Abstrakt: Sazenice zeleniny jsou prvním krokem v produkci zeleniny a kvalita sazenic je velmi důležitá pro výnos a kvalitu zeleniny po výsadbě. S neustálým zdokonalováním dělby práce v zeleninovém průmyslu se sazenice zeleniny postupně staly nezávislým průmyslovým řetězcem a slouží produkci zeleniny. Tradiční metody pěstování sazenic, které jsou ovlivněny nepříznivým počasím, nevyhnutelně čelí mnoha výzvám, jako je pomalý růst sazenic, jejich vytáhlost a škůdci a choroby. Pro řešení vytáhnutých sazenic mnoho komerčních pěstitelů používá regulátory růstu. Používání regulátorů růstu však představuje riziko ztuhlosti sazenic, ohrožení bezpečnosti potravin a kontaminace životního prostředí. Kromě chemických metod kontroly, ačkoli mechanická stimulace, teplota a regulace vody mohou také hrát roli v prevenci vytáhlých sazenic, jsou o něco méně pohodlné a účinné. Pod dopadem globální epidemie Covid-19 se staly prominentnějšími problémy s řízením produkce způsobené nedostatkem pracovních sil a rostoucími náklady na pracovní sílu v sazeničnictví.

S rozvojem osvětlovací technologie má použití umělého světla pro pěstování sazenic zeleniny výhody vysoké účinnosti sazenic, menšího množství škůdců a chorob a snadné standardizace. Ve srovnání s tradičními světelnými zdroji má nová generace LED světelných zdrojů vlastnosti jako úspora energie, vysoká účinnost, dlouhá životnost, ochrana životního prostředí a trvanlivost, malé rozměry, nízké tepelné záření a malá vlnová amplituda. Dokáže formulovat vhodné spektrum podle potřeb růstu a vývoje sazenic v prostředí rostlinných továren a přesně řídit fyziologické a metabolické procesy sazenic, čímž přispívá k bezznečištěné, standardizované a rychlé produkci sazenic zeleniny a zkracuje cyklus sazenic. V jižní Číně trvá pěstování sazenic paprik a rajčat (3-4 pravé listy) v plastových sklenících přibližně 60 dní a sazenic okurek přibližně 35 dní (3-5 pravých listů). V podmínkách rostlinných továren trvá pěstování sazenic rajčat (3-5 pravých listů) pouze 17 dní a sazenic paprik 25 dní 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 z továrny s LED osvětlením výrazně zkrátilo růstový cyklus okurek o 15-30 dní, počet samičích květů a plodů na rostlinu se zvýšil o 33,8 %, respektive 37,3 %, a nejvyšší výnos se zvýšil o 71,44 %.

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

Zároveň v závodech na pěstování rostlin umožňuje použití počítačů, automatizace, umělé inteligence a dalších technologií přesně řídit podmínky prostředí vhodné pro pěstování sazenic, odstranit omezení přírodních podmínek a dosáhnout inteligentní, mechanizované a stabilní produkce sazenic s ročním růstem. V posledních letech se sazenice z závodů na pěstování rostlin používají v komerční produkci listové zeleniny, ovocné zeleniny a dalších hospodářských plodin v Japonsku, Jižní Koreji, Evropě, Spojených státech a dalších zemích. Vysoké počáteční investice do závodů na pěstování rostlin, vysoké provozní náklady a obrovská spotřeba energie systému jsou stále překážkami, které omezují propagaci technologie pěstování sazenic v čínských závodech. Proto je nutné zohlednit požadavky na vysoký výnos a úsporu energie, pokud jde o strategie řízení osvětlení, zavedení modelů růstu zeleniny a automatizační zařízení pro zlepšení ekonomických přínosů.

V tomto článku je shrnut vliv LED světelného prostředí na růst a vývoj sazenic zeleniny v závodech na výrobu rostlinných surovin v posledních letech s výhledem na směr výzkumu regulace světla v závodech na výrobu rostlinných surovin.

1. Vliv světelného prostředí na růst a vývoj sazenic zeleniny

Jako jeden ze základních faktorů prostředí pro růst a vývoj rostlin není světlo jen zdrojem energie pro fotosyntézu rostlin, ale také klíčovým signálem ovlivňujícím fotomorfogenezi rostlin. Rostliny vnímají směr, energii a kvalitu světla prostřednictvím světelného signálního systému, regulují svůj vlastní růst a vývoj a reagují na přítomnost nebo nepřítomnost, vlnovou délku, intenzitu a trvání světla. V současnosti známé rostlinné fotoreceptory zahrnují nejméně tři třídy: fytochromy (PHYA~PHYE), které vnímají červené a daleké červené světlo (FR), kryptochromy (CRY1 a CRY2), které vnímají modré a ultrafialové záření A, a elementy (Phot1 a Phot2), UV-B receptor UVR8, který vnímají UV-B záření. Tyto fotoreceptory se podílejí na expresi souvisejících genů a regulují ji a poté regulují životní aktivity, jako je klíčení semen rostlin, fotomorfogeneze, doba květu, syntéza a akumulace sekundárních metabolitů a tolerance vůči biotickým a abiotickým stresům.

2. Vliv LED světelného prostředí na fotomorfologické utváření sazenic zeleniny

2.1 Vlivy 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 poškozuje fotosystém, což vede k jevu „syndromu červeného světla“, jako je zpomalená 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 poškozovat chloroplasty mladých i zralých listů okurky, ale poškozené chloroplasty se obnovily po změně z čistě červeného světla na červené a modré světlo (R:B= 7:3). Naopak, když rostliny okurky přešly z prostředí červeno-modrého světla na prostředí čistě červeného světla, fotosyntetická účinnost se významně nesnížila, což ukazuje na jejich adaptabilitu na prostředí červeného světla. Prostřednictvím analýzy struktury listů sazenic okurek s „syndromem červeného světla“ pomocí elektronového mikroskopu experimentátoři zjistili, že počet chloroplastů, velikost škrobových granulí a tloušťka grana v listech pod čistým červeným světlem byly výrazně nižší než pod bílým světlem. Zásah modrého světla zlepšuje ultrastrukturu a fotosyntetické vlastnosti chloroplastů okurek a eliminuje nadměrnou akumulaci živin. Ve srovnání s bílým světlem a červeným a modrým světlem čisté červené světlo podporuje prodloužení hypokotylu a expanzi děložních lístků sazenic rajčat, významně zvyšuje výšku rostliny a plochu listů, ale významně snižuje fotosyntetickou kapacitu, snižuje obsah Rubisco a fotochemickou účinnost a významně zvyšuje odvod tepla. Je vidět, že různé druhy rostlin reagují odlišně na stejnou kvalitu světla, ale ve srovnání s monochromatickým světlem mají rostliny vyšší účinnost fotosyntézy a bujnější růst v prostředí smíšeného světla.

Vědci provedli rozsáhlý výzkum optimalizace kombinace kvality světla u sazenic zeleniny. Při stejné intenzitě světla se se zvýšením poměru červeného světla výrazně zlepšila výška rostlin a čerstvá hmotnost sazenic rajčat a okurek, přičemž nejlepší účinek mělo ošetření poměrem červené a modré 3:1; naopak vysoký poměr modrého světla inhiboval růst sazenic rajčat a okurek, které byly krátké a kompaktní, ale zvýšil obsah sušiny a chlorofylu v sazenicích. Podobné vzorce lze pozorovat i u jiných plodin, jako jsou papriky a vodní melouny. Kromě toho ve srovnání s bílým světlem červené a modré světlo (R:B=3:1) nejen významně zlepšilo tloušťku listů, obsah chlorofylu, fotosyntetickou účinnost a účinnost přenosu elektronů u sazenic rajčat, ale také se významně zlepšily hladiny exprese enzymů souvisejících s Calvinovým cyklem, růst, obsah živin a akumulace sacharidů. Při porovnání dvou poměrů červeného a modrého světla (R:B=2:1, 4:1) byl vyšší poměr modrého světla příznivější pro indukci tvorby samičích květů u sazenic okurek a urychlil dobu kvetení samičích květů. Ačkoli různé poměry červeného a modrého světla neměly významný vliv na výnos čerstvé hmotnosti sazenic kadeřávku, rukoly a hořčice, vysoký poměr modrého světla (30 % modrého světla) významně snížil délku hypokotylu a plochu děložních lístků sazenic kadeřávku a hořčice, zatímco barva děložních lístků se prohloubila. Proto při produkci sazenic může vhodné zvýšení podílu modrého světla výrazně zkrátit rozteč uzlů a plochu listů sazenic zeleniny, podpořit laterální prodlužování sazenic a zlepšit index síly sazenic, což přispívá k pěstování robustních sazenic. Za podmínky, že intenzita světla zůstala nezměněna, zvýšení zeleného světla v červeném a modrém světle výrazně zlepšilo čerstvou hmotnost, plochu listů a výšku rostlin sazenic papriky sladké. Ve srovnání s tradiční bílou zářivkou se za podmínek červeno-zeleno-modrého osvětlení (R3:G2:B5) výrazně zlepšily Y[II], qP a ETR sazenic rajčat odrůdy 'Okagi No. 1'. Doplnění UV záření (100 μmol/(m2•s) modrého světla + 7 % UV-A) na čisté modré světlo významně snížilo rychlost prodlužování stonku rukoly a hořčice, zatímco doplnění FR bylo opačné. To také ukazuje, že kromě červeného a modrého světla hrají v procesu růstu a vývoje rostlin důležitou roli i další světelné vlastnosti. Ačkoli ani ultrafialové světlo, ani FR nejsou zdrojem energie pro fotosyntézu, 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 indukuje u rostlin reakce na vyhýbání se stínu, což vede k morfologickým změnám rostlin, jako je prodlužování stonku, ztenčování listů a snížení výnosu sušiny. Štíhlý stonek není dobrou vlastností pro pěstování silných sazenic. U běžných sazenic listové a ovocné zeleniny nejsou pevné, kompaktní a pružné sazenice náchylné k problémům během přepravy a sázení.

UV-A záření může způsobit, že sazenice okurek budou kratší a kompaktnější, a výnos po přesazení se významně neliší od kontrolní skupiny; zatímco UV-B má výraznější inhibiční účinek a snížení výnosu po přesazení není významné. Předchozí studie naznačují, že UV-A inhibuje růst rostlin a způsobuje, že rostliny zakrslé jsou. Existuje však stále více důkazů, že přítomnost UV-A místo potlačování biomasy plodiny ji ve skutečnosti podporuje. Ve srovnání 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 záření kadeřávku významně zvýšilo biomasu, délku internodia, průměr stonku a šířku rostlinného koruny sazenic kadeřávku, ale propagační účinek byl oslaben, když intenzita UV záření překročila 10 W/m2. Denní 2hodinové doplňování UV-A záření (0,45 J/(m2•s)) by mohlo významně zvýšit výšku rostlin, plochu děložních lístků a čerstvou hmotnost sazenic rajčat 'Oxheart' a zároveň snížit obsah H2O2 v sazenicích rajčat. Je vidět, že různé plodiny reagují na UV světlo odlišně, což může souviset s citlivostí plodin na UV světlo.

Pro pěstování roubovaných sazenic je třeba délku stonku vhodně zvětšit, aby se usnadnilo roubování podnoží. Různé intenzity FR měly různý vliv na růst sazenic rajčat, paprik, okurek, tykví a vodních melounů. Doplnění FR o dávce 18,9 μmol/(m2•s) ve studeném bílém světle významně zvýšilo délku hypokotylu a průměr stonku sazenic rajčat a paprik; FR o dávce 34,1 μmol/(m2•s) měla nejlepší vliv na podporu délky hypokotylu a průměru stonku sazenic okurek, tykví a vodních melounů; FR s vysokou intenzitou (53,4 μmol/(m2•s)) měla nejlepší vliv na těchto pět druhů zeleniny. Délka hypokotylu a průměr stonku sazenic se již významně nezvyšovaly a začaly vykazovat klesající trend. Čerstvá hmotnost sazenic paprik se významně snížila, což naznačuje, že hodnoty saturace FR u všech pěti sazenic zeleniny byly nižší než 53,4 μmol/(m2•s) a hodnota FR byla významně nižší než u FR. Účinky na růst různých sazenic zelenin jsou také odlišné.

2.2 Vlivy různých integrálů denního světla na fotomorfogenezi sazenic zeleniny

Integrál denního světla (DLI) představuje celkové množství fotosyntetických fotonů přijatých povrchem rostliny za den, které souvisí s intenzitou světla a dobou svícení. Výpočetní vzorec je DLI (mol/m2/den) = intenzita světla [μmol/(m2•s)] × denní doba svícení (h) × 3600 × 10-6. V prostředí s nízkou intenzitou světla rostliny reagují na slabé osvětlení prodloužením délky stonku a internodia, zvětšením výšky rostliny, délky řapíku a plochy listů a snížením tloušťky listů a čisté rychlosti fotosyntézy. Se zvyšující se intenzitou světla, s výjimkou hořčice, se délka hypokotylu a prodloužení stonku sazenic rukoly, zelí a kadeřávku při stejné kvalitě světla výrazně snížila. Je vidět, že vliv světla na růst rostlin a morfogenezi souvisí s intenzitou světla a druhem rostliny. Se zvyšujícím se DLI (8,64~28,8 mol/m2/den) se rostlinný typ sazenic okurek stal krátkým, silným a kompaktním a specifická hmotnost listů a obsah chlorofylu se postupně snižovaly. 6~16 dní po zasetí sazenic okurek listy a kořeny uschly. Hmotnost se postupně zvyšovala a rychlost růstu se postupně zrychlovala, ale 16 až 21 dní po zasetí se rychlost růstu listů a kořenů sazenic okurek výrazně snížila. Zvýšené DLI sice 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 zvyšující se intenzitou DLI. Když se intenzita DLI zvýšila ze 7,47 mol/m2/den na 11,26 mol/m2/den, obsah rozpustného cukru a enzymu SOD v sazenicích okurek se zvýšil o 81,03 %, respektive o 55,5 %. Za stejných podmínek DLI, se zvyšující se intenzitou 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 sazenic okurek a rajčat s vysokým indexem sazenic a fotochemickou účinností.

Při produkci roubovaných sazenic může slabé světelné prostředí vést ke snížení kvality roubovaných sazenic a prodloužení doby hojení. Vhodná intenzita světla může nejen zvýšit vazebnou schopnost roubovaného hojivého místa a zlepšit index silných sazenic, ale také snížit umístění uzlů samičích květů a zvýšit jejich počet. V závodech na pěstování byl DLI 2,5-7,5 mol/m2/den dostatečný k uspokojení potřeb hojení roubovaných sazenic rajčat. Kompaktnost a tloušťka listů roubovaných sazenic rajčat se se zvyšující se intenzitou DLI výrazně zvyšovaly. To ukazuje, že roubované sazenice nevyžadují pro hojení vysokou intenzitu světla. S ohledem na spotřebu energie a prostředí výsadby proto volba vhodné intenzity světla pomůže zlepšit ekonomické přínosy.

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

Rostliny přijímají vnější světelné signály prostřednictvím fotoreceptorů, což způsobuje syntézu a akumulaci signálních molekul v rostlině, čímž se mění růst a funkce rostlinných orgánů a v konečném důsledku se zlepšuje odolnost rostliny vůči stresu. Různá kvalita světla má určitý podpůrný vliv na zlepšení tolerance sazenic vůči chladu a soli. Například když byly sazenice rajčat osvětleny po dobu 4 hodin v noci, ve srovnání s ošetřením bez doplňkového světla, bílé světlo, červené světlo, modré světlo a červené a modré světlo dokázaly snížit propustnost elektrolytů a obsah MDA v sazenicích rajčat a zlepšit toleranci vůči chladu. Aktivita SOD, POD a CAT v sazenicích rajčat ošetřených poměrem červené a modré 8:2 byla významně vyšší než u jiných ošetření a sazenice měly vyšší antioxidační kapacitu a toleranci vůči chladu.

Vliv UV-B záření na růst kořenů sóji spočívá především ve zlepšení odolnosti rostlin vůči stresu zvýšením obsahu kořenového NO a ROS, včetně hormonálních signálních molekul, jako jsou ABA, SA a JA, a inhibici vývoje kořenů snížením obsahu IAA, CTK a GA. Fotoreceptor UV-B záření, UVR8, se nejen podílí na regulaci fotomorfogeneze, ale hraje také klíčovou roli v UV-B stresu. U sazenic rajčat UVR8 zprostředkovává syntézu a akumulaci antokyanů a sazenice divokých rajčat aklimatizované na UV záření zlepšují svou schopnost vyrovnat se s vysoce intenzivním UV-B stresem. Adaptace UV-B záření na stres suchem vyvolaný Arabidopsis však nezávisí na dráze UVR8, což naznačuje, že UV-B záření působí jako signálně indukovaná křížová odpověď obranných mechanismů rostlin, takže na odolávání stresu suchem se společně podílí řada hormonů, což zvyšuje schopnost zachycovat ROS.

Jak prodlužování hypokotylu rostliny 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 doplnili sazenice ječmene 18 dní po vyklíčení při 15 °C po dobu 10 dnů, ochlazení na 5 °C + doplnění FR po dobu 7 dnů a zjistili, že ve srovnání s ošetřením bílým světlem FR zvýšila odolnost sazenic ječmene vůči mrazu. Tento proces je doprovázen zvýšeným obsahem ABA a IAA v sazenicích ječmene. Následný přenos sazenic ječmene předem ošetřených FR při 15 °C do 5 °C a pokračující doplnění FR po dobu 7 dnů vedly k podobným výsledkům jako u výše uvedených dvou ošetření, ale se sníženou reakcí ABA. Rostliny s různými hodnotami R:FR řídí biosyntézu fytohormonů (GA, IAA, CTK a ABA), které se také podílejí na toleranci rostlin vůči soli. V prostředí se stresem ze zasolení může nízký poměr R:FR (rezervace vody: vlhkost) zlepšit antioxidační a fotosyntetickou kapacitu sazenic rajčat, snížit produkci ROS a MDA v sazenicích a zlepšit toleranci vůči soli. Jak stres ze zasolení, tak nízká hodnota R:FR (R:FR = 0,8) inhibovaly biosyntézu chlorofylu, což může souviset s blokovanou přeměnou PBG na UroIII v dráze syntézy chlorofylu, zatímco prostředí s nízkým poměrem R:FR může účinně zmírnit zhoršení syntézy chlorofylu vyvolané stresem ze zasolení. Tyto výsledky naznačují významnou korelaci mezi fytochromy a tolerancí vůči soli.

Kromě světelného prostředí ovlivňují růst a kvalitu sazenic zeleniny i další faktory prostředí. Například zvýšení koncentrace CO2 zvýší maximální hodnotu nasycení světlem Pn (Pnmax), sníží bod kompenzace světla a zlepší účinnost využití světla. Zvýšení intenzity světla a koncentrace CO2 pomáhá zlepšit obsah fotosyntetických pigmentů, účinnost využití vody a aktivitu enzymů souvisejících s Calvinovým cyklem a v konečném důsledku 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. Pro růst sazenic rajčat bylo vhodnější prostředí s teplotou 23~25 °C. Na základě teplotních a světelných podmínek vědci vyvinuli metodu pro predikci relativní rychlosti růstu papriky na základě modelu distribuce bazálního růstu, která může poskytnout vědecké vodítko pro regulaci prostředí u produkce roubovaných sazenic papriky.

Proto je při navrhování schématu regulace světla ve výrobě třeba zohlednit nejen faktory světelného prostředí a druhy rostlin, ale také faktory pěstování a managementu, jako je výživa sazenic a hospodaření s vodou, plynové prostředí, teplota a fáze růstu sazenic.

4. Problémy a výhledy

Zaprvé, regulace světla u sazenic zeleniny je sofistikovaný proces a je třeba podrobně analyzovat vliv různých světelných podmínek na různé druhy sazenic zeleniny v prostředí závodu na pěstování rostlin. To znamená, že k dosažení cíle vysoce efektivní a kvalitní produkce sazenic je zapotřebí neustálý výzkum a vytvoření vyspělého 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 s využitím umělého osvětlení. Obrovská spotřeba energie rostlinných závodů je stále překážkou omezující rozvoj rostlinných závodů.

Konečně, s širokým využitím osvětlení rostlin v zemědělství se očekává, že náklady na LED osvětlení rostlin v budoucnu výrazně klesnou; naopak, nárůst nákladů na pracovní sílu, zejména v postepidemické éře, a nedostatek pracovních sil pravděpodobně podpoří proces mechanizace a automatizace výroby. V budoucnu se modely řízení založené na umělé inteligenci a inteligentní výrobní zařízení stanou jednou z klíčových technologií pro produkci sazenic zeleniny a budou i nadále podporovat rozvoj technologie pěstování sazenic rostlinných výrobků.

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