量光子。相反，過量的光子僅僅為psi和psii復合物如p680中的反應中心提供額外的勢能，這提供了p680與psii中的其他化學物質反應并損害植物的機制，如上所述。

雖然psii內的光合電子傳遞被認為是線性的，但一旦反應將電子通過β-胡蘿卜素轉移到ps1，則循環電子傳遞在ps1周圍運行。確切地，質子和電子傳輸導致形成跨類囊體質子勢(pmf)以驅動atp的形成。在高等植物中，這些途徑由依賴鐵氧還蛋白醌氧化還原酶(fqr)和nad(p)h脫氫酶(ndh)的途徑組成。由于這些循環路徑的原因，圍繞psi的電子流通過增強管腔的質子化以限制電子傳輸并因此限制ros的形成來保護psii。因此，增強或提供用于psi的適當照明以增強該功能還起到減少導致ros的損害的作用。因此，通過在預定強度下在psi的反應性p700中心提供適當劑量的在700-720nm波長下的光并且持續預定時間段使psi的循環流動功能最大化，再次限制損傷psii并且降低植物光合作用的效率的不需要的化學反應。

因此，開發了一種算法以確定釋放光子以供植物吸收之間所需的適當的時間量。此外，該算法考慮植物的單獨的色素和細胞色素以及在所要求的時間引起色素和細胞色素的化學反應所需的能量水平。例如，在色素內，引起從s0狀態到s1狀態的電子躍遷所要求的能量的量為約1.84電子伏特(ev)或由在676nm處的波長的光提供的能量的量。因此，在大約680nm處，在峰值水平處示出能量吸收。隨著光的波長從680nm減少能級增加。因此，當僅提供例如在550nm處的光時，提供足夠的能量以引起從s0狀態到s1狀態的轉變；然而，過量的能量保持或者導致植物發出熒光或以不同波長重新發射光或產生過量的熱。

在大約445nm處，產生大約2.8ev的能量，這是足以使電子從s0狀態躍遷到s2狀態的能量。電子然后立即淬滅到發生電子轉移的s1狀態。與676nm，導致直接躍遷到s1狀態的1.84ev能級相比，這種淬滅導致一些浪費的熱量；然而，確實存在第二吸收峰，其與在其他波長(例如僅550nm)處提供的能量相比，由于過剩能量而使能量損失最小化。以這種方式在設計光時，如果產生676nm光比產生445nm光顯著更昂貴，則445nm光可用于最小化能量損失的影響，即使676nm光是優選的。

此外，植物內的細胞色素也影響產生光合作用的電子傳遞鏈。例如，細胞色素βf具有吸收綠光的胡蘿卜素的主色素(波長495nm-570nm)。這種吸收產生更高的梯度，從而將電子拉向更快的加速氧化并且從而加速光合作用。以這種方式，綠光調節提供信號的光合作用。以這種方式，在電子傳遞鏈從紅光或藍光開始之后，可以提供綠光以增加該過程的速度。

一般來說，大多數植物含有葉綠素a、葉綠素b或類胡蘿卜素，或三者的某種組合。具體來說，葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素是負責植物內的光合作用的色素。圖5示出了如曲線105(葉綠素a)、110(葉綠素b)和115(類胡蘿卜素)所示的隨波長變化的由葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素吸收的光的示例性曲線100。

在所描繪的圖中，曲線105提供了葉綠素a接受或吸收不同波長的光的示例性表示。吸收出現在380與780nm之間的波長中明顯的峰。在該實例中，葉綠素a的第一峰120出現在約400-410nm處，第二峰125出現在約430-450nm處，并且第三峰130出現在約670-685nm處。這些實例是說明性的而非限制性的。

對于葉綠素b吸收曲線110，第一峰135發生在約430-450nm處。第二峰140發生在約470-490nm處，最終峰145發生在約665-670nm處。再次，這些實例是說明性的而非限制性的。

對于類胡蘿卜素吸收曲線115，第一峰150發生在約415-420nm處。第二峰155出現在約465-470處，并且第三峰160出現在約510-525nm處。再次，這些實例是說明性的而非限制性的。

除了葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素之外，光合作用的其他化學物質，例如psii的光合作用、破壞和重建所必需的蛋白質、β-胡蘿卜素等具有光反應性化學反應和引起這些化學反應的光的特定吸收波長。

此外，植物自然具有與其相關的瞬態特性。特別地，當光首先到達植物時，光幾乎自動地被吸收，但是當光繼續提供額外的能量時，光由于植物的自然瞬態特性的結果不那樣快地被吸收。當光被脈沖時，在每個脈沖之間存在停機時間，導致植物的實際重置，從而導致光的每個脈沖被有效地吸收，因為使植物具有的對光的瞬態效應最小化。以這種方式，要求較少的光和強度以引起期望的光化學反應。因此，為了使植物內的效率最大化，不僅以預定間隔提供光，在光的預定間隔期間，光被均勻地脈沖以使植物的瞬態特性最小化并提高光合效率。

因此，人造光可以被設計并用于不僅替換由太陽接收的光，而且被用作如由設計者希望的操縱植物的光合作用和生長的工具。

僅作為示例，圖1示出了園藝組件10可以處在任何位置，包括室外、在溫室內、室內等。組件10包括容器或空間12，典型地以并排關系種植的植物14位于其中。在一個實施例中，提供了容器12，該容器是培育裝置，在一個實施例中，其一般為矩形形狀，具有固定到也以平行間隔關系的頂壁和底壁18和20的以平行間隔關系的第一和第二側壁15和16以及后壁22以形成和中空內部空腔24。前壁或門鉸接地固定到側壁15或16上以允許進入主體12的內部空腔24。優選地，門由透明材料制成以允許看到內部空腔24，雖然在另一個實施例中，門完全包圍內部空腔24。

設置在內部空腔24內的是多個可旋轉的保持構件或托盤28，其具有接收多個在其中具有幼苗31的土壤塊30的開口29。特別地，土壤塊30具有由托盤28的開口29接收和保持的尺寸和形狀。托盤28旋轉或傾斜到不同的角度以確保光在土壤塊30和幼苗31上的完全覆蓋。

多個照明元件32固定到每個托盤28并且彼此電連接。在優選實施例中，多個照明元件32是接收ac輸入的發光二極管元件。特別地，這些組件結合來自以下專利申請中的任一個的ac驅動led技術：grajcar的美國專利公開號2011/0101883；grajcar的美國專利公開號2011/0109244；grajcar的美國專利公開號2011/0210678；grajcar的美國專利公開號2011/0228515；grajcar的美國專利公開號2011/0241559；grajcar的美國專利公開號2011/0273098；grajcar的美國專利申請號13/452332；或grajcar的美國專利臨時申請號61/570,552，所有這些專利以其全文結合在此。

在一個實施例中，每個照明元件32引起發射藍色波長(450-495nm)光，使用紫外光和近紫外光(350-450nm)、紅光(620-750nm)或電磁輻射。確切地，照明元件32具有組合在同一托盤28上的電磁輻射/紫外/藍色波長照明元件和紅色波長元件，如圖3中作為照明元件32a和32b示出的。在一個實施例中，這種藍色和紅色波長的照明元件32a和32b具有不同的光持續時間周期。因此，作為示例，第一藍色波長照明元件具有3ms的光持續時間周期，而紅色波長照明元件具有2秒的光持續時間。

可替代地，照明元件32a和32b具有恰好交錯的相同的持續時間。作為該實施例的示例，第一藍色波長照明元件32a具有3ms的亮和3ms的暗的持續時間或周期。在托盤上還提供了第二紅色波長照明元件32b，其也具有3ms的亮和3ms的暗的持續時間或周期。在一個實施例中，第一和第二照明元件同時發射光或呈現重疊。在另一實施例中，第二紅色波長照明元件在第一藍色波長照明元件產生光的3ms期間是暗的。然后，當第二紅色波長照明元件產生光持續3ms時，第一藍色照明元件在黑暗中并且不發射光。

照明元件32由電源33供電并且進一步具有調光裝置34，其使光的強度減小到小于3流明。因此，在整個容器12中發射恒定的低強度波長光。光可以是窄頻率或單色的以引導所希望的光的精確波長。此外，雖然被描述為低強度，但是可提供更高強度的光波長。進一步地，在其中由于led照明元件的特性而利用led元件的實施例中，可將燈打開持續長的持續時間。

在燈的強度可降低至小于3流明時，燈的強度類似地可增加以便輸出800流明、1000流明或更多。類似地，當燈的持續時間可以是長時間周期(諸如日、周或月)時，亮周期與暗周期之間的持續時間也可被控制為小時、分鐘、秒并且甚至毫秒。

加濕裝置36還與內部空腔24相關聯且優選地與頂壁18接合并且具有可在門26關閉時增加內部空腔24內的濕度的管狀元件。以此方式，內部內的濕度可被控制為提供從0％濕度到100％的任何相對濕度，使得內部空腔24的濕度是預定的。優選地，濕度大約在50％至80％之間。加熱裝置38還電連接至電源33并且布置在內部空腔24內以便在內部空腔內提供預定量的熱量。

在一個實施例中，磁場源裝置40與培育裝置10相關聯。在一個實施例中，磁場源裝置40在內部空腔內以便形成貫穿或影響幼苗31和所產生的植物14的預定磁通。

此外，另一考慮是每個照明元件的強度。特別地，隨著植物14或幼苗31上的強度或流明/m2或勒克司的增加，被供應給植物14或幼苗31的能量的量增加，因此減少了提供適當劑量所需的時間量、或產生光化反應、或光合作用所需的能量。

此外，在一天的持續時間期間、或者在其中光被提供用于引起光化學反應的周期期間，引起化學反應所需的能量的劑量增加。確切地，引起光合作用所需的劑量是動態的。因此，提供足夠能量以引起光化學反應或光合作用所需的時間量實際上可以在一天期間或隨時間增加，使得在照明周期開始時，以第一預定時間量(諸如3.5ms)提供最佳劑量，并且在諸如12小時的時間周期之后，要求第二預定時間量，諸如14.5ms的光。

因此，通過使用控制光周期的控制器200，可以提供用于每個植物14或幼苗31的算法，其在整個預定時間周期(例如十二(12)小時、二十四(24)小時、四十八(48)小時或更長)特別定制或動態地改變照明元件32的頻率或光周期。通過動態地增加光周期以對應于發生化學反應或光合作用的動態變化的要求，光合作用效率被增強并且植物14或幼苗31的生長被優化。

類似地，光的強度可以通過控制器200，或者通過增加和減少電壓以及因此光輸出強度或者通過使控制器200電連接到托盤致動器39來動態地改變，這些托盤致動器機械地升高和降低托盤28以使照明元件32更靠近或遠離植物14或幼苗31。此外，傳感器41可以電連接到控制器200以確定植物14的高度，并且自動地和動態地將托盤28移動離開植物14以確保始終向植物提供適當的強度。

雖然描述為以并排關系種植，但是設想了單個植物14或彼此以任何關系種植的多個植物14，并且其不落入本披露的范圍之外。在一個實施例中，照明元件32鄰近植物14放置或安裝，使得至少一個植物接收由照明元件32發射的輻射。

照明元件32是可調光的并且如在grajcar的美國專利申請序列號12/824,215和/或grajcar的美國專利申請序列號12/914,575中所描述的構造，這兩個專利申請都結合于此。僅作為示例的一個這樣的組件在圖4中示出，其具有適配為接收周期性激勵電壓的一對輸入端子50，使得端子可以接收ac電流或相等幅度和相反極性的電流，所述電流響應于激勵電壓流動以提供ac輸入。ac電流然后由驅動電路52調節，該驅動電路任選地包括金屬氧化物汽化器(mov)54和整流裝置55，在優選實施例中該整流裝置是由多個發光二極管(led)56形成的橋式整流器。

發光二極管(led)56被安排在第一網絡58中，其中該第一網絡58被安排為響應于激勵電壓超過與該第一網絡58相關聯的至少一個正向閾值電壓而傳導電流。任選地，取決于驅動電路52，可以使用電阻器60或多個電阻器來在到達第一網絡58之前調節電流。第一網絡58的led56可以具有任何類型或顏色。在一個實施例中，第一網絡58的led56是產生具有大約600-750納米(nm)的波長的光的紅色led。在另一個實施例中，led的第一網絡是產生具有大約350-500nm的波長的光的藍色led。可替代地，可以一起提供紅色和藍色led二者，或者可以類似地使用諸如綠色的其他彩色led，而不超出本披露的范圍。

具有多個led56的第二網絡62與第一網絡58以串聯關系另外提供。第二網絡62的led56可以具有任何類型或顏色。在一個實施例中，第二網絡62的led56是產生具有大約600-750納米(nm)的波長的光的紅色led。在另一個實施例中，led的第二網絡是產生具有大約350-500nm的波長的光的藍色led。可替代地，可以一起提供紅色和藍色led二者，或者可以類似地使用諸如綠色的其他彩色led，而不超出本披露的范圍。

在照明元件32中提供旁路通路64，其與第一網絡58處于串聯關系并且與第二網絡62處于并聯關系。同樣在旁路通路64內的是提供受控阻抗的元件，其可以例如僅是晶體管66，該晶體管在一個實施例中是耗盡型mosfet。在旁路通路64內可以使用另外的晶體管、電阻器或類似物，所有這些都調節電流以提供從旁路通路64到第二網絡62的平滑且連續的轉變。

因此，從在此的披露內容應理解，隨輸入激勵波形改變的色溫偏移可以基于led組或網絡58和62的適當選擇以及一個或多個選擇性電流轉移調節電路調節圍繞所選led網絡58和62的旁路電流的安排來實現或設計。可以操縱每組中的二極管的數量、激發電壓、相位控制范圍、二極管顏色和峰值強度參數的選擇，以產生用于一系列照明應用的改進的電和/或光輸出性能。

照明元件32能夠使用調光裝置34來調節，而不使用dc電源。在一個實施例中，如所示調光裝置34利用前緣和下降緣切相元件。作為示例，只有三端雙向可控硅調光器在前緣處提供切相，而igbt調光器在后緣處提供切相。在該實施例中，具有前緣和后緣切相二者的調光裝置與驅動電路52電連通。以這種方式，通過在調光裝置34中使用兩者，提供預定的無電流周期。因此，與調光裝置34相關聯的控制裝置可以用于確定無電流周期并且因此確定黑暗周期。

在另一個實施例中，調光裝置34包括至少一個scr硅可控整流器)，并且在一個實施例中，第一和第二scr用于切斷對于預定時間周期提供的電流。切割可以在0相位角或可替代地在一個角度處發生。因此，通過利用scr，調光裝置34再次用作照明元件32的可控打開/關閉開關。確切地，在一個實施例中，控制裝置(例如控制旋鈕)與第一和第二scr通信，使得預定的亮和暗周期可以設置在從0-30分鐘的任何預定時間周期。因為提供了ac輸入，所以提供的暗是完全的黑暗，其中由于沒有提供電流的結果而不產生光子，與基于dc的閃爍不同。以這種方式，人們可以控制預定的亮和暗的持續時間以匹配特定植物的需要。

圖6示出了允許不同照明元件32a和32b交錯的替代實施例。該實施例示出了具有ac輸入70的電路68，該ac輸入向包括橋式整流器72的一半的驅動電路69提供ac電流，以在第一多個照明元件32a中提供輸入，其在一個實施例中提供紅色光譜輸出。然后，并行地，第二多個照明元件32b通過二極管74(例如齊納二極管)接收來自ac輸入的輸入。每組照明元件32a和32b還具有附加的電流調節元件，在這個實施例中，這些元件被提供為具有控制電阻器的晶體管。

因此，輸入到第一和第二照明元件32a和32b的電流如圖7中所示進行調節。圖7示出了從電路68產生的到照明元件32a和32b的電壓輸入80和電流輸入82和84。當正電壓被施加到電路時，第一電流輸入82提供最大電流輸入86，而當電壓輸入80下降到零(0)以下時，沒有電流88。同時，當電壓為負或低于零時，第二電流輸入84提供最大電流輸入90，而當電壓高于零或為正時不存在電流92。

因此，利用單個電壓源，到每組照明元件32a和32b的電流頻率被偏移，使得在沒有電流流到第一照明元件32a的周期期間，導致第一照明元件32a中的暗，電流流動到第二照明元件32b，使得由第二照明元件32b提供亮，并且反之亦然。以這種方式，人感知到連續的亮，但是植物接收它吸收的光的波長周期，并且然后接收它不吸收的光的周期，并且因此各個色素感知亮和暗周期。

類似地，照明元件32a和32b被控制以向植物提供不同的光周期。因此，單個照明元件32a被驅動以在第一時間提供亮，然后基于在植物內的預定化學反應所要求的預定時間周期，不發射能夠被植物吸收預定時間量的光，并且然后光再次由照明元件32發射并且然后不再發射能夠被植物吸收第二預定時間周期的光以允許發生第二化學反應，其中該第一和第二預定時間周期可以相同或不同，并且各自在植物內引起預定的生物效應。因此，提供發射可吸收光之間的不同周期，其中這樣的不同周期包括但不限于30μs、70μs、190μs、200μs或1.1ms，或15-40ps或5-6ns，而不超出本披露的范圍。以這種方式，可以基于單獨的植物需要開發算法，以便計時吸收光相對于輸出(包括暗)的周期，其不被吸收以引起化學反應。

在另一示例性實施例中，圖8和9分別示出了替代電路201及其波輸出的曲線圖。電路201具有提供相反量值的電激勵的輸入202，其由整流器204整流并且被提供給彼此并聯地提供的一系列照明元件206、208和210。雖然第一、第二和第三照明元件206、208和210中的每一個被示出為單個二極管，但是本領域技術人員理解，示意性地示出的每個照明元件包括多個串聯連接的發光二極管。每個照明元件206、208或210可以是相同或不同的波長，并且優選地是接收所發射的光的植物30的色素的峰值吸收波長的20nm內的波長。在一個實施例中，第一照明元件206是第一波長，而第二和第三照明元件208和210是不同的波長。

優選的第一、第二和第三阻抗元件212、214和216是晶體管，并且更優選地是mosfet被安排在具有電阻器217的電路201中并且在旁路通路中，以提供圖9所示的輸出。特別地，如所示，第一照明元件206接收功率并發射光持續第一亮間隔218(其是第一預定時間間隔)接著在預定時間量內的第一暗間隔219并且然后第二亮間隔220。類似地，第二照明元件208提供第三亮間隔222，其是不同于第一和第二亮間隔218和220的預定時間量的預定時間量，接著第二暗間隔223，并且然后第四亮間隔224。同時，第三照明元件210呈現第三暗間隔225，第五亮間隔226和第四暗間隔227。此外，第五暗間隔229出現在第一亮間隔218之前，并且第六暗間隔出現在第二亮間隔220之后。因此，可以操縱亮和暗間隔以提供非同步或變化的亮和暗間隔。特別地，切相調光器用于控制第五和第六暗間隔229和231以改變光間隔脈沖之間的時間，以提供與光合電子傳遞鏈的翻轉時間成比例的關閉或暗時間，從而降低光抑制率。類似地，亮和暗的間隔可以變化以縮短與植物的瞬態特性成比例的光的周期，從而使用最小的功率提供最大的光吸收。

雖然已經與培育室類型結構一起描述了led照明元件32，但是能夠將不同波長的光或不同光周期的光遞送到其中使用人造光來生長植物的任何環境的任何類型的光源被本披露設想并且這樣的實施例不落入本披露的范圍之外。這包括但不限于使用與白熾燈、高壓鈉燈、緊湊型熒光燈、acled、dcled或類似物相關聯的控制器以照亮植物。這還包括但不限于使用具有控制器的pwm驅動器，該控制器調節驅動器的頻率以提供與植物的變化的預定生物響應相關聯的變化的預定時間周期一致的變化輸出。

特別地，關于光的波長或顏色，人們確定增強植物特性(例如生長、產量、根生長等)的植物的光波長或顏色。確切地，取決于特定植物內的葉綠素或類胡蘿卜素，除了在預定時間周期需要在680nm或700nm處的光以最小化可用于ros型反應傷害植物的過量680nm和700nm光之外，提供適于被植物內的葉綠素或類胡蘿卜素吸收的光以向植物提供額外的能量用于增強光合作用的化學反應。以這種方式，處于被葉綠素吸收的波長的光也增強并促進更有效的光合作用。

在操作中，人們可以研究和確定特定植物的預定亮和暗周期，連同增強植物特性(例如生長、產量等)的植物的預定光波長或顏色。在一個實施例中，該波長為680nm，并且在另一個實施例中為700nm。然后，制造照明元件32以呈現預定的光波長，并且可以調節調光裝置34以提供預定的亮和暗周期用于增強生長。

一旦選擇了照明元件的預定波長并且對于每個照明元件確定亮和暗時間的持續時間，也選擇了實現持續時間的方式。此時，再次分析植物以確定植物內是否存在另外的色素。因此，在存在葉綠素a的實施例中，再分析植物以確定葉綠素b是否也存在。如果葉綠素b也存在，則可以選擇第二照明元件或多個照明元件。與第一照明元件一樣，選擇第二照明元件，其具有與植物內的色素(葉綠素a、葉綠素b或類胡蘿卜素)的峰120、125、130、135、140、145、150、155或160相關的窄波長帶。

然后，類似于第一選擇的照明元件，確定對于完成光合作用的化學反應所需的光的劑量或量的時間的持續時間。作為這一點，對于第二照明元件提供如上所述的提供所需的亮和暗持續時間的方法。以這種方式，第一和第二照明元件二者都提供準確的光波長和如植物內色素所要求的亮和暗的持續時間，從而增強植物生長。該方法可以類似地與植物內的類胡蘿卜素色素和其他化學物質相關使用。以這種方式，在周期中的不同時期使用多個不同的波長以達到用于增強光合作用的照明處理。

因此，人們分析給定植物內的化學反應和所需的光波長以引起這些反應并且需要光合過程期間的時間來引起所述反應。因此，提供預定波長和預定周期的光以引起預定的化學反應以便以所期望的方式實現光合作用。

一旦分析了植物的化學成分，開發算法以確定呈現什么波長的光以及在提供特定照明元件的暗或非反應周期之前給具體植物提供什么預定時間周期的光。例如，可以呈現第一照明元件，其呈現以一定強度或通量的680nm波長的光以及導致p680活化中心反應的第一周期的時間或持續時間，并且然后第二周期的時間或持續時間用于提供特定照明元件，在其中光或者不呈現或以一定強度或通量呈現，使得輸出使輔助化學反應的發生最小化，同時電子沿光合電子傳遞鏈的化學反應或移動向前移動。

然后在該第二周期的時間或持續時間之后，再次以一定強度和第三周期的時間或持續時間提供在680nm處波長的光以引起另外的化學反應以沿著光合電子傳遞鏈進一步發生反應，隨后接著第四周期的時間或持續時間其中或者不呈現光或強度使輔助化學反應最小化，其中第四周期的時間由另外化學反應沿光合電子傳遞鏈發生的時間長度確定。雖然為了便于設計目的而不超出本披露內容，該第四周期可以具有相同的第二周期的長度，但是這些周期也可以呈現不同的時間長度。然后，可以控制提供680nm的該第一光元件以提供如前所述的另外的亮和暗的周期。

同時，提供與第一照明元件相鄰的第二照明元件，不管是否在同一裝置中，其是與第一照明元件不同的波長。第二光元件以一定強度和第一時間周期提供第二波長以提供增強光合作用的量的光。用于第二照明元件的該第一時間周期可以是在第一照明元件的第一時間周期期間，與第一時間周期重疊，或者可以是在第一照明元件的第二時間周期期間(當呈現沒有光或限制的強度時)。因此，在一個實施例中，為在第一波長，例如像僅僅410nm或500nm處以第一較低強度的第一恒定背景光提供延長的時間周期，例如像僅至少一分鐘，可替代地，至少一小時或可替代地二十四小時。同時在該延長的時間周期期間，第二光元件提供脈沖的另一波長，例如像僅680nm，或者提供打開和關閉持續小于一秒的預定周期的光，并且在一個實施例中，關于kok周期內的時間段改變時間。

雖然在一個實施例中，光子釋放之間的時間可以表示為暗周期或當光源不發射光子時的時間，但是光子準備好被接受的周期之間的時間也可以用在不被psii或psi復合物內的反應性組分吸收的強度或波長下發射的光充滿。僅作為示例，p680吸收680nm波長的光以引起所希望的光化學反應；然而，可以利用450nm藍色或甚至小于450nm并進入uv范圍100nm-400nm的波長來引起植物內的其他化學反應并且不被p680吸收，使得這種光不會引起本披露所預期的光損傷。因此，提供被psii復合物吸收并使其反應的第一波長的光源與未被吸收并且不使psii復合物反應的波長在中間或甚至同時提供，引起所希望的光合作用增強，而不超出本披露的范圍。

確切地，分析植物以確定第二波長的光對植物內的其他反應中心例如p680和存在的其他化學物質的影響，以再次使造成植物使用能量來保護或修復損傷有害化學反應最小化而不是用于光合作用。以這種方式，可以以對植物有害的強度或注量和時間周期提供在第二波長處的光；然而，引起向植物提供能量的增強或改進使得整個過程更有效并且增強了光合作用。

類似地，取決于植物的基因或化學成分，考慮了對應于不同的所希望的化學反應的附加時間周期呈現附加波長的附加照明元件。僅作為示例，類似地使用提供對應于ps1的反應中心的峰值吸收水平的700或720nm的波長的光的第三照明元件。特別地，研究了單獨的植物，并且以不同的時間周期和強度提供不同波長的光以使植物內的有害化學反應最小化并使化學物質和化學反應的性能最大化，以通過使用照明裝置增強光合作用。

因此，提供了刺激植物的連續生長的預定的亮和暗的周期。當在本申請的上下文中使用時，預定的亮和暗的周期通過植物14可以感知的進行測量或確定并且表示當照明元件32沒有發射光時的周期，即使亮或暗不能被人感知。因此，在本披露的上下文中，閃爍和不能被人感知的存在的不可察覺的閃爍被認為提供預定的亮和暗的周期。通過使用具有與光合電子傳遞鏈(petc)的翻轉時間成比例的關閉時間的脈沖光降低了光抑制率并增加了光合效率。

在申請人進行的實驗中，對煙草提供了三種不同的光處理。提供三個相同的室，具有相同的土壤、肥料、土壤容器、設置溫度、溫度保持、設置rh濕度和rh保持并且甚至近似通量、光波長和能量全部都保持恒定，其中唯一的差異是每個波長的光被遞送到植物的周期或時間量。每個室使用深紅色(約650nm-670nm或720nm-740nm)、品藍(約440nm-460nm)和石灰綠(約566nm-569nm)。在第一室中，深紅色、品藍和檸檬綠每個以4個脈沖間隔同時脈沖，其中每個脈沖寬度約為30μs，并且在第一脈沖之后，在30μs的第二脈沖之前提供約85μs的沒有光。然后在30μs的第三脈沖之前提供大約230μs的沒有光的時期。然后在30μs的第四脈沖之前提供大約240μs的沒有光。最后，在該周期重新開始并以此模式保持24小時直到植物完全生長之前，發生大約1360μs的沒有光的時期。

在第二室中，深紅色和品藍輸出與第一室相同，其中在如前段所述的相同時間發生4個脈沖間隔。然而，在第二室中，石灰綠光源不以與深紅色和品藍光源相同的間隔脈沖。相反，石灰綠光源每個周期脈沖一次持續1200μs，在第四個30μs脈沖結束之后開始80μs(在四個脈沖的周期的結束與四個脈沖的新周期的開始之間的1360μs間隔或時期)深紅色和品藍光源，并在下一個4個脈沖周期的第一個30μs脈沖之前結束80μs。然后將該模式保持24小時。

最終室是控制室，其提供深紅色、品藍和檸檬綠的恒定dc光持續24小時。與深紅色相比，存在20％的品藍和20％的石灰綠，并且調節電流以確保與第一和第二室中的對照植物達到完全相同的光量。

在實驗中，進行測量，顯示出植物芽以英寸、長度、濕重、干重和根干重計的更大的生長。在室1中的處理顯示出在所有類別中最大，接著是室2。室1和2具有相比對照濕重和干重的顯著增加，其中兩個室1和2顯示相比對照2-3倍更重。因此，僅僅通過提供基于kok周期的1360μs和更少的沒有光的間隔，與不提供間隔的照明相比，植物能夠每天生長24小時，具有顯著的重量增加。

在另一個實驗中，使用玉米作為模型植物，進行三個概念驗證試驗，初步發現支持petc同步脈沖光增加平均光合效率并因此提增加植物生長速率的假設。

因此，提供了一種利用照明元件32的園藝系統，這些照明元件能夠提供不同的光波長和產生光的不同周期，以僅向植物提供功能光。確切地，因此在發生預定化學反應所要求的時間提供每個光子，并且使損害植物的化學反應中使用的過量光子最小化(如果不消除的話)。通過最小化損傷，增強了生長，導致更快的生長和更綠色、更好發育的植物生命。

確切地，通過提供刺激植物的連續生長的預定的亮和暗的周期以提供與光合電子傳遞鏈(petc)的翻轉時間成比例的斷開時間降低了光抑制率并增加了光合效率。

因此，不僅可以開發算法以確定何時植物要求周期性的亮和暗的周期，連同要求什么波長的光，類似地可以間隔地提供光以使植物的瞬態特性最小化。

通過使光合效率最大化，提供另外的碳以及因此二氧化碳需求。因此，通過增加可用于植物的co2，光合作用進一步增強，使植物的生長、顏色和營養物最大化。因此，提供了更快、更健康的植物，改善了現有技術水平。

總的來說，可以增強給定植物的不同特性。因此，提供了光處理，這些光處理增加植物的重量和密度，或可以增加葉尺寸，增加或減少根結構或操縱植物的預定特性以提供滿足種植者需要的植物的定制生長。這包括但不限于增加植物內的營養物，對于消費者是最終產品的植物部分的更快速生長以及植物的顏色或外觀。

因此，還提供了用于照亮多個植物14的一種方法和組件10。該組件10包括照明元件32，這些照明元件提供包括用于植物的預定量的暗或翻轉時間的照明周期或階段。結果是，植物14獲得所需的休息以在代謝過程完成期間減輕植物應激和應變。在這一點上，植物14然后準備好吸收更多的光以在光合作用過程中繼續代謝。

同時，通過基于引起光合作用所需的復合物和化學反應選擇光的波長，使代謝和光合作用最大化。確切地，led可以包括led的不同網絡58和62以根據用于該特定植物14的理想par在由植物14接收的光中產生間歇性uv、近uv、藍光和/或紅光。結果是，不僅可以擁有24小時恒定光生長周期，而且另外使植物生長最大化。結果是植物的更快的成熟和更高的產量。

此外，通過將組件10安裝或者另外放置在植物14附近，組件10容易制造并且結合到新的和現有的園藝組件中。最后，因為使用ac輸入調節電流并消除了脈沖寬度調制，所以大大降低了與照明元件32相關聯的成本。因此，至少已經實現所有陳述的目標。