Sammendrag: Grønnsaksfrøplanter er det første trinnet i grønnsaksproduksjonen, og kvaliteten på frøplanter er svært viktig for utbytte og kvalitet på grønnsaker etter planting. Med den kontinuerlige foredlingen av arbeidsdelingen i grønnsaksindustrien har grønnsaksfrøplanter gradvis dannet en uavhengig industrikjede og servert grønnsaksproduksjon. Påvirket av dårlig vær, møter tradisjonelle frøplantemetoder uunngåelig mange utfordringer som langsom vekst av frøplanter, beinvekst og skadedyr og sykdommer. For å håndtere langbenede frøplanter bruker mange kommersielle kultivatorer vekstregulatorer. Imidlertid er det risiko for frøplantestivhet, mattrygghet og miljøforurensning ved bruk av vekstregulatorer. I tillegg til kjemiske kontrollmetoder, selv om mekanisk stimulering, temperatur- og vannkontroll også kan spille en rolle for å forhindre beinvekst av frøplanter, er de litt mindre praktiske og effektive. Under virkningen av den nye globale Covid-19-epidemien har problemene med produksjonsstyringsvansker forårsaket av mangel på arbeidskraft og økende arbeidskostnader i frøplanteindustrien blitt mer fremtredende.

Med utviklingen av belysningsteknologi har bruken av kunstig lys for oppdrett av grønnsaker frøplanter fordelene med høy frøplanteeffektivitet, mindre skadedyr og sykdommer og enkel standardisering. Sammenlignet med tradisjonelle lyskilder har den nye generasjonen LED-lyskilder egenskapene energisparing, høy effektivitet, lang levetid, miljøvern og holdbarhet, liten størrelse, lav termisk stråling og liten bølgelengdeamplitude. Den kan formulere passende spektrum i henhold til vekst- og utviklingsbehovene til frøplanter i miljøet til plantefabrikker, og nøyaktig kontrollere den fysiologiske og metabolske prosessen til frøplanter, samtidig som det bidrar til forurensningsfri, standardisert og rask produksjon av grønnsaksfrøplanter , og forkorter frøplantesyklusen. I Sør-Kina tar det ca. 60 dager å dyrke pepper- og tomatfrøplanter (3-4 ekte blader) i plastveksthus, og ca. 35 dager for agurkfrøplanter (3-5 ekte blader). Under plantefabrikkforhold tar det bare 17 dager å dyrke tomatfrøplanter og 25 dager for pepperfrøplanter under betingelser med en fotoperiode på 20 timer og en PPF på 200-300 μmol/(m2•s). Sammenlignet med den konvensjonelle frøplantedyrkingsmetoden i drivhuset, forkortet bruken av LED-plantefabrikkfrøplantedyrkingsmetoden betydelig agurkvekstsyklusen med 15-30 dager, og antall hunnblomster og frukt per plante økte med 33,8 % og 37,3 % , henholdsvis, og den høyeste yielden ble økt med 71,44 %.

Når det gjelder energiutnyttelseseffektivitet, er energiutnyttelseseffektiviteten til plantefabrikker høyere enn for drivhus av Venlo-typen på samme breddegrad. For eksempel, i en svensk plantefabrikk kreves det 1411 MJ for å produsere 1 kg tørrstoff av salat, mens det kreves 1699 MJ i et drivhus. Men hvis elektrisiteten som kreves per kilo salat tørrstoff beregnes, trenger fabrikkfabrikken 247 kW·h for å produsere 1 kg tørrvekt salat, og drivhusene i Sverige, Nederland og De forente arabiske emirater krever 182 kW· h, 70 kW·h og 111 kW·h, henholdsvis.

Samtidig, i plantefabrikken, kan bruk av datamaskiner, automatisk utstyr, kunstig intelligens og andre teknologier nøyaktig kontrollere miljøforholdene som er egnet for frøplantedyrking, kvitte seg med begrensningene i naturlige miljøforhold og realisere de intelligente, mekanisert og årlig stabil produksjon av frøplanteproduksjon. De siste årene har plantefabrikkfrøplanter blitt brukt i kommersiell produksjon av bladgrønnsaker, fruktgrønnsaker og andre økonomiske avlinger i Japan, Sør-Korea, Europa og USA og andre land. Den høye initialinvesteringen til plantefabrikker, høye driftskostnader og det enorme energiforbruket til systemet er fortsatt flaskehalsene som begrenser promoteringen av frøplantedyrkingsteknologi i kinesiske plantefabrikker. Derfor er det nødvendig å ta hensyn til kravene til høy avkastning og energisparing når det gjelder lysstyringsstrategier, etablering av grønnsaksvekstmodeller og automatiseringsutstyr for å forbedre økonomiske fordeler.

I denne artikkelen gjennomgås påvirkningen av LED-lysmiljø på vekst og utvikling av grønnsaksfrøplanter i plantefabrikker de siste årene, med utsikter til forskningsretningen for lysregulering av grønnsaksfrøplanter i plantefabrikker.

1. Effekter av lysmiljø på vekst og utvikling av grønnsaksfrøplanter

Som en av de essensielle miljøfaktorene for plantevekst og utvikling, er lys ikke bare en energikilde for planter for å utføre fotosyntese, men også et nøkkelsignal som påvirker plantefotomorfogenesen. Planter føler retningen, energien og lyskvaliteten til signalet gjennom lyssignalsystemet, regulerer sin egen vekst og utvikling, og reagerer på tilstedeværelse eller fravær, bølgelengde, intensitet og varighet av lys. For tiden kjente plantefotoreseptorer inkluderer minst tre klasser: fytokromer (PHYA~PHYE) som registrerer rødt og langt rødt lys (FR), kryptokromer (CRY1 og CRY2) som registrerer blått og ultrafiolett A, og elementer (Phot1 og Phot2), UV-B-reseptor UVR8 som registrerer UV-B. Disse fotoreseptorene deltar i og regulerer uttrykket av beslektede gener og regulerer deretter livsaktiviteter som plantefrøspiring, fotomorfogenese, blomstringstid, syntese og akkumulering av sekundære metabolitter, og toleranse for biotiske og abiotiske påkjenninger.

2. Påvirkning av LED-lysmiljø på fotomorfologisk etablering av grønnsaksfrøplanter

2.1 Effekter av forskjellig lyskvalitet på fotomorfogenesen til grønnsaksfrøplanter

De røde og blå områdene i spekteret har høy kvanteeffektivitet for plantebladfotosyntese. Imidlertid vil langvarig eksponering av agurkblader for rent rødt lys skade fotosystemet, noe som resulterer i fenomenet "rødt lyssyndrom" som forkrøplet stomatal respons, redusert fotosyntetisk kapasitet og nitrogenbrukseffektivitet og vekstretardasjon. Under betingelser med lav lysintensitet (100±5 μmol/(m2•s)), kan rent rødt lys skade kloroplastene til både unge og modne blader av agurk, men de skadede kloroplastene ble gjenvunnet etter at det ble endret fra rent rødt lys til rødt og blått lys (R:B= 7:3). Tvert imot, da agurkplantene byttet fra miljøet med rødt-blått lys til miljøet med rent rødt lys, ble ikke den fotosyntetiske effektiviteten redusert nevneverdig, noe som viste tilpasningsevnen til miljøet med rødt lys. Gjennom elektronmikroskopanalyse av bladstrukturen til agurkfrøplanter med "rødt lys-syndrom", fant forsøkslederne at antall kloroplaster, størrelsen på stivelsesgranulat og tykkelsen på grana i blader under rent rødt lys var betydelig lavere enn de under behandling med hvitt lys. Inngrepet av blått lys forbedrer ultrastrukturen og de fotosyntetiske egenskapene til agurkkloroplaster og eliminerer overdreven akkumulering av næringsstoffer. Sammenlignet med hvitt lys og rødt og blått lys fremmet rent rødt lys hypokotylforlengelse og kotyledonutvidelse av tomatfrøplanter, betydelig økt plantehøyde og bladareal, men betydelig redusert fotosyntetisk kapasitet, redusert Rubisco-innhold og fotokjemisk effektivitet, og betydelig økt varmespredning. Man kan se at ulike typer planter reagerer ulikt på samme lyskvalitet, men sammenlignet med monokromatisk lys har planter høyere fotosynteseeffektivitet og kraftigere vekst i miljøet med blandet lys.

Forskere har gjort mye forskning på optimalisering av lyskvalitetskombinasjonen av grønnsaksfrøplanter. Under samme lysintensitet, med økningen av forholdet mellom rødt lys, ble plantehøyden og ferskvekten til tomat- og agurkfrøplanter betydelig forbedret, og behandlingen med et forhold mellom rødt og blått på 3:1 hadde best effekt; tvert imot, et høyt forhold mellom blått lys Det hemmet veksten av tomat- og agurkfrøplanter, som var korte og kompakte, men økte innholdet av tørrstoff og klorofyll i skuddene til frøplanter. Lignende mønstre er observert i andre avlinger, som paprika og vannmeloner. I tillegg, sammenlignet med hvitt lys, forbedret rødt og blått lys (R:B=3:1) ikke bare bladtykkelsen, klorofyllinnholdet, fotosynteseeffektiviteten og elektronoverføringseffektiviteten til tomatfrøplanter, men også ekspresjonsnivåene til enzymer relatert. til Calvin-syklusen ble vekstvegetarinnhold og karbohydratakkumulering også betydelig forbedret. Ved å sammenligne de to forholdene mellom rødt og blått lys (R:B=2:1, 4:1), var et høyere forhold mellom blått lys mer gunstig for å indusere dannelsen av hunnblomster i agurkfrøplanter og akselererte blomstringstiden til hunnblomster . Selv om forskjellige forhold mellom rødt og blått lys ikke hadde noen signifikant effekt på ferskvektsutbyttet til grønnkål, ruccola og sennepsfrøplanter, reduserte et høyt forhold mellom blått lys (30 % blått lys) hypokotyllengden og frøbladsarealet til grønnkålen betydelig. og sennepsfrøplanter, mens cotyledon-fargen ble dypere. Derfor, ved produksjon av frøplanter, kan en passende økning i andelen blått lys betydelig forkorte nodeavstanden og bladarealet til grønnsaksfrøplanter, fremme lateral forlengelse av frøplanter og forbedre frøplantestyrkeindeksen, noe som bidrar til dyrke robuste frøplanter. Under forutsetning av at lysintensiteten forble uendret, forbedret økningen av grønt lys i rødt og blått lys den friske vekten, bladarealet og plantehøyden til søtpepperfrøplanter betydelig. Sammenlignet med den tradisjonelle hvite fluorescerende lampen, under de rød-grønn-blå (R3:G2:B5) lysforholdene, ble Y[II], qP og ETR for 'Okagi No. 1 tomat' frøplanter betydelig forbedret. Tilskudd av UV-lys (100 μmol/(m2•s) blått lys + 7 % UV-A) til rent blått lys reduserte stammeforlengelseshastigheten til ruccola og sennep signifikant, mens tilskudd av FR var det motsatte. Dette viser også at i tillegg til rødt og blått lys, spiller også andre lyskvaliteter en viktig rolle i prosessen med plantevekst og utvikling. Selv om verken ultrafiolett lys eller FR er energikilden til fotosyntesen, er begge involvert i plantefotomorfogenesen. UV-lys med høy intensitet er skadelig for plante-DNA og proteiner osv. UV-lys aktiverer imidlertid cellulære stressresponser, og forårsaker endringer i plantevekst, morfologi og utvikling for å tilpasse seg miljøendringer. Studier har vist at lavere R/FR induserer skyggeunngåelsesresponser hos planter, noe som resulterer i morfologiske endringer i planter, slik som stengelforlengelse, bladtynning og redusert tørrstoffutbytte. En slank stilk er ikke en god vekstegenskap for å dyrke sterke frøplanter. For generelle blad- og fruktgrønnsaksfrøplanter er ikke faste, kompakte og elastiske frøplanter utsatt for problemer under transport og planting.

UV-A kan gjøre agurkfrøplanter kortere og mer kompakte, og utbyttet etter transplantasjon er ikke vesentlig forskjellig fra kontrollen; mens UV-B har en mer signifikant hemmende effekt, og avlingsreduksjonseffekten etter transplantasjon er ikke signifikant. Tidligere studier har antydet at UV-A hemmer plantevekst og gjør planter dverge. Men det er økende bevis på at tilstedeværelsen av UV-A, i stedet for å undertrykke avlingsbiomasse, faktisk fremmer det. Sammenlignet med det grunnleggende røde og hvite lyset (R:W=2:3, PPFD er 250 μmol/(m2·s)), er tilleggsintensiteten i rødt og hvitt lys 10 W/m2 (ca. 10 μmol/(m2·· s)) UV-A til grønnkål økte biomassen, internodelengden, stilkens diameter og plantekronebredden til grønnkålfrøplanter betydelig, men promoteringseffekten ble svekket når UV-intensiteten oversteg 10 W/m2. Daglig 2 timers UV-A-tilskudd (0,45 J/(m2•s)) kan øke plantehøyden, frøbladsarealet og friskvekten til 'Oxheart' tomatfrøplanter betydelig, samtidig som H2O2-innholdet i tomatfrøplanter reduseres. Man kan se at ulike avlinger reagerer ulikt på UV-lys, noe som kan ha sammenheng med avlingens følsomhet for UV-lys.

For dyrking av podede frøplanter bør lengden på stilken økes passende for å lette rotstokkpoding. Ulike intensiteter av FR hadde forskjellige effekter på veksten av tomat-, pepper-, agurk-, kalebass- og vannmelonfrøplanter. Tilskudd av 18,9 μmol/(m2•s) FR i kaldt hvitt lys økte hypokotyllengden og stilkdiameteren til tomat- og pepperfrøplanter betydelig; FR på 34,1 μmol/(m2•s) hadde best effekt på å fremme hypokotyllengde og stilkdiameter på frøplanter av agurk, kalebass og vannmelon; høyintensiv FR (53,4 μmol/(m2•s)) hadde best effekt på disse fem grønnsakene. Hypokotyllengden og stammediameteren til frøplantene økte ikke lenger nevneverdig, og begynte å vise en nedadgående trend. Friskvekten til pepperfrøplanter sank betydelig, noe som indikerer at FR-metningsverdiene for de fem grønnsaksfrøplantene alle var lavere enn 53,4 μmol/(m2•s), og FR-verdien var signifikant lavere enn FR. Effektene på veksten av forskjellige grønnsaksfrøplanter er også forskjellige.

2.2 Effekter av forskjellig dagslysintegral på fotomorfogenese av grønnsaksfrøplanter

Daylight Integral (DLI) representerer den totale mengden fotosyntetiske fotoner som mottas av planteoverflaten i løpet av en dag, som er relatert til lysintensiteten og lystiden. Beregningsformelen er DLI (mol/m2/dag) = lysintensitet [μmol/(m2•s)] × Daglig lystid (h) × 3600 × 10-6. I et miljø med lav lysintensitet reagerer planter på miljøer med lite lys ved å forlenge stilken og internodens lengde, øke plantehøyden, bladstilkens lengde og bladarealet, og redusere bladtykkelsen og netto fotosyntesehastighet. Med økningen av lysintensiteten, bortsett fra sennep, ble hypokotyllengden og stengelforlengelsen til frøplanter av ruccola, kål og grønnkål under samme lyskvalitet betydelig redusert. Man kan se at lysets effekt på plantevekst og morfogenese er relatert til lysintensitet og plantearter. Med økningen av DLI (8,64~28,8 mol/m2/dag) ble plantetypen av agurkfrøplanter korte, sterke og kompakte, og den spesifikke bladvekten og klorofyllinnholdet avtok gradvis. 6~16 dager etter såing av agurkfrøplanter tørket bladene og røttene. Vekten økte gradvis, og veksthastigheten akselererte gradvis, men 16 til 21 dager etter såing avtok veksthastigheten til blader og røtter til agurkfrøplanter betydelig. Forbedret DLI fremmet netto fotosyntesehastighet for agurkfrøplanter, men etter en viss verdi begynte netto fotosyntesehastigheten å synke. Derfor kan å velge riktig DLI og vedta forskjellige supplerende lysstrategier ved forskjellige vekststadier av frøplanter redusere strømforbruket. Innholdet av løselig sukker og SOD-enzym i agurk- og tomatfrøplanter økte med økningen av DLI-intensiteten. Når DLI-intensiteten økte fra 7,47 mol/m2/dag til 11,26 mol/m2/dag, økte innholdet av løselig sukker og SOD-enzym i agurkfrøplanter med henholdsvis 81,03 % og 55,5 %. Under de samme DLI-forholdene, med økningen av lysintensiteten og forkortelsen av lystiden, ble PSII-aktiviteten til tomat- og agurkfrøplanter hemmet, og valg av en supplerende lysstrategi med lav lysintensitet og lang varighet var mer gunstig for å dyrke høye frøplanter indeks og fotokjemisk effektivitet av agurk- og tomatfrøplanter.

Ved produksjon av podede frøplanter kan miljøet med lite lys føre til en reduksjon i kvaliteten på de podede frøplantene og en økning i tilhelingstiden. Passende lysintensitet kan ikke bare forbedre bindingsevnen til det podede helbredelsesstedet og forbedre indeksen til sterke frøplanter, men også redusere nodeposisjonen til kvinnelige blomster og øke antallet kvinnelige blomster. I plantefabrikker var DLI på 2,5-7,5 mol/m2/dag tilstrekkelig til å dekke helbredelsesbehovet til tomatpodede frøplanter. Kompaktheten og bladtykkelsen til podede tomatfrøplanter økte betydelig med økende DLI-intensitet. Dette viser at podede frøplanter ikke krever høy lysintensitet for tilheling. Derfor, med tanke på strømforbruket og plantemiljøet, vil valg av en passende lysintensitet bidra til å forbedre økonomiske fordeler.

3. Effekter av LED-lysmiljø på stressmotstanden til vegetabilske frøplanter

Planter mottar eksterne lyssignaler gjennom fotoreseptorer, noe som forårsaker syntese og akkumulering av signalmolekyler i planten, og endrer dermed veksten og funksjonen til planteorganer, og til slutt forbedrer plantens motstand mot stress. Ulik lyskvalitet har en viss fremmende effekt på forbedring av kuldetoleranse og salttoleranse for frøplanter. For eksempel, når tomatfrøplanter ble supplert med lys i 4 timer om natten, sammenlignet med behandlingen uten tilleggslys, kunne hvitt lys, rødt lys, blått lys og rødt og blått lys redusere elektrolyttpermeabiliteten og MDA-innholdet i tomatfrøplanter, og forbedre kuldetoleransen. Aktivitetene til SOD, POD og CAT i tomatfrøplantene under behandling av 8:2 rød-blå-forhold var betydelig høyere enn for andre behandlinger, og de hadde høyere antioksidantkapasitet og kuldetoleranse.

Effekten av UV-B på soyabønnerotvekst er hovedsakelig å forbedre plantestressresistens ved å øke innholdet av rot NO og ROS, inkludert hormonsignalmolekyler som ABA, SA og JA, og hemme rotutvikling ved å redusere innholdet av IAA , CTK og GA. Fotoreseptoren til UV-B, UVR8, er ikke bare involvert i å regulere fotomorfogenese, men spiller også en nøkkelrolle i UV-B-stress. I tomatfrøplanter medierer UVR8 syntese og akkumulering av antocyaniner, og UV-akklimatiserte ville tomatfrøplanter forbedrer deres evne til å takle UV-B-stress med høy intensitet. Tilpasningen av UV-B til tørkestress indusert av Arabidopsis er imidlertid ikke avhengig av UVR8-veien, noe som indikerer at UV-B fungerer som en signalindusert kryssrespons av planteforsvarsmekanismer, slik at en rekke hormoner er i fellesskap. involvert i å motstå tørkestress, og øke ROS-renseevnen.

Både forlengelsen av plantehypokotyl eller stengel forårsaket av FR og plantens tilpasning til kuldestress reguleres av plantehormoner. Derfor er "skyggeunngåelseseffekten" forårsaket av FR relatert til kuldetilpasning av planter. Eksperimentørene supplerte byggfrøplantene 18 dager etter spiring ved 15°C i 10 dager, avkjølte til 5°C + supplerte FR i 7 dager, og fant at sammenlignet med behandling med hvitt lys, forbedret FR frostmotstanden til byggfrøplanter. Denne prosessen er ledsaget av økt ABA- og IAA-innhold i byggfrøplanter. Etterfølgende overføring av 15°C FR-forbehandlede byggfrøplanter til 5°C og fortsatt FR-tilskudd i 7 dager resulterte i lignende resultater som de to ovennevnte behandlingene, men med redusert ABA-respons. Planter med forskjellige R:FR-verdier kontrollerer biosyntesen av fytohormoner (GA, IAA, CTK og ABA), som også er involvert i plantesalttoleranse. Under saltstress kan lysmiljøet med lavt forhold R:FR forbedre antioksidant- og fotosyntesekapasiteten til tomatfrøplanter, redusere produksjonen av ROS og MDA i frøplantene og forbedre salttoleransen. Både saltholdighetsstress og lav R:FR-verdi (R:FR=0,8) hemmet biosyntesen av klorofyll, som kan være relatert til blokkert omdannelse av PBG til UroIII i klorofyllsynteseveien, mens det lave R:FR-miljøet effektivt kan lindre saltholdigheten Stress-indusert svekkelse av klorofyllsyntesen. Disse resultatene indikerer en signifikant korrelasjon mellom fytokromer og salttoleranse.

I tillegg til lysmiljøet, påvirker også andre miljøfaktorer veksten og kvaliteten på grønnsaksfrøplanter. For eksempel vil økningen av CO2-konsentrasjonen øke lysmetningens maksimale verdi Pn (Pnmax), redusere lyskompensasjonspunktet og forbedre lysutnyttelseseffektiviteten. Økningen av lysintensitet og CO2-konsentrasjon bidrar til å forbedre innholdet av fotosyntetiske pigmenter, vannbrukseffektivitet og aktivitetene til enzymer relatert til Calvin-syklusen, og til slutt oppnå høyere fotosyntetisk effektivitet og biomasseakkumulering av tomatfrøplanter. Tørrvekten og kompaktheten til tomat- og pepperfrøplanter var positivt korrelert med DLI, og temperaturendringen påvirket også veksten under samme DLI-behandling. Miljøet på 23 ~ 25 ℃ var mer egnet for vekst av tomatfrøplanter. I henhold til temperatur- og lysforhold utviklet forskerne en metode for å forutsi den relative veksthastigheten til pepper basert på bate-fordelingsmodellen, som kan gi vitenskapelig veiledning for miljøregulering av pepperpodet frøplanteproduksjon.

Ved utforming av et lysreguleringsopplegg i produksjonen bør derfor ikke bare lysmiljøfaktorer og plantearter vurderes, men også dyrkings- og forvaltningsfaktorer som frøplanternæring og vannforvaltning, gassmiljø, temperatur og frøplantevekststadium.

4. Problemer og utsikter

For det første er lysreguleringen av grønnsaksfrøplanter en sofistikert prosess, og effekten av ulike lysforhold på ulike typer grønnsaksfrøplanter i plantefabrikkmiljøet må analyseres i detalj. Dette betyr at for å nå målet om høyeffektiv og høykvalitets frøplanteproduksjon, kreves det kontinuerlig leting for å etablere et modent teknisk system.

For det andre, selv om strømutnyttelsesgraden til LED-lyskilden er relativt høy, er strømforbruket til plantebelysning hovedenergiforbruket for dyrking av frøplanter ved bruk av kunstig lys. Det enorme energiforbruket til plantefabrikker er fortsatt flaskehalsen som begrenser utviklingen av plantefabrikker.

Til slutt, med den brede bruken av plantebelysning i landbruket, forventes kostnadene for LED-plantelys å bli kraftig redusert i fremtiden; tvert imot, økningen i lønnskostnader, spesielt i post-epidemitiden, er mangelen på arbeidskraft bundet til å fremme prosessen med mekanisering og automatisering av produksjonen. I fremtiden vil kunstig intelligens-baserte kontrollmodeller og intelligent produksjonsutstyr bli en av kjerneteknologiene for grønnsaksfrøplanteproduksjon, og vil fortsette å fremme utviklingen av plantefabrikkfrøplanteteknologi.

Forfattere: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Artikkelkilde: Wechat-konto for Agricultural Engineering Technology (drivhushagebruk)