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在微型植物工厂中，人工光源作为光能的唯一来源，巨大电能的消耗限制了其发展的潜力，因此提出高效的光环境调控策略，增加光能的利用效率对微型植物工厂的可持续发展起着至关重要的作用。之前关于光环境调控策略的研究大多还停留在一些具体的光合作用指标层面，但关于如何通过光环境调控来影响并改变作物的表型、生物钟、光合作用以及作物生长激素相关基因表达的研究还比较匮乏。因此从作物表型以及基因表达方面对作物光环境的响应机理进行研究，对阐明作物光环境响应机理及优化光环境调控策略有重要意义。本研究以生菜为研究对象，研究了不同的光循环对生菜生长的影响以及光合、激素及生物钟相关基因对光循环的响应机理，并且提出了“弱-强-弱”变光强多段式和光周期式的给光模式。本研究主要完成了以下工作：
（1）设置了不同的光循环处理组：12h光/12h暗,9h光/9h暗,6h光/6h暗和3h光/3h暗。不同光循环下的生菜叶面积从大到小排列分别为：9小时，12小时，6小时和3小时。通过累计辐热积法建立了生菜的叶面积模型，并对该模型的准确性进行了验证，生菜的叶面积预测结果与1∶1直线之间的R2为0.979，RMSE为52.79cm2，表明该模型有较强的机理性，预测精度较高。采用了6小时光循环、4小时光循环和3小时光循环对样本进行培育，并从机理上分析光循环对生菜生理生长的影响。结果表明，不同的光循环对生菜的叶面积，生物量和植株形态有显著的影响。较短的光循环使得生菜的株型更为紧凑，叶片长宽比更小。这有效的减少了叶片之间的自遮挡，在较高密度的种植条件下和生长的后期阶段对群体生菜的生长有积极的作用。另外，更为接近生物钟的较长的光循环对生菜的生长有促进作用，同时使得叶片角度更为陡峭，株型更为松散，有利于单颗生菜的光截获。
（2）“弱-强-弱”变光强多段式给光模式和光周期式的给光模式都能够增加植物工厂条件下水培生菜的产量，相比于传统的给光模式(B)，多段式给光模式(C)增加了作物的总鲜重，总干重，叶鲜重，叶干重，根鲜重和根干重，分别增加了10.5%,11.5%,11.4%,11.3%,12.4%和11.9%。光周期式的给光模式(A)增加了生菜的总鲜重，总干重，叶鲜重，叶干重，根鲜重，根干重，根叶比和叶绿素含量，分别增加了8.6%,8.5%,7.6%,7.4%,14.5%,6.9%和17.1%。多段式给光模式(C)通过利用了生物节律在提高光合作用方面的优势。光周期式的给光模式（A）显著降低了光饱和点下的最大光合速率（PNmax），降低了9.3%。但显著增加了表观量子产量（AQY），增加了14.3%。另外多段式给光模式通过降低非光化学猝灭，增加了生菜的PSII下电子传递的效率，提高羧化速率和光化学猝灭等方面来提高生菜的产量。光周期式的给光模式通过增加叶绿素含量来提高生菜在弱光条件下利用光源的能力，增加了产量。
（3）本研究采用转录组测序的手段研究生理节奏的相干共振（CR）对生菜光合、激素以及生物钟相关基因表达量的影响，在分子层面综合分析CR对生菜生长的影响。发现与CR匹配程度较低的生菜组（T2）的LHCB1和LHCB2蛋白均上调表达。相比T1组，T2组的Lhy基因表达下调，说明和生物钟相关的Lhy基因受到光循环的影响，较短的光循环使得生菜的Lhy基因表达上调，影响作物的营养生长时相转变，导致作物表型产生显著差异。较短的光循环条件下Myc2基因表达上调导致了T2组的植株低于T1组，减弱了T2组生菜的向光性，同时导致叶片角度较为平缓，另外T2组的气孔导度也明显低于T1组。但是Myc2对侧根的形成有正调控作用，这可能是T2组的根系生长情况要优于T1组的原因。生菜在一个与自身生物钟不匹配的光环境条件下，遭到了一定程度上的光环境胁迫，导致自身通过增加JAZ蛋白的表达来刺激茉莉酸激素的分泌，来应对环境胁迫的影响。
（4）本研究根据上述研究结果，提出了基于生物钟及生物节律的光环境调控策略、基于表型优势的光环境调控策略以及基于光合气体交换参数的光环境调控策略来达到产量最大或经济最优等目的，为今后植物工厂中光环境调控策略提供了新的理论基础。
（1）设置了不同的光循环处理组：12h光/12h暗,9h光/9h暗,6h光/6h暗和3h光/3h暗。不同光循环下的生菜叶面积从大到小排列分别为：9小时，12小时，6小时和3小时。通过累计辐热积法建立了生菜的叶面积模型，并对该模型的准确性进行了验证，生菜的叶面积预测结果与1∶1直线之间的R2为0.979，RMSE为52.79cm2，表明该模型有较强的机理性，预测精度较高。采用了6小时光循环、4小时光循环和3小时光循环对样本进行培育，并从机理上分析光循环对生菜生理生长的影响。结果表明，不同的光循环对生菜的叶面积，生物量和植株形态有显著的影响。较短的光循环使得生菜的株型更为紧凑，叶片长宽比更小。这有效的减少了叶片之间的自遮挡，在较高密度的种植条件下和生长的后期阶段对群体生菜的生长有积极的作用。另外，更为接近生物钟的较长的光循环对生菜的生长有促进作用，同时使得叶片角度更为陡峭，株型更为松散，有利于单颗生菜的光截获。
（2）“弱-强-弱”变光强多段式给光模式和光周期式的给光模式都能够增加植物工厂条件下水培生菜的产量，相比于传统的给光模式(B)，多段式给光模式(C)增加了作物的总鲜重，总干重，叶鲜重，叶干重，根鲜重和根干重，分别增加了10.5%,11.5%,11.4%,11.3%,12.4%和11.9%。光周期式的给光模式(A)增加了生菜的总鲜重，总干重，叶鲜重，叶干重，根鲜重，根干重，根叶比和叶绿素含量，分别增加了8.6%,8.5%,7.6%,7.4%,14.5%,6.9%和17.1%。多段式给光模式(C)通过利用了生物节律在提高光合作用方面的优势。光周期式的给光模式（A）显著降低了光饱和点下的最大光合速率（PNmax），降低了9.3%。但显著增加了表观量子产量（AQY），增加了14.3%。另外多段式给光模式通过降低非光化学猝灭，增加了生菜的PSII下电子传递的效率，提高羧化速率和光化学猝灭等方面来提高生菜的产量。光周期式的给光模式通过增加叶绿素含量来提高生菜在弱光条件下利用光源的能力，增加了产量。
（3）本研究采用转录组测序的手段研究生理节奏的相干共振（CR）对生菜光合、激素以及生物钟相关基因表达量的影响，在分子层面综合分析CR对生菜生长的影响。发现与CR匹配程度较低的生菜组（T2）的LHCB1和LHCB2蛋白均上调表达。相比T1组，T2组的Lhy基因表达下调，说明和生物钟相关的Lhy基因受到光循环的影响，较短的光循环使得生菜的Lhy基因表达上调，影响作物的营养生长时相转变，导致作物表型产生显著差异。较短的光循环条件下Myc2基因表达上调导致了T2组的植株低于T1组，减弱了T2组生菜的向光性，同时导致叶片角度较为平缓，另外T2组的气孔导度也明显低于T1组。但是Myc2对侧根的形成有正调控作用，这可能是T2组的根系生长情况要优于T1组的原因。生菜在一个与自身生物钟不匹配的光环境条件下，遭到了一定程度上的光环境胁迫，导致自身通过增加JAZ蛋白的表达来刺激茉莉酸激素的分泌，来应对环境胁迫的影响。
（4）本研究根据上述研究结果，提出了基于生物钟及生物节律的光环境调控策略、基于表型优势的光环境调控策略以及基于光合气体交换参数的光环境调控策略来达到产量最大或经济最优等目的，为今后植物工厂中光环境调控策略提供了新的理论基础。