Abstrakt: Sazenice zeleniny jsou prvním krokem v produkci zeleniny a kvalita sadby je velmi důležitá pro výnos a kvalitu zeleniny po výsadbě. S neustálým zpřesňováním dělby práce v zelinářském průmyslu sazenice zeleniny postupně vytvořily samostatný průmyslový řetězec a sloužily produkci zeleniny. Tradiční metody sazenic, ovlivněné špatným počasím, nevyhnutelně čelí mnoha výzvám, jako je pomalý růst sazenic, dlouhý růst a škůdci a choroby. Aby se vypořádali s nohatými sazenicemi, mnoho komerčních kultivátorů používá regulátory růstu. Při použití regulátorů růstu však existuje riziko rigidity sazenic, bezpečnosti potravin a kontaminace životního prostředí. Kromě chemických kontrolních metod, ačkoliv mechanická stimulace, teplota a kontrola vody může také hrát roli v prevenci růstu sazenic, jsou o něco méně vhodné a účinné. Pod vlivem globální nové epidemie Covid-19 se problémy s řízením výroby způsobené nedostatkem pracovních sil a rostoucími mzdovými náklady v semenářském průmyslu staly výraznějšími.

S rozvojem technologie osvětlení má použití umělého světla pro pěstování sazenic zeleniny výhody vysoké účinnosti sazenic, méně škůdců a chorob a snadné standardizace. Ve srovnání s tradičními světelnými zdroji má nová generace LED světelných zdrojů vlastnosti úspory energie, vysoké účinnosti, dlouhé životnosti, ochrany životního prostředí a odolnosti, malých rozměrů, nízkého tepelného záření a malé amplitudy vlnové délky. Dokáže formulovat vhodné spektrum podle růstových a vývojových potřeb sazenic v prostředí rostlinných továren a přesně řídit fyziologický a metabolický proces sazenic, současně přispívá k bez znečištění, standardizované a rychlé produkci sazenic zeleniny. a zkracuje cyklus sadby. V jižní Číně trvá vypěstování sazenic papriky a rajčat (3-4 pravé listy) v plastových sklenících asi 60 dní, u sazenic okurek (3-5 pravých listů) asi 35 dní. V podmínkách továrny trvá kultivace sazenic rajčat pouze 17 dní a 25 dní sazenice paprik za podmínek fotoperiody 20 hodin a PPF 200-300 μmol/(m2•s). Ve srovnání s konvenční metodou pěstování sazenic ve skleníku použití metody pěstování sazenic LED z továrny výrazně zkrátilo růstový cyklus okurek o 15–30 dní a počet samičích květů a plodů na rostlinu se zvýšil o 33,8 % a 37,3 %. a nejvyšší výnos byl zvýšen o 71,44 %.

Pokud jde o účinnost využití energie, účinnost využití energie rostlinných továren je vyšší než u skleníků typu Venlo ve stejné zeměpisné šířce. Například ve švédské továrně je potřeba 1411 MJ na výrobu 1 kg sušiny hlávkového salátu, zatímco ve skleníku je potřeba 1699 MJ. Pokud se však spočítá elektřina potřebná na kilogram sušiny hlávkového salátu, rostlina potřebuje 247 kW·h k výrobě 1 kg suché hmotnosti salátu a skleníky ve Švédsku, Nizozemsku a Spojených arabských emirátech vyžadují 182 kW· h, 70 kW·h, respektive 111 kW·h.

Současně v továrně může použití počítačů, automatických zařízení, umělé inteligence a dalších technologií přesně řídit podmínky prostředí vhodné pro pěstování sazenic, zbavit se omezení přírodních podmínek prostředí a realizovat inteligentní, mechanizovanou a roční stabilní produkci sadební produkce. V posledních letech se rostlinné sazenice používají při komerční produkci listové zeleniny, plodové zeleniny a dalších hospodářských plodin v Japonsku, Jižní Koreji, Evropě a Spojených státech a dalších zemích. Vysoké počáteční investice továren na rostliny, vysoké provozní náklady a obrovská spotřeba energie systému jsou stále překážkami, které omezují propagaci technologie pěstování sazenic v čínských továrnách na rostliny. Proto je nutné vzít v úvahu požadavky na vysoký výnos a úsporu energie, pokud jde o strategie řízení osvětlení, stanovení modelů pěstování zeleniny a automatizační zařízení pro zlepšení ekonomických přínosů.

V tomto článku je zhodnocen vliv LED světelného prostředí na růst a vývoj sazenic zeleniny v rostlinných továrnách v posledních letech s výhledem na směr výzkumu světelné regulace sazenic zeleniny v rostlinných továrnách.

1. Vliv světelného prostředí na růst a vývoj sazenic zeleniny

Jako jeden ze základních environmentálních faktorů pro růst a vývoj rostlin je světlo nejen zdrojem energie pro rostliny k provádění fotosyntézy, ale také klíčovým signálem ovlivňujícím fotomorfogenezi rostlin. Rostliny prostřednictvím systému světelných signálů vnímají směr, energii a kvalitu světla signálu, regulují svůj vlastní růst a vývoj a reagují na přítomnost nebo nepřítomnost, vlnovou délku, intenzitu a trvání světla. V současnosti známé rostlinné fotoreceptory zahrnují alespoň tři třídy: fytochromy (PHYA~PHYE), které snímají červené a vzdálené červené světlo (FR), kryptochromy (CRY1 a CRY2), které snímají modré a ultrafialové A, a prvky (Phot1 a Phot2), tzv. UV-B receptor UVR8, který snímá UV-B. Tyto fotoreceptory se účastní a regulují expresi příbuzných genů a poté regulují životní aktivity, jako je klíčení rostlinných semen, fotomorfogeneze, doba květu, syntéza a akumulace sekundárních metabolitů a tolerance k biotickým a abiotickým stresům.

2. Vliv prostředí LED světla na fotomorfologické zakládání sadby zeleniny

2.1 Vliv různé kvality světla na fotomorfogenezi sazenic zeleniny

Červené a modré oblasti spektra mají vysokou kvantovou účinnost pro fotosyntézu listů rostlin. Dlouhodobé vystavení listů okurky čistému červenému světlu však poškodí fotosystém, což má za následek fenomén „syndromu červeného světla“, jako je zakrnělá stomatální reakce, snížená fotosyntetická kapacita a účinnost využití dusíku a zpomalení růstu. Za podmínek nízké intenzity světla (100±5 μmol/(m2•s)) může čisté červené světlo poškodit chloroplasty mladých i zralých listů okurky, ale poškozené chloroplasty byly obnoveny po výměně z čistého červeného světla na červené a modré světlo (R:B= 7:3). Naopak, když rostliny okurek přešly z prostředí červeného modrého světla do prostředí čistého červeného světla, fotosyntetická účinnost se výrazně nesnížila, což ukazuje na přizpůsobivost prostředí červeného světla. Prostřednictvím analýzy struktury listů sazenic okurek se „syndromem červeného světla“ pomocí elektronového mikroskopu experimentátoři zjistili, že počet chloroplastů, velikost škrobových granulí a tloušťka grana v listech pod čistě červeným světlem byly výrazně nižší než u chloroplastů. ošetření bílým světlem. Zásah modrého světla zlepšuje ultrastrukturu a fotosyntetické vlastnosti chloroplastů okurek a eliminuje nadměrné hromadění živin. Ve srovnání s bílým světlem a červeným a modrým světlem podporovalo čisté červené světlo prodlužování hypokotylu a rozšiřování kotyledonů u sazenic rajčat, výrazně zvyšovalo výšku rostlin a listovou plochu, ale výrazně snižovalo fotosyntetickou kapacitu, snižovalo obsah Rubisco a fotochemickou účinnost a výrazně zvyšovalo odvod tepla. Je vidět, že různé druhy rostlin reagují na stejnou kvalitu světla různě, ale ve srovnání s monochromatickým světlem mají rostliny vyšší účinnost fotosyntézy a bujnější růst v prostředí smíšeného světla.

Vědci provedli mnoho výzkumů ohledně optimalizace kombinace kvality světla u sazenic zeleniny. Při stejné intenzitě světla, se zvýšením poměru červeného světla, se výrazně zlepšila výška rostlin a čerstvá váha sazenic rajčat a okurek, nejlepší efekt mělo ošetření poměrem červené k modré 3:1; naopak vysoký poměr modrého světla Inhibovalo růst sazenic rajčat a okurek, které byly krátké a kompaktní, ale zvyšovaly obsah sušiny a chlorofylu v výhoncích sazenic. Podobné vzory jsou pozorovány u jiných plodin, jako jsou papriky a vodní melouny. Kromě toho ve srovnání s bílým světlem, červeným a modrým světlem (R:B=3:1) nejen výrazně zlepšily tloušťku listů, obsah chlorofylu, fotosyntetickou účinnost a účinnost přenosu elektronů u semenáčků rajčat, ale také hladiny exprese souvisejících enzymů. na Calvinův cyklus, růstový obsah vegetariánů a akumulace sacharidů byly také významně zlepšeny. Při porovnání dvou poměrů červeného a modrého světla (R:B=2:1, 4:1) byl vyšší poměr modrého světla příznivější k vyvolání tvorby samičích květů v sazenicích okurek a urychlil dobu kvetení samičích květů. . Ačkoli různé poměry červeného a modrého světla neměly žádný významný vliv na čerstvý hmotnostní výnos sazenic kapusty, rukoly a hořčice, vysoký poměr modrého světla (30 % modrého světla) významně snížil délku hypokotylu a plochu děložních listů kapusty. a hořčičné semenáčky, zatímco barva dělohy se prohloubila. Proto při produkci sazenic může vhodné zvýšení podílu modrého světla výrazně zkrátit rozteč uzlů a listovou plochu sazenic zeleniny, podpořit laterální prodloužení sazenic a zlepšit index pevnosti sazenic, což vede k pěstování robustních sazenic. Za podmínky, že intenzita světla zůstala nezměněna, zvýšení zeleného světla v červeném a modrém světle výrazně zlepšilo čerstvou hmotnost, listovou plochu a výšku rostlin sazenic sladké papriky. Ve srovnání s tradiční bílou zářivkou se za červeno-zeleno-modrých (R3:G2:B5) světelných podmínek výrazně zlepšily Y[II], qP a ETR sazenic rajčete „Okagi č. 1“. Doplnění UV světla (100 μmol/(m2•s) modré světlo + 7 % UV-A) k čistému modrému světlu významně snížilo rychlost prodlužování stonku u rukoly a hořčice, zatímco suplementace FR byla opakem. To také ukazuje, že kromě červeného a modrého světla hrají v procesu růstu a vývoje rostlin důležitou roli i další světelné kvality. Přestože ultrafialové světlo ani FR nejsou zdrojem energie fotosyntézy, oba se podílejí na fotomorfogenezi rostlin. Vysoce intenzivní UV světlo je škodlivé pro rostlinnou DNA a proteiny atd. UV světlo však aktivuje buněčné stresové reakce, což způsobuje změny v růstu, morfologii a vývoji rostlin, aby se přizpůsobily změnám prostředí. Studie ukázaly, že nižší R/FR vyvolává u rostlin reakce vyhýbání se stínu, což má za následek morfologické změny rostlin, jako je prodlužování stonku, řídnutí listů a snížený výnos sušiny. Štíhlá lodyha není dobrým růstovým znakem pro pěstování silných sazenic. U sazenic obecné listové a plodové zeleniny nejsou pevné, kompaktní a elastické sazenice náchylné k problémům při přepravě a výsadbě.

UV-A může způsobit, že rostliny sazenic okurek jsou kratší a kompaktnější a výnos po přesazení se významně neliší od výnosu kontroly; zatímco UV-B má významnější inhibiční účinek a efekt snížení výnosu po přesazení není významný. Předchozí studie naznačovaly, že UV-A inhibuje růst rostlin a způsobuje, že rostliny zakrňují. Ale přibývá důkazů, že přítomnost UV-A, místo aby potlačovala biomasu plodin, ji ve skutečnosti podporuje. V porovnání se základním červeným a bílým světlem (R:W=2:3, PPFD je 250 μmol/(m2·s)) je doplňková intenzita v červeném a bílém světle 10 W/m2 (asi 10 μmol/(m2· s)) UV-A kelu výrazně zvýšilo biomasu, délku internodia, průměr stonku a šířku koruny rostlin sazenic kapusty, ale propagační efekt byl oslaben, když intenzita UV záření přesáhla 10 W/m2. Denní 2h suplementace UV-A (0,45 J/(m2•s)) by mohla významně zvýšit výšku rostliny, plochu děložních listů a čerstvou hmotnost sazenic rajčat „Oxheart“ a zároveň snížit obsah H2O2 v sazenicích rajčat. Je vidět, že různé plodiny reagují na UV světlo různě, což může souviset s citlivostí plodin na UV světlo.

Pro pěstování roubovaných sazenic by měla být délka stonku přiměřeně zvýšena, aby se usnadnilo roubování podnoží. Různé intenzity FR měly různé účinky na růst sazenic rajčat, paprik, okurek, tykví a vodních melounů. Doplnění 18,9 μmol/(m2•s) FR ve studeném bílém světle významně zvýšilo délku hypokotylu a průměr stonku sazenic rajčat a paprik; FR 34,1 μmol/(m2•s) měla nejlepší účinek na podporu délky hypokotylu a průměru stonku u sazenic okurky, tykve a vodního melounu; vysoce intenzivní FR (53,4 μmol/(m2•s)) měla nejlepší účinek na těchto pět druhů zeleniny. Délka hypokotylu a průměr stonku sazenic se již výrazně nezvětšovaly a začaly vykazovat klesající tendenci. Čerstvá hmotnost sazenic papriky významně poklesla, což ukazuje, že hodnoty saturace FR u pěti sazenic zeleniny byly všechny nižší než 53,4 μmol/(m2•s) a hodnota FR byla významně nižší než u FR. Rozdílné jsou i účinky na růst různých sazenic zeleniny.

2.2 Účinky různého integrálu denního světla na fotomorfogenezi sazenic zeleniny

Integrál denního světla (DLI) představuje celkové množství fotosyntetických fotonů přijatých na povrch rostliny za den, což souvisí s intenzitou světla a dobou osvětlení. Vzorec pro výpočet je DLI (mol/m2/den) = intenzita světla [μmol/(m2•s)] × denní doba osvětlení (h) × 3600 × 10-6. V prostředí s nízkou intenzitou světla rostliny reagují na prostředí s nízkou intenzitou světla prodlužováním délky stonku a internodia, zvyšováním výšky rostliny, délky řapíku a plochy listů a snižováním tloušťky listů a čisté rychlosti fotosyntézy. S nárůstem intenzity světla, kromě hořčice, se výrazně snížila délka hypokotylu a prodloužení stonku u sazenic rukoly, kapusty a kapusty při stejné kvalitě světla. Je vidět, že vliv světla na růst rostlin a morfogenezi souvisí s intenzitou světla a rostlinnými druhy. S nárůstem DLI (8,64~28,8 mol/m2/den) se rostlinný typ sazenic okurek stal krátkým, silným a kompaktním a postupně klesala specifická hmotnost listů a obsah chlorofylu. 6~16 dní po vysetí sazenic okurek listy a kořeny zaschly. Hmotnost se postupně zvyšovala, rychlost růstu se postupně zrychlovala, ale 16 až 21 dní po výsevu se rychlost růstu listů a kořenů sazenic okurek výrazně snížila. Vylepšené DLI podpořilo čistou rychlost fotosyntézy sazenic okurek, ale po určité hodnotě začala čistá rychlost fotosyntézy klesat. Proto výběr vhodného DLI a přijetí různých doplňkových světelných strategií v různých fázích růstu sazenic může snížit spotřebu energie. Obsah rozpustného cukru a enzymu SOD v sazenicích okurek a rajčat se zvyšoval se zvyšováním intenzity DLI. Při zvýšení intenzity DLI z 7,47 mol/m2/den na 11,26 mol/m2/den se obsah rozpustného cukru a enzymu SOD v sazenicích okurek zvýšil o 81,03 %, resp. 55,5 %. Za stejných podmínek DLI, se zvýšením intenzity světla a zkrácením doby osvětlení, byla aktivita PSII sazenic rajčat a okurek inhibována a volba doplňkové světelné strategie s nízkou intenzitou světla a dlouhou dobou trvání byla příznivější pro pěstování vysokých sazenic. index a fotochemická účinnost sazenic okurek a rajčat.

Při produkci roubovaných sazenic může prostředí se slabým osvětlením vést ke snížení kvality roubovaných sazenic a prodloužení doby hojení. Vhodná intenzita světla může nejen zvýšit vazebnou schopnost roubovaného místa hojení a zlepšit index silných semenáčků, ale také snížit polohu uzlu samičích květů a zvýšit počet samičích květů. V rostlinných továrnách bylo DLI 2,5-7,5 mol/m2/den dostatečné k pokrytí léčebných potřeb sazenic roubovaných rajčat. Kompaktnost a tloušťka listů sazenic roubovaných rajčat se významně zvyšovala se zvyšující se intenzitou DLI. To ukazuje, že roubované sazenice nevyžadují k hojení vysokou intenzitu světla. S přihlédnutím ke spotřebě energie a prostředí výsadby tedy výběr vhodné intenzity světla pomůže zlepšit ekonomické výhody.

3. Vliv prostředí LED světla na odolnost sazenic zeleniny vůči stresu

Rostliny přijímají vnější světelné signály prostřednictvím fotoreceptorů, což způsobuje syntézu a akumulaci signálních molekul v rostlině, čímž mění růst a funkci rostlinných orgánů a v konečném důsledku zlepšuje odolnost rostliny vůči stresu. Rozdílná kvalita světla má určitý podpůrný vliv na zlepšení odolnosti sazenic vůči chladu a soli. Například, když byly sazenice rajčat doplněny světlem po dobu 4 hodin v noci, ve srovnání s ošetřením bez doplňkového světla, bílé světlo, červené světlo, modré světlo a červené a modré světlo mohlo snížit propustnost elektrolytu a obsah MDA v sazenicích rajčat, a zlepšit odolnost vůči chladu. Aktivity SOD, POD a CAT v sazenicích rajčat při ošetření v poměru červená-modrá 8:2 byly významně vyšší než u jiných ošetření a měly vyšší antioxidační kapacitu a odolnost vůči chladu.

Účinek UV-B na růst kořenů sóji je hlavně ve zlepšení odolnosti rostlin vůči stresu zvýšením obsahu kořenového NO a ROS, včetně hormonálních signálních molekul, jako jsou ABA, SA a JA, a inhibice vývoje kořenů snížením obsahu IAA. , ČTK a GA. Fotoreceptor UV-B, UVR8, se nepodílí pouze na regulaci fotomorfogeneze, ale hraje také klíčovou roli při stresu UV-B. U sazenic rajčat UVR8 zprostředkovává syntézu a akumulaci anthokyanů a sazenice divokých rajčat aklimatizované na UV zlepšují jejich schopnost vyrovnat se s vysoce intenzivním UV-B stresem. Adaptace UV-B na stres způsobený suchem vyvolaným Arabidopsis však nezávisí na dráze UVR8, což naznačuje, že UV-B působí jako signálem indukovaná zkřížená odezva obranných mechanismů rostlin, takže různé hormony jsou společně podílí se na odolnosti vůči stresu ze sucha, zvyšuje schopnost vychytávání ROS.

Jak prodloužení rostlinného hypokotylu nebo stonku způsobené FR, tak adaptace rostlin na chladový stres jsou regulovány rostlinnými hormony. Proto „efekt vyhýbání se stínu“ způsobený FR souvisí s adaptací rostlin na chlad. Experimentátoři doplňovali sadbu ječmene 18 dní po vyklíčení při 15 °C po dobu 10 dnů, chlazení na 5 °C + doplňování FR po dobu 7 dnů a zjistili, že ve srovnání s ošetřením bílým světlem FR zvýšila mrazuvzdornost sadby ječmene. Tento proces je doprovázen zvýšeným obsahem ABA a IAA v sazenicích ječmene. Následný přenos sazenic ječmene předem ošetřených 15 °C FR na 5 °C a pokračující suplementace FR po dobu 7 dnů vedlo k podobným výsledkům jako u dvou výše uvedených ošetření, ale se sníženou ABA odpovědí. Rostliny s různými hodnotami R:FR řídí biosyntézu fytohormonů (GA, IAA, CTK a ABA), které se také podílejí na toleranci rostlinných solí. Při stresu ze soli může světelné prostředí s nízkým poměrem R:FR zlepšit antioxidační a fotosyntetickou kapacitu sazenic rajčat, snížit produkci ROS a MDA v sazenicích a zlepšit toleranci soli. Stres ze slanosti i nízká hodnota R:FR (R:FR=0,8) inhibovaly biosyntézu chlorofylu, což může souviset s blokovanou konverzí PBG na UroIII v dráze syntézy chlorofylu, zatímco prostředí s nízkým R:FR může účinně zmírnit slanost Stresem vyvolané poškození syntézy chlorofylu. Tyto výsledky naznačují významnou korelaci mezi fytochromy a tolerancí solí.

Kromě světelného prostředí ovlivňují růst a kvalitu sadby zeleniny i další faktory prostředí. Například zvýšení koncentrace CO2 zvýší maximální hodnotu saturace světla Pn (Pnmax), sníží bod kompenzace světla a zlepší účinnost využití světla. Zvýšení intenzity světla a koncentrace CO2 pomáhá zlepšit obsah fotosyntetických pigmentů, efektivitu využití vody a aktivity enzymů souvisejících s Calvinovým cyklem a konečně dosáhnout vyšší fotosyntetické účinnosti a akumulace biomasy sazenic rajčat. Suchá hmotnost a kompaktnost sazenic rajčat a paprik pozitivně korelovaly s DLI a změna teploty také ovlivnila růst při stejném ošetření DLI. Prostředí 23~25℃ bylo vhodnější pro růst sazenic rajčat. Podle teplotních a světelných podmínek výzkumníci vyvinuli metodu pro předpovídání relativní rychlosti růstu pepře na základě modelu distribuce netopýrů, který může poskytnout vědecké vodítko pro environmentální regulaci produkce roubovaných sazenic pepře.

Při navrhování schématu regulace světla ve výrobě by proto neměly být brány v úvahu pouze faktory světelného prostředí a druhy rostlin, ale také faktory pěstování a hospodaření, jako je výživa sazenic a hospodaření s vodou, plynové prostředí, teplota a fáze růstu sazenic.

4. Problémy a výhledy

Za prvé, světelná regulace sazenic zeleniny je sofistikovaný proces a je třeba podrobně analyzovat účinky různých světelných podmínek na různé typy sazenic zeleniny v prostředí rostlin. To znamená, že k dosažení cíle vysoce efektivní a vysoce kvalitní produkce sazenic je zapotřebí neustálý průzkum k vytvoření vyzrálého technického systému.

Za druhé, ačkoli je míra využití energie LED světelného zdroje relativně vysoká, spotřeba energie pro osvětlení rostlin je hlavní spotřebou energie pro pěstování sazenic pomocí umělého světla. Obrovská spotřeba energie rostlinných továren je stále úzkým hrdlem omezujícím rozvoj rostlinných továren.

A konečně, s širokým uplatněním osvětlení rostlin v zemědělství se očekává, že náklady na LED osvětlení rostlin se v budoucnu výrazně sníží; naopak nárůst mzdových nákladů, zejména v době po epidemii, nedostatek pracovních sil nutně podporuje proces mechanizace a automatizace výroby. V budoucnu se řídicí modely založené na umělé inteligenci a inteligentní výrobní zařízení stanou jednou z klíčových technologií pro produkci sadby zeleniny a budou nadále podporovat vývoj technologie sadby rostlin.

Autoři: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Zdroj článku: Wechat účet zemědělské inženýrské technologie (skleníkové zahradnictví)