High Throughput Phenotyping Methods of Mentha arvensis L. Grown under Various LED Lights

Abstract

Light-emitting diodes (LEDs) have been widely applied in indoor cultivation to enhance crop production and induce targeted photomorphogenic, biochemical, or physiological responses in plants. The effect of light quality on plants varies depending on species, treatment durations, light intensities, and spectrum. The aim of this study was to investigate the impact of different ratios of blue and red LED light on growth, photosynthetic activity, as well as plant biomass and metabolite accumulation of Mentha arvensis L. (Wild Mint). To achieve this, the study employed several conventional and high-throughput phenotyping methods to evaluate growth modeling alternative LED light strategies for obtaining optimal Wild Mint production. The results showed that mono-blue LED stimulated light energy absorption and converted it into chemical energy in the light-dependent reactions of photosynthesis. Nevertheless, this treatment reduced the products of the carbon fixation reaction, thereby inhibiting biomass accumulation and the development of the Wild Mint plant. In contrast, Wild Mint plants grown under mono-red LED maintained the light reaction phases at a low level and tended to increase biomass accumulation, enhance growth rate, and improve morphology development. A strong positive correlation was found between the chlorophyll content index and the maximal quantum yield of photosystem II, these traits have a low positive correlation with the photochemical fluorescence quenching coefficient, electron transport rate, and the flavonol index. The study also found that plant metabolites have a strong positive relationship with plant biomass, including the nitrogen balance index, fresh weight, dry weight, sucrose content, starch content, and total phenolics content. However, no significant relationship was found between stomatal traits, photosynthesis, and plant biomass. These results revealed distinct physiological responses of Mentha arvensis L. to changes in light environments. Notably, the combination of a 30% blue and 70% red LED spectrum significantly enhanced photosynthesis productivity, biomass, and secondary metabolites in the Wild Mint plant. The findings of this study emphasize the potential of LED technology in manipulating the growth and accumulation of desirable bioactive compounds during Wild Mint plant cultivation, contributing to the refinement of indoor herb cultivation protocols to meet production demands.|LED (Light-emitting diodes)는 식물의 광형태학적, 생화학적 또는 생리적 반응 을 유도하고 작물 생산을 증가시키기 위해 실내 재배에 널리 적용되어 왔다. 광은 식물의 품종, 처리 기간, 광도 및 스펙트럼에 따라 식물에게 다양한 영향을 미친 다. 본 연구의 목적은 청색광과 적색광의 다른 비율이 Mentha arvensis L. (야생 민 트)의 생장, 광합성 활동, 바이오매스 및 대사산물 축적에 미치는 영향을 조사하 는 것이다. 이를 위해 본 연구는 여러 가지 고전적인 방법과 고처리량 표현 방법 을 사용하여 최적의 야생 민트 생산을 위한 적절한 LED사용 방법에 대한 생장 모델링을 평가했다. 결과는 단일 청색광이 광합성의 빛의존적 반응에서 빛 에너지 흡수를 자극하고 화학 에너지로 전환시켰음을 보여주었다. 그러나 이 처리는 탄소 고정 반응의 생성물을 감소시켜 바이오매스 축적 및 야생 민트 식물의 발달을 억 제했다. 반면, 단일 적색광에서 재배된 야생 민트 식물은 광반응 단계를 낮은 수 준으로 유지하며 바이오매스 축적을 증가시키고 생장 속도를 향상시키며 형태 발 달을 개선하는 경향을 보였다. 엽록소 함량 지수와 광계II의 최대 양자 수율 사이 에는 강한 양의 상관관계가 있었으며, 이러한 특성은 광화학적 형광 소진 계수, 전자 수송 속도 및 플라보놀 지수와는 약한 양의 상관관계를 가지고 있었다. 본 연구는 또한 식물 대사산물과 질소 균형 지수, 생체중, 건물중, 자당 함량, 전분 함량 및 총 페놀 함량을 포함한 식물 대사산물 간에 강한 양의 관계가 있음을 발 견했다. 그러나 기공 특성, 광합성 및 식물 대사산물 간에는 유의한 관계가 없었 다. 이러한 결과는 Mentha arvensis L.의 광환경 변화에 대한 뚜렷한 생리학적 반응 을 나타냈다. 특히 30%의 청색광과 70%의 적색광 스펙트럼의 조합은 야생 민트 식물의 광합성 생산성, 바이오매스 및 2차 대사산물을 크게 향상시켰다. 이 연구 의 결과는 LED 기술이 야생 민트 재배 과정에서 선호하는 생리활성 물질의 생장 과 축적을 조절하는 데 잠재력을 가지고 있음을 강조하며, 생산 수요를 충족하기 위한 실내 허브 재배 프로토콜의 개선에 기여될 수 있다.