Апстракт: Расадот од зеленчук е првиот чекор во производството на зеленчук, а квалитетот на расадот е многу важен за приносот и квалитетот на зеленчукот по садењето. Со континуираното усовршување на поделбата на трудот во градинарската индустрија, садниците од зеленчук постепено формираа независен индустриски синџир и служеа за производство на зеленчук. Погодени од лошите временски услови, традиционалните методи на садење неизбежно се соочуваат со многу предизвици, како што се бавниот раст на садници, растот на кратките и штетниците и болестите. Многу комерцијални култиватори користат регулатори на растот, за да се справат со садници со краставици. Сепак, постојат ризици од ригидност на садници, безбедност на храната и контаминација на животната средина со употреба на регулатори за раст. Покрај методите за хемиска контрола, иако механичката стимулација, контролата на температурата и водата, исто така, може да играат улога во спречувањето на растот на раните на садници, тие се малку помалку погодни и ефективни. Под влијание на глобалната нова епидемија на Ковид-19, проблемите со тешкотиите во управувањето со производството предизвикани од недостигот на работна сила и зголемените трошоци за работна сила во индустријата за расад станаа поизразени.

Со развојот на технологијата за осветлување, употребата на вештачка светлина за одгледување садници од зеленчук ги има предностите на високата ефикасност на расад, помалку штетници и болести и лесна стандардизација. Во споредба со традиционалните извори на светлина, новата генерација на LED извори на светлина има карактеристики на заштеда на енергија, висока ефикасност, долг животен век, заштита на животната средина и издржливост, мала големина, ниско топлинско зрачење и мала амплитуда на бранова должина. Може да формулира соодветен спектар според потребите за раст и развој на садници во опкружувањето на растителните фабрики и прецизно да го контролира физиолошкиот и метаболичкиот процес на садници, во исто време, придонесувајќи за без загадување, стандардизирано и брзо производство на садници од зеленчук. , и го скратува циклусот на расад. Во Јужна Кина, потребни се околу 60 дена за одгледување садници од пиперка и домати (3-4 вистински лисја) во пластични оранжерии, а околу 35 дена за садници од краставици (3-5 вистински лисја). Во услови на растителна фабрика, потребни се само 17 дена за одгледување садници од домати и 25 дена за садници од пиперка во услови на фотопериод од 20 часа и PPF од 200-300 μmol/(m2•s). Во споредба со конвенционалниот метод на одгледување садници во стаклена градина, употребата на методот на фабричко одгледување садници со ЛЕД значително го скрати циклусот на раст на краставицата за 15-30 дена, а бројот на женски цветови и плодови по растение се зголеми за 33,8% и 37,3%. , соодветно, а највисокиот принос е зголемен за 71,44%.

Во однос на ефикасноста на искористувањето на енергијата, ефикасноста на искористување на енергијата во фабриките за растенија е повисока од онаа на оранжериите од типот Венло на иста географска ширина. На пример, во шведска фабрика за растенија, потребни се 1411 MJ за производство на 1 kg сува материја зелена салата, додека 1699 MJ се потребни во стаклена градина. Меѓутоа, ако се пресмета потребната електрична енергија за килограм сува материја од зелена салата, на фабриката ѝ се потребни 247 kW·h за да произведе 1 kg сува тежина зелена салата, а оранжериите во Шведска, Холандија и Обединетите Арапски Емирати бараат 182 kW· h, 70 kW·h и 111 kW·h, соодветно.

Во исто време, во фабриката за растенија, употребата на компјутери, автоматска опрема, вештачка интелигенција и други технологии може прецизно да ги контролира еколошките услови погодни за одгледување расад, да се ослободи од ограничувањата на условите на природната средина и да ги реализира интелигентните, механизирано и годишно стабилно производство на расадно производство. Во последниве години, растителните фабрички садници се користат во комерцијалното производство на лиснат зеленчук, овошен зеленчук и други економски култури во Јапонија, Јужна Кореја, Европа и САД и други земји. Високата почетна инвестиција на фабриките за растенија, високите оперативни трошоци и огромната системска потрошувачка на енергија сè уште се тесните грла што ја ограничуваат промоцијата на технологијата за одгледување садници во кинеските фабрики за растенија. Затоа, неопходно е да се земат предвид барањата за висок принос и заштеда на енергија во однос на стратегиите за управување со светлина, воспоставување модели за раст на зеленчук и опрема за автоматизација за да се подобрат економските придобивки.

Во овој напис, се разгледува влијанието на ЛЕД светлосното опкружување врз растот и развојот на садници од зеленчук во растителните фабрики во последниве години, со изгледот на истражувачката насока за регулирање на светлината на садници од зеленчук во растителни фабрики.

1. Ефекти на лесната средина врз растот и развојот на расад од зеленчук

Како еден од суштинските фактори на животната средина за растот и развојот на растенијата, светлината не е само извор на енергија за растенијата за извршување на фотосинтезата, туку и клучен сигнал кој влијае на фотоморфогенезата на растенијата. Растенијата ја чувствуваат насоката, енергијата и квалитетот на светлината на сигналот преку светлосниот сигнален систем, го регулираат сопствениот раст и развој и реагираат на присуството или отсуството, брановата должина, интензитетот и времетраењето на светлината. Моментално познатите фоторецептори на растенијата вклучуваат најмалку три класи: фитохроми (PHYA~PHYE) кои ја чувствуваат црвената и далеку-црвената светлина (FR), криптохромите (CRY1 и CRY2) кои чувствуваат сина и ултравиолетова А и елементи (Phot1 и Photo2), УВ-Б рецептор UVR8 кој го чувствува UV-B. Овие фоторецептори учествуваат и го регулираат изразувањето на сродните гени и потоа ги регулираат животните активности како што се ртење на семето на растенијата, фотоморфогенезата, времето на цветање, синтезата и акумулацијата на секундарните метаболити и толеранцијата на биотски и абиотски стресови.

2. Влијание на ЛЕД светлосната средина врз фотоморфолошкото воспоставување на расад од зеленчук

2.1 Ефекти од различен квалитет на светлина врз фотоморфогенезата на садници од зеленчук

Црвените и сините региони на спектарот имаат висока квантна ефикасност за фотосинтеза на листовите на растенијата. Сепак, долгорочното изложување на листовите од краставица на чиста црвена светлина ќе го оштети фотосистемот, што ќе резултира со феноменот на „синдром на црвено светло“ како што е заостанат одговор на стомаците, намален фотосинтетички капацитет и ефикасност на користење на азот и ретардација на растот. Во услови на низок интензитет на светлина (100±5 μmol/(m2•s)), чиста црвена светлина може да ги оштети хлоропластите и на младите и на зрелите листови на краставицата, но оштетените хлоропласти беа обновени откако ќе се смени од чиста црвена светлина. до црвено и сино светло (R:B= 7:3). Напротив, кога растенијата од краставици се префрлија од околината на црвено-сината светлина во околината со чисто црвено светло, фотосинтетичката ефикасност не се намали значително, што ја покажува приспособливоста кон околината со црвено светло. Преку анализа на електронски микроскоп на структурата на листот на садници од краставици со „синдром на црвена светлина“, експериментаторите открија дека бројот на хлоропласти, големината на скробните гранули и дебелината на граната во листовите под чиста црвена светлина биле значително помали од оние под третман со бела светлина. Интервенцијата на сината светлина ги подобрува ултраструктурните и фотосинтетичките карактеристики на хлоропластите на краставицата и ја елиминира прекумерната акумулација на хранливи материи. Во споредба со белата светлина и црвената и сината светлина, чистата црвена светлина го промовираше хипокотилното издолжување и котиледонското проширување на садниците од домати, значително ја зголеми висината на растението и површината на листовите, но значително го намали фотосинтетичкиот капацитет, ја намали содржината на Рубиско и фотохемиската ефикасност и значително ја зголеми дисипацијата на топлина. Може да се види дека различни видови растенија различно реагираат на ист квалитет на светлина, но во споредба со монохроматската светлина, растенијата имаат поголема ефикасност на фотосинтезата и посилен раст во околината на мешана светлина.

Истражувачите направија многу истражувања за оптимизација на комбинацијата за квалитет на светлина на садници од зеленчук. При ист интензитет на светлина, со зголемување на односот на црвено светло, значително се подобрија висината на растението и свежата тежина на садниците од домати и краставици, а најдобар ефект имаше третманот со сооднос црвено-сино 3:1; напротив, висок сооднос на сина светлина Го инхибираше растот на садници од домати и краставици, кои беа кратки и компактни, но ја зголемија содржината на сува материја и хлорофил во ластарите на садници. Слични модели се забележани и кај други култури, како што се пиперките и лубениците. Покрај тоа, во споредба со белата светлина, црвената и сината светлина (R:B=3:1) не само што значително ја подобрија дебелината на листот, содржината на хлорофил, фотосинтетската ефикасност и ефикасноста на пренос на електрони на садници од домати, туку и нивото на изразување на ензимите поврзани на циклусот Калвин, растот вегетаријанската содржина и акумулацијата на јаглени хидрати исто така беа значително подобрени. Споредувајќи ги двата сооднос на црвена и сина светлина (R:B=2:1, 4:1), повисок сооднос на сина светлина беше попогоден за поттикнување на формирање на женски цветови во садници од краставици и го забрза времето на цветање на женските цветови. . Иако различните соодноси на црвена и сина светлина немаа значајно влијание врз приносот на свежа тежина на садници од кељ, рукола и синап, високиот сооднос на сина светлина (30% сина светлина) значително ја намали должината на хипокотилот и котиледонската површина на кељот. и садници од синап, додека котиледонската боја се продлабочи. Затоа, при производството на садници, соодветно зголемување на процентот на сина светлина може значително да го скрати растојанието помеѓу јазлите и листот на садници од зеленчук, да го промовира страничното продолжување на садниците и да го подобри индексот на јачина на расад, што е погодно за одгледување робусни садници. Под услов интензитетот на светлината да остане непроменет, зголемувањето на зеленото светло во црвено и сино светло значително ја подобри свежата тежина, површината на листот и висината на растението на садници од слатка пиперка. Во споредба со традиционалната бела флуоресцентна светилка, при светло-зелено-сини (R3:G2:B5) услови на светлина, Y[II], qP и ETR на садниците „Окаги бр. 1 домати“ беа значително подобрени. Дополнувањето на UV светлина (100 μmol/(m2•s) сина светлина + 7% UV-A) на чиста сина светлина значително ја намали брзината на издолжување на стеблото на рукола и сенф, додека дополнувањето на FR беше спротивно. Ова исто така покажува дека покрај црвената и сината светлина, важна улога во процесот на раст и развој на растенијата играат и други светлосни квалитети. Иако ниту ултравиолетовата светлина ниту FR не се извор на енергија на фотосинтезата, и двете се вклучени во фотоморфогенезата на растенијата. УВ светлината со висок интензитет е штетна за растителната ДНК и протеини, итн. Сепак, УВ светлината ги активира клеточните реакции на стрес, предизвикувајќи промени во растот, морфологијата и развојот на растенијата за да се прилагодат на промените во животната средина. Истражувањата покажаа дека понискиот R/FR предизвикува реакции на избегнување на сенка кај растенијата, што резултира со морфолошки промени кај растенијата, како што се издолжување на стеблото, разредување на листовите и намален принос на сува материја. Виткото стебленце не е добра особина за раст за одгледување силни садници. За општите лиснати и овошни садници, цврстите, компактни и еластични садници не се склони кон проблеми при транспортот и садењето.

УВ-А може да ги направи расадниците од краставица пократки и покомпактни, а приносот по пресадувањето не е значително различен од оној на контролата; додека УВ-Б има позначајно инхибиторно дејство, а ефектот на намалување на приносот по пресадувањето не е значаен. Претходните студии сугерираа дека УВ-А го инхибира растот на растенијата и ги прави растенијата џуџести. Но, има се повеќе докази дека присуството на УВ-А, наместо да ја потиснува биомасата на културите, всушност ја промовира. Во споредба со основната црвена и бела светлина (R:W=2:3, PPFD е 250 μmol/(m2·s)), дополнителниот интензитет кај црвено-бело светло е 10 W/m2 (околу 10 μmol/(m2· s)) УВ-А на кељот значително ја зголеми биомасата, должината на меѓујазот, дијаметарот на стеблото и ширината на крошната на растението на садници од кељ, но ефектот на промоција беше ослабен кога интензитетот на УВ надмина 10 W/m2. Дневно 2 часа УВ-А суплементација (0,45 J/(m2•s)) може значително да ја зголеми висината на растението, површината на котиледоните и свежата тежина на садници од домати 'Oxheart', истовремено намалувајќи ја содржината на H2O2 во садници од домати. Може да се види дека различни култури различно реагираат на УВ светлина, што може да биде поврзано со чувствителноста на културите на УВ светлина.

За одгледување на калемени садници, должината на стеблото треба соодветно да се зголеми за да се олесни калемењето на подлогата. Различни интензитети на FR имаа различни ефекти врз растот на садници од домати, бибер, краставица, тиква и лубеница. Дополнувањето на 18,9 μmol/(m2•s) FR при ладно бело светло значително ја зголеми должината на хипокотилот и дијаметарот на стеблото на садници од домати и пиперки; FR од 34,1 μmol/(m2•s) имаше најдобар ефект врз промовирањето на должината на хипокотилот и дијаметарот на стеблото на садници од краставица, тиква и лубеница; FR со висок интензитет (53,4 μmol/(m2•s)) имал најдобар ефект врз овие пет зеленчуци. Должината на хипокотилот и дијаметарот на стеблото на садниците повеќе не се зголемија значително и почнаа да покажуваат надолен тренд. Свежата тежина на садници од пиперка значително се намали, што покажува дека вредностите на заситеноста на FR на петте садници од зеленчук беа сите пониски од 53,4 μmol/(m2•s), а вредноста на FR беше значително помала од онаа на FR. Различни се и ефектите врз растот на различни садници од зеленчук.

2.2 Ефекти на различни интегрални дневна светлина врз фотоморфогенезата на садници од зеленчук

Дневниот интеграл (DLI) ја претставува вкупната количина на фотосинтетички фотони добиени од површината на растението во еден ден, што е поврзано со интензитетот на светлината и времето на светлина. Формулата за пресметка е DLI (mol/m2/ден) = интензитет на светлина [μmol/(m2•s)] × Дневно време на светлина (h) × 3600 × 10-6. Во средина со низок интензитет на светлина, растенијата реагираат на средина со слаба осветленост со издолжување на должината на стеблото и меѓунодите, зголемувајќи ја висината на растението, должината на петилата и површината на листот и намалувајќи ја дебелината на листот и нето стапката на фотосинтетика. Со зголемувањето на интензитетот на светлината, освен сенфот, значително се намалија должината на хипокотилот и издолжувањето на стеблото кај садниците од рукола, зелка и кељ под ист квалитет на светлина. Може да се види дека ефектот на светлината врз растот и морфогенезата на растенијата е поврзан со интензитетот на светлината и растителните видови. Со зголемувањето на DLI (8,64~28,8 mol/m2/ден), растителниот тип на садници од краставица стана краток, цврст и компактен, а специфичната тежина на листот и содржината на хлорофил постепено се намалуваа. 6-16 дена по сеидбата на садници од краставици, листовите и корените се исушија. Тежината постепено се зголемувала, а стапката на раст постепено се забрзувала, но 16 до 21 ден по сеидбата, стапката на раст на листовите и корените на садници од краставици значително се намалила. Засилениот DLI ја промовираше нето стапката на фотосинтетика на садници од краставици, но по одредена вредност, нето стапката на фотосинтетика почна да опаѓа. Затоа, изборот на соодветни DLI и усвојувањето на различни дополнителни стратегии за светлина во различни фази на раст на садници може да ја намали потрошувачката на енергија. Со зголемувањето на интензитетот на DLI се зголемува содржината на растворлив шеќер и SOD ензим во садници од краставици и домати. Кога интензитетот на DLI се зголеми од 7,47 mol/m2/ден на 11,26 mol/m2/ден, содржината на растворливиот шеќер и SOD ензимот во садници од краставици се зголеми за 81,03%, односно 55,5%. Под истите услови на DLI, со зголемувањето на интензитетот на светлината и скратувањето на времето на светлина, активноста на PSII на садници од домати и краставици беше инхибирана, а изборот на дополнителна стратегија на светлина со мал интензитет на светлина и долго траење беше попогодна за одгледување високо расад. индекс и фотохемиска ефикасност на садници од краставици и домати.

Во производството на пресадени садници, слабата осветлена средина може да доведе до намалување на квалитетот на пресадените садници и зголемување на времето на заздравување. Соодветниот интензитет на светлина не само што може да ја подобри способноста за врзување на пресаденото заздравувачко место и да го подобри индексот на силни садници, туку и да ја намали положбата на јазлите на женските цветови и да го зголеми бројот на женски цветови. Во растителните фабрики, DLI од 2,5-7,5 mol/m2/ден беше доволен за да се задоволат лековитите потреби на садници пресадени со домати. Компактноста и дебелината на листот на садници од калемениот домат значително се зголемија со зголемување на интензитетот на DLI. Ова покажува дека пресадените садници не бараат висок интензитет на светлина за заздравување. Затоа, земајќи ја предвид потрошувачката на енергија и околината за садење, изборот на соодветен интензитет на светлина ќе помогне да се подобрат економските придобивки.

3. Ефекти на LED светлосната средина врз отпорноста на стрес кај садници од зеленчук

Растенијата добиваат надворешни светлосни сигнали преку фоторецепторите, предизвикувајќи синтеза и акумулација на сигнални молекули во растението, а со тоа го менува растот и функцијата на органите на растенијата и на крајот ја подобрува отпорноста на растението на стрес. Различниот квалитет на светлина има одреден промотивен ефект за подобрување на ладно толеранција и сол толеранција на садници. На пример, кога садници од домати биле дополнети со светлина 4 часа во текот на ноќта, во споредба со третманот без дополнителна светлина, белата светлина, црвената светлина, сината светлина и црвената и сината светлина може да ја намалат пропустливоста на електролити и содржината на MDA на садници од домати, и ја подобрува толеранцијата на студ. Активностите на SOD, POD и CAT кај садниците од домати под третман од 8:2 црвено-сини сооднос беа значително повисоки од оние на другите третмани и тие имаа поголем антиоксидативен капацитет и толеранција на студ.

Ефектот на УВ-Б врз растот на коренот на соја е главно за подобрување на отпорноста на растенијата на стрес преку зголемување на содржината на коренот NO и ROS, вклучувајќи ги и сигналните молекули на хормони како што се ABA, SA и JA, и го инхибираат развојот на коренот со намалување на содржината на IAA. , CTK и GA. Фоторецепторот на UV-B, UVR8, не само што е вклучен во регулирањето на фотоморфогенезата, туку и игра клучна улога во UV-B стресот. Во садници од домати, UVR8 посредува во синтезата и акумулацијата на антоцијаните, а садниците од диви домати аклиматирани на УВ ја подобруваат нивната способност да се справат со стресот со висок интензитет на УВ-Б. Сепак, адаптацијата на UV-B на стресот од суша предизвикана од Arabidopsis не зависи од UVR8 патеката, што укажува дека UV-B делува како сигнал-индуцирана вкрстена реакција на механизмите за одбрана на растенијата, така што различни хормони се заеднички вклучени во отпорот на сушниот стрес, зголемувајќи ја способноста за чистење на ROS.

И издолжувањето на растителниот хипокотил или стеблото предизвикано од FR и адаптацијата на растенијата на студениот стрес се регулирани од растителните хормони. Затоа, „ефектот на избегнување сенка“ предизвикан од FR е поврзан со ладна адаптација на растенијата. Експериментаторите ги дополниле садниците од јачмен 18 дена по ртење на 15°C во текот на 10 дена, ладејќи до 5°C + дополнувајќи го FR за 7 дена, и откриле дека во споредба со третманот со бела светлина, FR ја зголемил отпорноста на мраз на садниците од јачмен. Овој процес е придружен со зголемена содржина на АБА и ИАА кај садниците од јачмен. Последователно пренесување на 15°C FR-претретирани садници од јачмен на 5°C и продолжено дополнување со FR за 7 дена резултираше со слични резултати на горенаведените два третмани, но со намален АБА одговор. Растенијата со различни вредности на R:FR ја контролираат биосинтезата на фитохормоните (GA, IAA, CTK и ABA), кои исто така се вклучени во толеранцијата на растителна сол. Под стрес на сол, нискиот сооднос R:FR светлосна средина може да го подобри антиоксидантниот и фотосинтетичкиот капацитет на садници од домати, да го намали производството на ROS и MDA во садниците и да ја подобри толеранцијата на сол. И стресот на соленоста и ниската вредност R:FR (R:FR=0,8) ја инхибираат биосинтезата на хлорофилот, што може да биде поврзано со блокираната конверзија на PBG во UroIII на патеката на синтеза на хлорофил, додека ниската R:FR средина може ефикасно да ја ублажи соленоста Нарушување на синтезата на хлорофилот предизвикано од стрес. Овие резултати укажуваат на значајна корелација помеѓу фитохромите и толеранцијата на сол.

Покрај светлосната средина, врз растот и квалитетот на расадот од зеленчук влијаат и други фактори на животната средина. На пример, зголемувањето на концентрацијата на CO2 ќе ја зголеми максималната вредност на заситеноста на светлината Pn (Pnmax), ќе ја намали точката на компензација на светлината и ќе ја подобри ефикасноста на искористување на светлината. Зголемувањето на интензитетот на светлината и концентрацијата на CO2 помага да се подобри содржината на фотосинтетички пигменти, ефикасноста на користењето вода и активностите на ензимите поврзани со циклусот Калвин, и конечно да се постигне поголема фотосинтетска ефикасност и акумулација на биомаса на садници од домати. Сувата тежина и компактноста на садници од домати и пиперка беа позитивна корелација со DLI, а промената на температурата исто така влијаеше на растот при истиот третман со DLI. Околината од 23 ~ 25 ℃ беше посоодветна за раст на садници од домати. Според условите на температурата и светлината, истражувачите развија метод за предвидување на релативната стапка на раст на пиперката врз основа на моделот на дистрибуција на бате, што може да обезбеди научни насоки за регулирање на животната средина на производството на садници со калемење пиперка.

Затоа, при дизајнирање на шема за регулирање на светлината во производството, не треба да се земат предвид само факторите на светлосната средина и растителните видови, туку и факторите на одгледување и управување, како што се исхраната на садници и управувањето со водата, околината на гасот, температурата и фазата на раст на садници.

4. Проблеми и изгледи

Прво, регулацијата на светлината на садници од зеленчук е софистициран процес и треба детално да се анализираат ефектите од различните светлосни услови на различни видови садници од зеленчук во околината на фабриката за растенија. Тоа значи дека за да се постигне целта за високоефикасно и квалитетно производство на расад, потребно е континуирано истражување за да се воспостави зрел технички систем.

Второ, иако стапката на искористување на енергијата на LED изворот на светлина е релативно висока, потрошувачката на енергија за осветлување на растенијата е главната потрошувачка на енергија за одгледување садници со помош на вештачка светлина. Огромната потрошувачка на енергија на фабриките за растенија сè уште е тесно грло што го ограничува развојот на фабриките за растенија.

Конечно, со широката примена на осветлувањето на растенијата во земјоделството, трошоците за LED светла за растенија се очекува да бидат значително намалени во иднина; напротив, зголемувањето на трошоците за работна сила, особено во пост-епидемиската ера, недостатокот на работна сила е обврзан да го промовира процесот на механизација и автоматизација на производството. Во иднина, контролните модели засновани на вештачка интелигенција и интелигентната производствена опрема ќе станат една од основните технологии за производство на садници од зеленчук и ќе продолжат да го промовираат развојот на технологијата за расад во фабриката за растенија.

Автори: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Извор на статија: Wechat сметка за земјоделска инженерска технологија (оранжериска хортикултура)