Photosynthetic capacity and growth performance of lettuce under an artificial solar spectrum with partial green-light filtering = 인공 태양광 스펙트럼 하에서 녹색광 차단이 상추의 광합성 능력과 생육에 미치는 영향

국문 초록 (Abstract)

자연 태양광은 적색광(600–700nm)이나 청색광(400–500nm)에 비해 엽록소에 의한 흡수 효율이 낮은 녹색 파장(500–600nm)을 높은 비율로 포함하고 있다. 그러나 광질 최적화 연구는 주로 인공 LED 시스템에 녹색광을 보충하는 방향으로 진행되어 왔으며, 자연적으로 풍부한 태양광 스펙트럼에서 녹색광을 선택적으로 감소시키는 연구는 매우 제한적이다. 이러한 연구 격차로 인해 광대역 태양광에서 녹색광을 선택적으로 감소시키는 것이 광합성 능력과 작물 생산성을 향상시킬 수 있는지는 명확하지 않다. 본 연구에서는 식물공장 환경의 인공 태양광 조건에서 녹색광 차단이 상추(Lactuca sativa L. cv. Top Green)의 생육과 광합성 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 실험 1에서는 적색광, 청색광, 또는 녹색광 중 어떤 파장 차단이 생육에 가장 효과적인지를 평가하기 위해 녹색광 차단 필름(GFF, 녹색광 투과율 17.8% 감소), 적색광 차단 필름(RFF), 청색광 차단 필름(BFF), 그리고 일반 폴리에틸렌 필름(PEF)을 비교하였다. 실험 2에서는 단순 녹색광 차단이 파장 전환 기술과 유사한 효과를 나타낼 수 있는지 평가하기 위해 GFF를 광전환 필름(LSF, 녹색광을 적색광으로 전환), PEF, 그리고 필름 무처리구(NF)와 비교하였다.
실험 1에서 GFF 처리는 PEF 대비 지상부 건물중을 17% 유의하게 증가시켰으며, 개별 엽면적의 확장 없이 엽수가 11% 증가하였다. 주목할 점은 BFF 처리에서 줄기 신장이 유도된 반면, GFF는 PEF와 유사한 컴팩트한 생육을 유지하였다. 실험 2에서 GFF는 PEF 대비 지상부 건물중을 25% 증가시켰다. 중요하게도, GFF와 LSF는 유사한 지상부 건물중(5.11 vs 4.87 g) 및 엽록소 함량(SPAD: 30.22 vs 30.58)을 나타냈으며, 이는 녹색광 감소가 관찰된 효과에 실질적으로 기여함을 시사한다. 광합성 측정 결과는 광합성 능력과 광합성 성능 사이의 중요한 차이를 나타냈다. 표준화된 조건에서 평가했을 때, 실험 1에서는 처리구 간 유사한 광합성 능력을 나타낸 반면, 실험 2에서는 GFF가 PEF보다 유의하게 높은 광합성 능력을 나타냈다. 그러나 처리구별 고유 광 스펙트럼 조건 하에서 측정한 결과, GFF는 20% 낮은 광도를 받았음에도 불구하고 PEF 대비 62% 높은 순광합성률(8.54 vs 5.26 μmol CO₂ m⁻² s⁻¹)을 나타냈다. 이는 본질적으로 우수한 광합성 기구를 갖춘 것이 아니라 녹색광이 감소된 광 스펙트럼 환경에 대한 광합성 순응을 나타낸다. 향상된 광합성 성능은 실험 1에서 GFF 하에서 PEF 대비 현저하게 증가한 기공전도도(0.43 vs 0.27 mol m⁻² s⁻¹)를 동반하였으며, 이는 CO₂ 흡수 증가를 촉진하였다. 본 연구 결과는 자연적으로 풍부한 녹색 파장의 선택적 감소가 변화된 광 스펙트럼 환경에 대한 광합성 순응을 통해 상추 생산성을 향상시킴을 보여준다. 단순 광학 필터링과 파장 전환 기술 간의 유사한 성능은 에너지 집약적인 파장 전환이 필요 없는 태양광 기반 식물공장을 위한 실용적인 광질 관리 전략을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Natural sunlight contains high proportions of green wavelengths (500–600 nm) that are absorbed less efficiently by chlorophyll compared to red or blue light. Green light has been shown to penetrate deeper into plant canopies and regulate stomatal aperture, playing complex roles in photosynthetic processes beyond simple absorption efficiency. However, research on spectral optimization has predominantly focused on supplementing green light to artificial LED systems rather than reducing it from naturally abundant solar radiation. This gap leaves unclear whether selective green light reduction from broad spectrum sunlight can enhance photosynthetic capacity and crop productivity. The effects of green light filtering on lettuce (Lactuca sativa L. cv. Top Green) growth and photosynthetic performance were investigated under artificial solar lighting in controlled environment conditions. Experiment 1 (Exp. 1) examined which wavelength filtering (red, blue, or green) most effectively influenced growth by comparing green light filtering film (GFF, reducing green transmission by 17.8%) with red light filtering film (RFF), blue light filtering film (BFF), and conventional polyethylene film (PEF). Experiment 2 (Exp. 2) evaluated whether simple green light filtering could match wavelength conversion technology by comparing GFF with light shifting film (LSF, converting green to red wavelengths), PEF, and no film conditions (NF). In Exp. 1, GFF treatment significantly increased shoot dry weight by 17% compared to PEF, accompanied by enhanced leaf number without corresponding leaf area expansion. Notably, BFF induced stem elongation while GFF maintained compact growth similar to PEF. In Exp. 2, GFF achieved 25% higher shoot dry weight than PEF. Importantly, GFF and LSF produced comparable biomass and chlorophyll content, suggesting that green light reduction contributes substantially to the observed benefits. Photosynthetic measurements revealed a critical distinction between photosynthetic capacity and performance. When assessed under standardized conditions, treatments showed comparable photosynthetic capacity in Exp. 1, while GFF demonstrated significantly higher capacity than PEF in Exp. 2. However, measurements under treatment-specific spectral conditions demonstrated that GFF achieved 62% higher net photosynthetic rate compared to PEF despite receiving 20% lower light intensity. This indicates photosynthetic acclimation to green-reduced spectral environments rather than inherently superior photosynthetic machinery. Enhanced photosynthetic performance was accompanied by substantially elevated stomatal conductance under GFF compared to PEF in Exp. 1, facilitating increased CO₂ uptake. These findings demonstrate that selective reduction of naturally abundant green wavelengths enhances lettuce productivity through photosynthetic acclimation mechanisms including improved electron transport efficiency and stomatal optimization. The comparable performance between direct green light filtering (GFF) and wavelength conversion technology (LSF) offers the practical potential of green-light reduction as a spectral management approach for solar-based controlled environment agriculture. This strategy can be implemented without reliance on energy-intensive wavelength conversion processes.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT i
• CONTENTS iv
• LIST OF TABLES v
• LIST OF FIGURES vi
• INTRODUCTION 1
• LITERATURE REVIEW 5
• MATERIALS AND METHODS 9
• RESULTS 20
• DISCUSSION 34
• CONCLUSION 42
• LITERATURE CITED 45
• ABSTRACT IN KOREAN 55