Апстракт: Садниците од зеленчук се првиот чекор во производството на зеленчук, а квалитетот на садниците е многу важен за приносот и квалитетот на зеленчукот по садењето. Со континуираното усовршување на поделбата на трудот во индустријата за зеленчук, садниците од зеленчук постепено формираа независен индустриски синџир и му служат на производството на зеленчук. Погодени од лоши временски услови, традиционалните методи на садење неизбежно се соочуваат со многу предизвици како што се бавен раст на садниците, раст на ногавиците, штетници и болести. За справување со ногавиците, многу комерцијални одгледувачи користат регулатори на раст. Сепак, постојат ризици од ригидност на садниците, безбедност на храната и контаминација на животната средина со употреба на регулатори на раст. Покрај методите за хемиска контрола, иако механичката стимулација, контролата на температурата и водата исто така можат да играат улога во спречувањето на растот на ногавиците на садниците, тие се малку помалку практични и ефикасни. Под влијание на глобалната нова епидемија на Ковид-19, проблемите со тешкотиите во управувањето со производството предизвикани од недостиг на работна сила и зголемување на трошоците за работна сила во индустријата за садници станаа поизразени.

Со развојот на технологијата за осветлување, употребата на вештачко светло за одгледување садници од зеленчук има предности како што се висока ефикасност на садници, 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 век на траење, 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 садниците во околината на фабриките за растенија и прецизно да го контролира физиолошкиот и метаболичкиот процес на садниците, во исто време, придонесувајќи за беззагадување, стандардизирано и брзо производство на садници од зеленчук, и скратувајќи го циклусот на садење. Во Јужна Кина, потребни се околу 60 дена за одгледување садници од пиперки и домати (3-4 вистински лисја) во пластични оранжерии, а околу 35 дена за садници од краставици (3-5 вистински лисја). Во услови на фабрика за растенија, потребни се само 17 дена за одгледување садници од домати и 25 дена за садници од пиперки под услови на фотопериод од 20 часа и PPF од 200-300 μmol/(m2•s). Во споредба со конвенционалниот метод на одгледување расад во стаклена градина, употребата на методот на одгледување расад во фабрика со LED растенија 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 беше зголемен за 71,44%.

Во однос на ефикасноста на искористување на енергијата, ефикасноста на искористување на енергијата кај фабриките за растенија е поголема од онаа кај оранжериите од типот Венло на иста географска ширина. На пример, во шведска фабрика за растенија, потребни се 1411 MJ за производство на 1 кг сува материја од зелена салата, додека во оранжерија се потребни 1699 MJ. Меѓутоа, ако се пресмета електричната енергија потребна по килограм сува материја од зелена салата, на фабриката за растенија ѝ се потребни 247 kW·h за производство на 1 кг сува тежина од зелена салата, а на оранжериите во Шведска, Холандија и Обединетите Арапски Емирати им се потребни 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 условите на животната средина погодни за одгледување садници, да се ослободи од ограничувањата на условите на природната средина и да се реализира интелигентно, механизирано и годишно стабилно производство на садници. Во последниве години, садниците од фабриките за растенија се користат во комерцијалното производство на лиснат зеленчук, овошен зеленчук и други економски култури во Јапонија, Јужна Кореја, Европа и САД и други земји. Високите почетни инвестиции во фабриките за растенија, високите оперативни трошоци и огромната потрошувачка на енергија во системот сè уште се тесни грла што ја ограничуваат промоцијата на технологијата за одгледување садници во кинеските фабрики за растенија. Затоа, потребно е да се земат предвид барањата за висок принос и заштеда на енергија во однос на стратегиите за управување со светлината, воспоставувањето модели за раст на зеленчук и опремата за автоматизација за подобрување на економските придобивки.

Во овој труд, се разгледува влијанието на LED светлосната средина врз растот и развојот на градинарските садници во фабриките за растенија во последниве години, со поглед на истражувачката насока на регулирање на светлината на градинарските садници во фабриките за растенија.

1. Влијание на светлосната средина врз растот и развојот на садниците од зеленчук

Како еден од основните фактори на животната средина за раст и развој на растенијата, светлината не е само извор на енергија за растенијата за спроведување на фотосинтезата, туку и клучен сигнал што влијае на фотоморфогенезата на растенијата. Растенијата ја чувствуваат насоката, енергијата и квалитетот на светлината на сигналот преку системот на светлосни сигнали, 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 далечно црвената светлина (FR), криптохроми (CRY1 и CRY2) кои ја чувствуваат сината и ултравиолетовата А светлина и елементи (Phot1 и Phot2), UV-B рецепторот UVR8 кој ја чувствува UV-B светлината. Овие фоторецептори учествуваат и ја регулираат експресијата на сродни гени, а потоа ги регулираат животните активности како што се ртење на семето на растението, фотоморфогенезата, времето на цветање, синтезата и акумулацијата на секундарни метаболити и толеранцијата на биотски и абиотски стресови.

2. Влијание на LED светлосната средина врз фотоморфолошката етаблација на градинарските садници

2.1 Ефекти на 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, долготрајната изложеност на листовите од краставица на чиста црвена светлина ќе го оштети фотосистемот, што резултира со феноменот на „синдром на црвена светлина“, како што се зашеметен стоматален одговор, намален фотосинтетски капацитет и ефикасност на користење на азот, како и застој во растот. Под услови на низок интензитет на светлина (100 ± 5 μmol/(m2•s)), чистата црвена светлина може да ги оштети хлоропластите и на младите и на зрелите листови на краставицата, но оштетените хлоропласти беа обновени откако се смени од чиста црвена светлина во црвена и сина светлина (R:B= 7:3). Напротив, кога растенијата од краставица се префрлија од црвено-сина светлина во чиста црвена светлина, фотосинтетската ефикасност не се намали значително, што покажува прилагодливост кон црвената светлина. Преку анализа со електронски микроскоп на структурата на листот на садници од краставица со „синдром на црвена светлина“, експериментаторите открија дека бројот на хлоропласти, големината на скробните гранули и дебелината на гранулите во листовите под чисто црвена светлина беа значително помали од оние под третман со бела светлина. Интервенцијата на сината светлина ги подобрува ултраструктурните и фотосинтетските карактеристики на хлоропластите на краставицата и го елиминира прекумерното акумулирање на хранливи материи. Во споредба со белата светлина и црвената и сината светлина, чистата црвена светлина го промовира издолжувањето на хипокотилот и ширењето на котиледоните кај садниците од домати, значително ја зголемува висината на растението и површината на листовите, но значително го намалува фотосинтетскиот капацитет, ја намалува содржината на Рубиско и фотохемиската ефикасност и значително ја зголемува дисипацијата на топлината. Може да се види дека различните видови растенија реагираат различно на ист квалитет на светлина, но во споредба со монохроматската светлина, растенијата имаат поголема ефикасност на фотосинтезата и поенергичен раст во средина со мешана светлина.

Истражувачите направиле многу истражувања за оптимизација на комбинацијата на квалитет на светлина кај зеленчукови садници. Под ист интензитет на светлина, со зголемување на односот на црвена светлина, висината на растението и свежата тежина на садниците од домати и краставици беа значително подобрени, а третманот со однос на црвена кон сина светлина од 3:1 имаше најдобар ефект; напротив, високиот однос на сина светлина го инхибираше растот на садниците од домати и краставици, кои беа кратки и компактни, но ја зголеми содржината на сува материја и хлорофил во изданоците на садниците. 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, ефикасноста на фотосинтезата и ефикасноста на пренос на електрони кај садниците од домати, туку и нивоата на експресија на ензимите поврзани со циклусот Калвин, содржината на раст и акумулацијата на јаглехидрати беа исто така значително подобрени. Споредувајќи ги двата соодноси на црвена и сина светлина (R:B=2:1, 4:1), повисокиот сооднос на сина светлина бил поповолен за поттикнување на формирање на женски цветови кај садниците од краставици и го забрзал времето на цветање на женските цветови. Иако различните соодноси на црвена и сина светлина немале значаен ефект врз приносот на свежа тежина кај садниците од кељ, рукола и сенф, високиот сооднос на сина светлина (30% сина светлина) значително ја намалил должината на хипокотилот и површината на котиледонот кај садниците од кељ и сенф, додека бојата на котиледонот се продлабочила. Затоа, при производството на садници, соодветното зголемување на процентот на сина светлина може значително да го скрати растојанието меѓу јазлите и површината на листовите кај садниците од зеленчук, да го поттикне страничното продолжување на садниците и да го подобри индексот на јачина на садниците, што е погодно за одгледување робусни садници. Под услов интензитетот на светлината да остане непроменет, зголемувањето на зелената светлина во црвената и сината светлина значително ја подобрила свежата тежина, површината на листовите и висината на растението кај садниците од слатка пиперка. Во споредба со традиционалната бела флуоресцентна светилка, под црвено-зелено-сини услови на светлина (R3:G2:B5), Y[II], qP и ETR на садниците од видот „Окаги бр. 1 домат“ беа значително подобрени. Додавањето на UV светлина (100 μmol/(m2•s) сина светлина + 7% UV-A) на чиста сина светлина значително ја намали брзината на издолжување на стеблото кај руколата и сенфот, додека додавањето на FR беше спротивно. Ова исто така покажува дека покрај црвената и сината светлина, и други квалитети на светлината играат важна улога во процесот на раст и развој на растенијата. Иако ниту ултравиолетовата светлина ниту FR не се извор на енергија на фотосинтезата, обете се вклучени во фотоморфогенезата на растенијата. UV светлината со висок интензитет е штетна за растителната ДНК и протеините итн. Сепак, UV 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. Студиите 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, истенчување на листовите и намален принос на сува материја. Тенкиот стебленце не е добра карактеристика на раст за одгледување силни садници. За општите садници од лиснат и овошен зеленчук, цврстите, компактни и еластични садници не се склони кон проблеми за време на транспортот и садењето.

UV-A може да ги направи растенијата од расад од краставица пократки и покомпактни, а приносот по пресадувањето не е значително различен од оној на контролната група; додека UV-B има позначаен инхибиторен ефект, ефектот на намалување на приносот по пресадувањето не е значаен. Претходните студии сугерираат дека UV-A го инхибира растот на растенијата и ги прави растенијата џуџести. Но, постојат сè повеќе докази дека присуството на UV-A, наместо да ја потиснува биомасата на културите, всушност ја поттикнува. Во споредба со основната црвена и бела светлина (R:W=2:3, PPFD е 250 μmol/(m2·s)), дополнителниот интензитет на црвената и белата светлина е 10 W/m2 (околу 10 μmol/(m2·s)). UV-A зрачењето на кељот значително ја зголеми биомасата, должината на меѓуножјето, дијаметарот на стеблото и ширината на крошната на растението кај садниците од кељ, но ефектот на промоција беше ослабен кога интензитетот на UV зрачењето надмина 10 W/m2. Дневното 2-часовно дополнување со UV-A зрачење (0,45 J/(m2•s)) може значително да ја зголеми висината на растението, површината на котиледоните и свежата тежина на садниците од домати „Oxeart“, а воедно да ја намали содржината на H2O2 во садниците од домати. Може да се види дека различните култури реагираат различно на UV светлината, што може да биде поврзано со чувствителноста на културите на UV светлина.

За одгледување на калемени садници, должината на стеблото треба соодветно да се зголеми за да се олесни калемењето на подлогата. Различните интензитети на FR имаа различни ефекти врз растот на садниците од домати, пиперки, краставици, тикви и лубеници. Додавањето на 18,9 μmol/(m2•s) FR на ладна бела светлина значително ја зголеми должината на хипокотилот и дијаметарот на стеблото на садниците 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 садниците од краставици, тикви и лубеници; FR со висок интензитет (53,4 μmol/(m2•s)) имаше најдобар ефект врз овие пет зеленчуци. Должината на хипокотилот и дијаметарот на стеблото на садниците повеќе не се зголемија значително и почнаа да покажуваат тренд на опаѓање. Свежата тежина на садниците од пиперки значително се намали, што укажува дека вредностите на заситеност на FR на петте садници од зеленчук биле пониски од 53,4 μmol/(m2•s), а вредноста на FR била значително пониска од онаа на FR. Ефектите врз растот на различните садници од зеленчук се исто така различни.

2.2 Ефекти на различен интеграл на дневна светлина врз фотоморфогенезата на садници од зеленчук

Интегралот на дневната светлина (DLI) го претставува вкупниот број на фотосинтетски фотони што ги прима 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 светлина со издолжување на должината на стеблото и меѓуножјето, зголемување на висината на растението, должината на петелката и површината на листот, како и намалување на дебелината на листот и нето брзината на фотосинтеза. Со зголемувањето на интензитетот на светлината, освен за сенфот, должината на хипокотилот и издолжувањето на стеблото кај садниците од рукола, зелка и кељ под ист квалитет на светлина значително се намалија. Може да се види дека ефектот на светлината врз растот и морфогенезата на растенијата е поврзан со интензитетот на светлината и растителниот вид. Со зголемувањето на DLI (8,64~28,8 mol/m2/ден), растителниот тип на садници од краставица стана низок, силен и компактен, а специфичната тежина на листот и содржината на хлорофил постепено се намалија. 6~16 дена по сеидбата на садниците од краставица, листовите и корените се исушија. Тежината постепено се зголеми, а стапката на раст постепено се забрза, но 16 до 21 ден по сеидбата, стапката на раст на листовите и корените на садниците од краставица значително се намали. Подобрениот DLI ја зголеми нето фотосинтетската стапка на садниците од краставица, но по одредена вредност, нето фотосинтетската стапка почна да опаѓа. Затоа, изборот на соодветен DLI и усвојувањето различни стратегии за дополнително осветлување во различни фази на раст на садниците може да ја намали потрошувачката на енергија. Содржината на растворлив шеќер и SOD ензим кај садниците од краставица и домат се зголеми со зголемувањето на интензитетот на DLI. Кога интензитетот на DLI се зголеми од 7,47 mol/m2/ден на 11,26 mol/m2/ден, содржината на растворлив шеќер и SOD ензим кај садниците од краставица се зголеми за 81,03% и 55,5%, соодветно. Под истите DLI услови, со зголемување на интензитетот на светлината и скратување на времето на светлина, активноста на PSII кај садниците од домати и краставици беше инхибирана, а изборот на дополнителна стратегија на светлина со низок интензитет на светлина и долго траење беше поповолен за одгледување висок индекс на расад и фотохемиска ефикасност на садници од краставици и домати.

При производството на калемени садници, средината со слаба светлина може да доведе до намалување на квалитетот на калемените садници и зголемување на времето на заздравување. Соодветниот интензитет на светлината не само што може да ја зголеми способноста за врзување на калеменото место за заздравување и да го подобри индексот на силни садници, туку и да ја намали позицијата на јазлите на женските цветови и да го зголеми бројот на женски цветови. Во фабриките за растенија, DLI од 2,5-7,5 mol/m2/ден беше доволен за да ги задоволи потребите за заздравување на калемените садници од домати. Компактноста и дебелината на листовите на калемените садници од домати значително се зголемија со зголемување на интензитетот на DLI. Ова покажува дека на калемените садници не им е потребен висок интензитет на светлина за заздравување. Затоа, земајќи ја предвид потрошувачката на енергија и средината за садење, изборот на соодветен интензитет на светлина ќе помогне во подобрувањето на економските придобивки.

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

Растенијата примаат надворешни светлосни сигнали преку фоторецептори, што предизвикува синтеза и акумулација на сигнални молекули во растението, со што се менува растот и функцијата на растителните органи и на крајот се подобрува отпорноста на растението на стрес. Различниот квалитет на светлина има одреден промотивен ефект врз подобрувањето на толеранцијата на студ и сол на садниците. На пример, кога садниците од домати беа дополнети со светлина 4 часа навечер, во споредба со третманот без дополнителна светлина, белата светлина, црвената светлина, сината светлина и црвената и сината светлина можеа да ја намалат електролитната пропустливост и содржината на MDA кај садниците од домати и да ја подобрат толеранцијата на студ. Активностите на SOD, POD и CAT во садниците од домати под третман со сооднос црвено-сино од 8:2 беа значително повисоки од оние на другите третмани, и тие имаа поголем антиоксидативен капацитет и толеранција на студ.

Влијанието на UV-B врз растот на коренот на сојата е главно во подобрување на отпорноста на растенијата на стрес преку зголемување на содржината на NO и ROS во коренот, вклучувајќи ги и молекулите за хормонска сигнализација како што се ABA, SA и JA, и инхибирање на развојот на коренот преку намалување на содржината на IAA, CTK и GA. Фоторецепторот на UV-B, UVR8, не е вклучен само во регулирањето на фотоморфогенезата, туку игра и клучна улога во UV-B стресот. Кај садниците од домати, UVR8 посредува во синтезата и акумулацијата на антоцијанини, а UV-аклимираните садници од див домат ја подобруваат нивната способност да се справат со UV-B стресот со висок интензитет. Сепак, адаптацијата на UV-B кон стресот од суша предизвикан од Arabidopsis не зависи од UVR8 патеката, што укажува дека UV-B делува како вкрстен одговор предизвикан од сигнал на одбранбените механизми на растенијата, така што различни хормони се заеднички вклучени во отпорноста на стресот од суша, зголемувајќи ја способноста за чистење на ROS.

И издолжувањето на растителниот хипокотил или стебло предизвикано од FR и адаптацијата на растенијата на студен стрес се регулирани од растителни хормони. Затоа, „ефектот на избегнување на сенка“ предизвикан од FR е поврзан со ладна адаптација на растенијата. Експериментаторите ги дополнувале садниците од јачмен 18 дена по ртењето на 15°C во тек на 10 дена, ладејќи на 5°C + дополнувајќи FR во тек на 7 дена, и откриле дека во споредба со третманот со бела светлина, FR ја зголемува отпорноста на мраз на садниците од јачмен. Овој процес е придружен со зголемена содржина на ABA и IAA во садниците од јачмен. Последователното префрлање на садници од јачмен претходно третирани со FR на 15°C на 5°C и продолженото дополнување со FR во тек на 7 дена резултирало со слични резултати како и горенаведените два третмани, но со намален ABA 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 сол кај растенијата. Под стрес од сол, светлосната средина со низок сооднос R:FR може да го подобри антиоксидативниот и фотосинтетскиот капацитет на садниците од домати, да го намали производството на ROS и MDA во садниците и да ја подобри толеранцијата на сол. И стресот од соленост и ниската вредност на R:FR (R:FR=0,8) ја инхибираат биосинтезата на хлорофил, што може да биде поврзано со блокираната конверзија на PBG во UroIII во патеката за синтеза на хлорофил, додека средината со низок R:FR може ефикасно да го ублажи оштетувањето на синтезата на хлорофил предизвикано од стрес од соленост. Овие резултати укажуваат на значајна корелација помеѓу фитохромите и толеранцијата на сол.

Покрај светлосната средина, и други фактори на животната средина влијаат врз растот и квалитетот на садниците од зеленчук. На пример, зголемувањето на концентрацијата на CO2 ќе ја зголеми максималната вредност на заситеност со светлина 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 фотосинтетски пигменти, ефикасноста на користењето на водата и активностите на ензимите поврзани со циклусот Калвин, и конечно да се постигне поголема фотосинтетска ефикасност и акумулација на биомаса кај садниците од домати. Сувата тежина и компактноста на садниците од домати и пиперки беа позитивно корелирани со DLI, а промената на температурата, исто така, влијаеше на растот под истиот третман со DLI. Средината од 23~25℃ беше посоодветна за раст на садници од домати. Според температурата и условите на светлина, истражувачите развија метод за предвидување на релативната стапка на раст на пиперката врз основа на моделот на дистрибуција на бадеми, што може да обезбеди научни насоки за регулирање на животната средина на производството на садници од калемење на пиперки.

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

4. Проблеми и перспективи

Прво, регулирањето на светлината кај зеленчуковиот саден материјал е софистициран процес, а ефектите од различните светлосни услови врз различните видови зеленчукови садници во фабричката средина треба детално да се анализираат. Ова значи дека за да се постигне целта за високоефикасно и висококвалитетно производство на саден материјал, потребно е континуирано истражување за да се воспостави зрел технички систем.

Второ, иако стапката на искористување на енергијата од LED изворот на светлина е релативно висока, потрошувачката на енергија за осветлување на растенијата е главната потрошувачка на енергија за одгледување садници со употреба 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, се очекува цената на LED светлата за растенија значително да се намали во иднина; напротив, зголемувањето на трошоците за работна сила, особено во пост-епидемиската ера, недостатокот на работна сила е неизбежен да го промовира процесот на механизација и автоматизација на производството. Во иднина, моделите за контрола базирани на вештачка интелигенција и интелигентната опрема за производство ќе станат една од основните технологии за производство на садници од зеленчук и ќе продолжат да го промовираат развојот на технологијата за садници во фабриките за растенија.

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