Real-time Chlorophyll Fluorescence-based Supplementary Lighting System of CAM Orchid Phalaenopsis = CAM 난초 호접란의 보광 시스템을 위한 실시간 엽록소 형광 측정

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Chlorophyll fluorescence serves as a non-destructive method for assessing photosynthetic efficiency, providing insight into how absorbed light energy is transferred within the photosystems. This technique is particularly effective for analyzing daytime photosynthetic efficiency in Phalaenopsis orchids. These orchids utilize crassulacean acid metabolism (CAM), a mechanism that temporally separates light reaction from stomatal CO₂ uptake. In this study, we hypothesized that a sharp decline in the quantum efficiency of photosystem II (Φ PSII) is directly associated with malic acid exhaustion, as malic acid serves as the primary daytime carbon source in Phalaenopsis. To verify this hypothesis, acclimated clones of Phalaenopsis Queen Beer ‘Mantefon’ were transferred from 100 μmol∙m-2∙s-1 PPFD to either 100 or 200 μmol∙m-2∙s-1 PPFD. Simultaneous measurements of Φ PSII and malic acid content in the uppermost leaves revealed that the plants subjected to the higher PPFD (200 μmol∙m-2∙s-1) experienced a rapid drop in Φ PSII approximately three hours sooner than in those at 100 μmol∙m-2∙s-1. Furthermore, malic acid content analysis data confirmed that this sharp decline is temporally associated with the point of malic acid exhaustion. Based on this finding, an adaptive supplemental lighting system was established to dynamically adjust light input in response to real-time changes in ΦPSII. The system was employed in a plastic greenhouse. Beginning on May, 7-month-old Phalaenopsis Queen Beer ‘Mantefon’ were acclimated before being divided into a supplemental lighting group and a control group. In the supplemental lighting group, chlorophyll fluorescence from the uppermost leaves was monitored between 09:00 and 13:00 to establish a regression-based reference. Supplemental light was initiated at 15:30, and the system was programmed to automatically switch off the light once the measured ΦPSII was more than 0.15 units below the established reference level. The lighting system extended the duration of supplemental lighting on days with low cumulative daytime ETR, while reducing the duration under higher ETR. Consequently, the daily light integral (DLI) of Phalaenopsis was maintained within the range of 2.6–4.2 mol∙m-2∙d-1 throughout the experimental period. By integrating the real-time chlorophyll fluorescence into cultivation practices in a greenhouse, the adaptive lighting system offers a method to enhance photosynthetic performance and shorten growth periods of Phalaenopsis orchids.

국문 초록 (Abstract)

호접란은 강한 크래슐란 대사(CAM) 광합성 경로를 특징으로 보이는 절대적 CAM 식물이다. 이러한 CAM 연구에 있어서, 엽록소 형광 지표는 유용한 도구로 활용할 수 있다. 낮 기간동안 엽록소 형광을 통해 측정한 광계2에서의 양자수율을 통해, 밤 기간동안 호접란이 얼마나 Calvin-Benson 회로를 통해 광합성 산물을 생산하였는지를 알 수 있다. 이 연구에서는 엽록소 형광 지표 중 광계 2의 양자 수율을 활용하여 실시간 엽록소 형광 측정을 통한 적응형 광합성 보광 시스템을 설계하였다. 제 1 장에서는 광계2에서의 양자수율과 액포 내의 말산 함량과의 관계를 분석하였다. 제 2장에서는 제 1장에서 밝혀낸 사실을 바탕으로 CAM 식물인 호접란의 광합성 특성에 맞는 보광형 시스템을 설계하였다.
제 1장에서는 낮 기간 동안의 호접란의 엽록소 형광 측정과 말산 함량의 관계를 분석하였다. 실험을 위해 100 µmol·m−2·s−1 PPFD에서 적응한 호접란 클론들을 나누어 100과 200 µmol·m−2·s−1의 광도로 하루동안 처리하였다. 그 결과 100 µmol·m−2·s−1 PPFD에서 200 µmol·m−2·s−1의 처리군에서 더 이른 시간에 광계 2에서의 양자 수율이 급격하게 감소하였고, 말산 또한 감소하였다. 또한, 두 실험군 모두에서 말산의 함량의 고갈이 일어났을 때, 광계2의 양자수율이 급감하였다.
제 2장에서는 호접란의 CAM 광합성 특성에 맞는 적응형 보광 시스템을 설계하였다. 본 실험에서 광계 2에서의 양자 수율을 연속적으로 측정하였고, 양자 수율의 급격한 감소가 일어나는 시점이 호접란에 있어 가장 광합성을 극대화해 줄 수 있는 시점이라고 판단하였다. 이 지점을 판단하기 위해 09:00부터 13:00까지 최상위 엽을 대상으로 엽록소 형광을 모니터링하여 회귀 기반의 기준값을 설정하였다. 15:30에 보광을 시작하였으며, 측정된 광계2의 양자 수율이 설정된 기준값보다 0.15 이상 낮아질 경우 보광이 자동으로 중지되도록 시스템을 구성하였다. 보광 시스템 아래에서 16주간 처리를 해준 호접란의 야간 광합성량과 영양생장량은 대조군에 비해 증가하였으며, 이는 엽록소 형광을 통한 적응형 보광 시스템이 효율적으로 CAM 광합성을 증가시켰다는 것을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT i
• CONTENTS iv
• LIST OF TABLES vi
• LIST OF FIGURES vii
• GENERAL INTRODUCTION 1
• LITERATURE REVIEW 5
• Crassulacean acid metabolism (CAM) of Phalaenopsis 5
• Chlorophyll fluorescence and electron transport rate as indicators of CAM photosynthesis 7
• Effects of light on Phalaenopsis cultivation 8
• Dynamic lighting control based on chlorophyll fluorescence 10
• LITERATURE CITED 12
• CHAPTER I. Rapid Decrease in Quantum Efficiency of Photosystem II (Φ PSII) Driven by Exhaustion of Vacuolar Malic Acid in Phalaenopsis Orchid
• ABSTRACT 23
• INTRODUCTION 25
• MATERIALS AND METHODS 28
• RESULTS 33
• DISCUSSION 39
• LITERATURE CITED 44
• CHAPTER II. A Real-Time Optimization of Supplemental Lighting for Phalaenopsis Orchid Using Chlorophyll Fluorescence
• ABSTRACT 50
• INTRODUCTION 52
• MATERIALS AND METHODS 55
• RESULTS 64
• DISCUSSION 73
• LITERATURE CITED 79
• CONCLUSIONS 84
• ABSTRACT IN KOREAN 86