Mở đầu Từ lâu, con người đã nghiên cứu và hiểu được cơ chế phát triển của thực vật. Cụ thể, chúng ta đều hiểu được rằng thực vật duy trì và phát triển sự sống dựa trên bốn yếu tố cơ bản được cung cấp từ môi trường ngoài là: ánh sáng, không khí, nước và các chất vi sinh được hấp thụ từ đất [15]. Không khí được đưa vào cây thông qua lá trong khi nước và các chất vi sinh được hấp thụ từ đất bởi rễ và được vận chuyển trong thân cây [16]. Tại đây, khí CO2 và H2O gặp nhau và hình thành phản ứng tổng hợp glucozo mà sau đó chuyển hóa thành năng lượng nuôi cơ thể.
Tuy nhiên quá trình này chỉ diễn ra thành công khi nhận được sự xúc tác của ánh sáng. Rõ ràng, bên cạnh nước, không khí thì ánh sáng đóng vai trò là một phần không thể thiếu trong quy trình phát triển của thực vật. Do đó, bằng việc sử dụng các nguồn sáng nhân tạo kích thích để bổ sung hoặc thay thế cho nguồn sáng từ mặt trời, hoàn toàn có thể kiểm soát được các giai đoạn sinh trưởng của cây trồng, đồng thời hạn chế tối đa tác động xấu từ môi trường ngoài. Đây cũng là một trong những nhân tố quan trọng nhằm thúc đẩy ngành nông nghiệp công nghệ cao như trồng cây trong nhà thông minh, hiện đại và đảm bảo chất lượng là một ví dụ.
Nhìn nhận được tính hữu dụng của ánh sáng, các nhà vườn đã tiến hành sử dụng nguồn sáng kích thích trong sản xuất nông nghiệp. Cho đến nay, rất dễ dàng để bắt gặp việc sử dụng đa dạng các nguồn sáng kích thích cho cây trồng, đặc biệt là vào buổi tối. Tuy nhiên, do còn thiếu hụt kiến thức chuyên ngành liên quan nên các nhà nông nghiệp mới chỉ dừng lại ở việc sử dụng nguồn bức xạ kích thích cho cây trồng khi không nhận được nguồn sáng tự nhiên ban ngày chứ chưa đảm bảo được việc tối ưu về hiệu suất thu được của nó. Mặc dù vậy, xu hướng canh tác này vẫn nhận được nhiều quan tâm bởi các kết quả ban đầu cho thấy khả năng tạo ra hoa màu trái vụ, tăng số mùa vụ trên một năm,….
Về việc sử dụng các nguồn sáng ứng dụng trong chiếu sáng nông nghiệp, như đã được nhắc đến trước đó, hiện nay có thể thấy các nguồn kích thích cho cây trồng được sử dụng rất đa dạng, từ bóng đèn sợi đốt, đèn halogen rồi đến đèn huỳnh quang, đèn LED,…. Để giải thích cho nguyên nhân này, cũng 6 cần hiểu được lịch sử của các nguồn sáng. Rõ ràng việc sử dụng đuốc hay nến từ thời xa xưa đã thể hiện được tầm quan trọng của ánh sáng đối với con người. Nó không những giúp con người xua đuổi thú vật, đồng thời cũng giúp họ nhận biết được các vật trong đêm.
Và cho đến thế kỷ thứ 18, việc phát minh ra bóng đèn sợi đốt như mở ra một nền văn minh nhân loại cũng như mở ra một thế hệ nguồn sáng mới làm tiền đề cho sự phát triển sau đó [17]. Tiếp nối nhịp phát triển này, các thế hệ nguồn sáng sau đó phải kể đến như đèn halogen, đèn huỳnh quang, đèn compact với hiệu suất cũng như cường độ chiếu sáng ngày càng được cải thiện (hình 1. Và cho đến nay, LED được coi là thế hệ nguồn sáng được sử dụng phổ biến bởi những ưu điểm vượt trội của nó như nhỏ gọn, tuổi thọ cao, cường độ phát quang lớn, tiết kiệm năng lượng [1–3]. Bên cạnh đó, việc không phải sử dụng đến thủy ngân như trong bóng đèn huỳnh quang cũng đảm bảo được yếu tố an toàn với người dùng và thân thiện với môi trường.
Với nhịp tiến hóa của khoa học và công nghệ của thời hiện đại, nguồn sáng nhân tạo không chỉ dừng lại với mục đích chiếu sáng dân dụng hay sản xuất mà nó xuất hiện và hỗ trợ gần như mọi lĩnh vực. Cách đây 5 năm, Đại học Arizona đã thực hiện các thử nghiệm lâm sàng về việc sử dụng bức xạ xanh lục cho trị liệu chứng đau nửa đầu [18].1: Sơ lược lịch sử phát triển của nguồn sáng nhân tạo [19] 7 Song song với quá trình này, các nhà nghiên cứu tại bệnh viên đa khoa Massachusetts cũng cho thử nghiệm một chiếc mũ phát xạ đỏ nhằm giúp cho bệnh nhân chấn thương sọ não hồi phục nhanh hơn [18]. Bên cạnh đó, một trong những ứng dụng thực tế phổ biến nhất hiện nay phải nhắc đến chính là màu sắc ta quan sát trên các màn hình thiết bị điện tử. Và như đã chỉ ra trước đó, ánh sáng cũng là một yếu tố vô cùng cần thiết đối với sự phát triển của thực vật.
Với mong muốn đẩy mạnh sự phát triển của nền nông nghiệp, việc sử dụng nguồn sáng kích thích cho cây trồng đã và đang nhận được nhiều quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. Bởi sự đa dạng trong thế hệ nguồn sáng, rất nhiều loại bóng đèn được sử dụng trong việc thúc đẩy sự phát triển của thực vật. Và với những ưu điểm vượt trội về mọi mặt, không quá bất ngờ khi LED hiện tại đã trở thành nguồn sáng nhân tạo phổ biến và được ưa chuộng nhất. Ánh sáng và sự phát triển của cây trồng Hiện nay, đa số các nguồn đèn được người dân sử dụng để kích thích sự phát triển cây trồng lại chính là nguồn chiếu sáng trắng WLED.
Điều này mặc dù có thể đẩy nhanh quá trình phát triển của thực vật khi thiếu ánh sáng tự nhiên nhưng lại chưa đảm bảo tối ưu về việc hấp thụ cũng như kiểm soát được quá trình sinh sôi của cây trồng. Hơn nữa còn rất lãng phí do nguồn kích thích đang được sử dụng chưa thực sự phù hợp với vùng hấp thụ của thực vật. Vấn đề này đã được các nhà khoa học giải đáp từ rất lâu trước đây, các báo cáo trước đó đã chỉ ra rằng không phải tất cả các vùng sáng của mặt trời đều được cây trồng hấp thụ mà chúng chỉ tập trung hấp thụ các bước sóng khả kiến trong vùng tử ngoại gần – xanh dương (từ 320 – 490 nm) và vùng vàng – cam – đỏ, dẫn đến việc bức xạ xanh lục bị phản xạ trở lại và đi vào mắt ta, khiến chúng ta nhìn thấy lá cây có màu xanh [20,21]. Bởi vậy, khi chọn đèn chiếu xạ cho thực vât, để tránh lãng phí nguồn sáng, nên chọn nguồn kích mà bỏ qua vùng xanh lá cây.
Nhìn nhận được bài toán này, các nhà khoa học đã bắt tay vào nghiên cứu về khả năng hấp thụ các nguồn sáng của cây trồng cũng như sự ảnh hưởng của các nguồn sáng ấy đối với từng giai đoạn phát triển của thực vật nhằm tối ưu được phổ bức xạ kích 8 thích cũng như kiểm soát được thời gian phát triển của thực vật. Thông thường, trong thực vật tồn tại bốn sắc tố protein đặc trưng là Chlorophyll A, Chlorophyll B, Phytochrome đỏ Pr và Phytochrome đỏ xa Pfr tương ứng nhạy với các vùng gần tử ngoại (NUV) - xanh lam (320 –490 nm), đỏ (620 – 690 nm) và đỏ xa (700 – 740 nm) mà có thể quan sát cụ thể hơn tại hình 1.2 về phổ hấp thụ đặc trưng của các sắc tố này [1].2: Phổ hấp thụ của sắc tố (a) Chlorophyll a, Chlorophyl b và (b) Phytochrome P r, Phytochrome Pfr [5] Từng bước sóng hấp thụ khác nhau lại gây ra những phản ứng hình thái khác nhau trong sự phát triển của thực vật. Cụ thể, đối với bước sóng nằm trong tia cực tím hay xanh lục thì gần như không có vai trò đặc biệt gì đối với cây trồng. Tuy nhiên ở một mức độ xác định nào đó thì tia cực tím không những không gây hại cho cây, thậm chí có thể kích hoạt cơ chế tự bảo vệ của cây cũng như làm gia tăng hợp chất chống oxy hóa giúp cây tổng hợp nhiều chất dinh dưỡng hơn, góp phần tạo nên mùi vị ở một số loại củ quả [21].
Việc hấp thụ nguồn sáng trong vùng xanh – tím có tác dụng kích thích giai đoạn sinh trưởng của thực vật. Ví dụ như nó có khả năng tăng cường sắc tố và dinh dưỡng trong cây ớt và rau diếp cá. Một thí nghiệm đã được thực hiện cho thấy rằng khi nhận được vùng hấp thụ này, lượng chất dinh dưỡng và sắc tố protein trong cây ớt và rau diếp cá tăng trưởng đáng kể [21]. Trong khi đó, các bước sóng màu đỏ được hấp thụ bởi Phytochrome có tác dụng tăng cường quá trình ra hoa, kết trái [21].
Phytochrome 9 là một dạng protein màu xanh có khối lượng phân tử là 125 kDa [22]. Đặc biệt hơn, Phytochrome có thể tồn tại dưới hai dạng là dạng hấp thụ vùng NUV và đa phần vùng đỏ Pr trong khi dạng Pfr lại hấp thụ các bước sóng trong vùng tím – xanh lam và vùng đỏ xa. Hai dạng này có khả năng chuyển hóa cho nhau nhằm thực hiện các chức năng phục vụ cho quá trình phát triển của cây trồng [22,23].3: Quá trình chuyển hóa Pr – Pfr trong thực vật dưới sự chiếu xạ của bức xạ đặc trưng [24] Cụ thể, đối với trường hợp các cây tăng trưởng trong bóng tối thì dạng P r hấp thụ ánh sáng đỏ (620 – 690 nm) sẽ bị chuyển đổi thành dạng Pfr. Và ngược lại, Pfr có thể chuyển đổi thành dạng Pr dưới kích thích của vùng đỏ xa (700 – 740 nm) nên trong tế bào thực vật luôn tồn tại một tỷ lệ Pr/Pfr nhất định [22].
Các bức xạ đỏ chiếm ưu thế hơn trong ánh sáng ban ngày, do đó dẫn đến ban ngày, P r sẽ bị chuyển đổi thành Pfr và ngược lại vào ban đêm Pfr ở dạng hoạt động và dần chuyển hóa thành Pr [22] (hình 1. Qua đó ta thấy, Pfr ở dạng hoạt động đối với các cây dài ngày. Có nghĩa là tích tụ đủ Pfr thì cây dài ngày sẽ ra hoa trong khi hiện tượng này chỉ xảy ra khi cây ngắn ngày tích trữ đủ lượng Pr [22]. Rõ ràng, bằng việc kiểm soát tỷ lệ sắc tố của Pr/Pfr trong cây trồng, hoàn toàn có thể điều khiển được giai đoạn sinh trưởng của từng loại cây trồng.4 là một ví dụ 10 cụ thể cho ta quan sát được tác động của tỷ lệ protein này lên quá trình sinh trưởng của hai loại cây hoa.