Sammendrag: Vegetabilske frøplanter er det første trin i vegetabilsk produktion, og kvaliteten af ​​frøplanter er meget vigtig for udbyttet og kvaliteten af ​​grøntsager efter plantning. Med den kontinuerlige forfining af arbejdsdelingen i grøntsagsindustrien har vegetabilske frøplanter gradvist dannet en uafhængig industriel kæde og tjent grøntsagsproduktion. Påvirket af dårligt vejr står traditionelle frøplante -metoder uundgåeligt over for mange udfordringer, såsom langsom vækst af frøplanter, leggy vækst og skadedyr og sygdomme. For at håndtere leggy frøplanter bruger mange kommercielle kultivatorer vækstregulatorer. Der er dog risici ved frøplantestivhed, fødevaresikkerhed og miljøforurening med brugen af ​​vækstregulatorer. Ud over kemiske kontrolmetoder, selvom mekanisk stimulering, temperatur og vandkontrol også kan spille en rolle i at forhindre leggy vækst af frøplanter, er de lidt mindre praktiske og effektive. Under virkningen af ​​den globale nye Covid-19-epidemi er problemerne med produktionsstyringsproblemer forårsaget af arbejdsmangel og stigende arbejdsomkostninger i frøplanteindustrien blevet mere fremtrædende.

Med udviklingen af ​​belysningsteknologi har brugen af ​​kunstigt lys til grøntsagsfrøplantning af fordele ved høj frøplanteffektivitet, mindre skadedyr og sygdomme og let standardisering. Sammenlignet med traditionelle lyskilder har den nye generation af LED -lyskilder egenskaberne ved energibesparelse, høj effektivitet, lang levetid, miljøbeskyttelse og holdbarhed, lille størrelse, lav termisk stråling og lille bølgelængdeamplitude. Det kan formulere passende spektrum i henhold til vækst- og udviklingsbehovene for frøplanter i miljøet i plantefabrikker og nøjagtigt kontrollere den fysiologiske og metaboliske proces med frøplanter på samme tid, der bidrager til forureningsfri, standardiseret og hurtig produktion af vegetabilske frøplanter , og forkorter frøplantningscyklussen. I det sydlige Kina tager det cirka 60 dage at dyrke peber- og tomatfrøplanter (3-4 ægte blade) i plastiske drivhuse og omkring 35 dage til agurkfrøplanter (3-5 ægte blade). Under plantefabriksbetingelser tager det kun 17 dage at dyrke tomatfrøplanter og 25 dage for peberplanter under betingelserne for en fotoperiod på 20 timer og en PPF på 200-300 μmol/(M2 • S). Sammenlignet med den konventionelle frøplantningsmetode i drivhuset forkortede brugen af ​​LED-plantefabriksfrøplantningsmetoden markant agurkvækstcyklussen med 15-30 dage, og antallet af kvindelige blomster og frugt pr. Plante steg med 33,8% og 37,3% henholdsvis, og det højeste udbytte blev øget med 71,44%.

Med hensyn til energiudnyttelseseffektivitet er energiudnyttelseseffektiviteten af ​​plantefabrikker højere end for Greenhouses af Venlo-typen på samme breddegrad. For eksempel kræves 1411 MJ i en svensk plantefabrik for at producere 1 kg tørt stof af salat, mens 1699 MJ er påkrævet i et drivhus. Men hvis den krævede elektricitet pr. Kg salat tørstof beregnes, skal plantefabrikken 247 kW · H for at producere 1 kg tørvægt af salat, og drivhuse i Sverige, Holland og De Forenede Arabiske Emirater kræver 182 kW · H, 70 kW · H og 111 kW · H, henholdsvis.

På samme tid på plantefabrikken kan brugen af ​​computere, automatisk udstyr, kunstig intelligens og andre teknologier nøjagtigt kontrollere de miljøforhold, der er egnede til frøplantning, slippe af med begrænsningerne i naturlige miljøforhold og realisere den intelligente, Mekaniseret og årlig stabil produktion af frøplanteproduktion. I de senere år er planteplanter blevet brugt i den kommercielle produktion af bladgrøntsager, frugtgrøntsager og andre økonomiske afgrøder i Japan, Sydkorea, Europa og De Forenede Stater og andre lande. Den høje indledende investering af plantefabrikker, høje driftsomkostninger og enormt systemenergiforbrug er stadig de flaskehalse, der begrænser fremme af frøplantningsteknologi i kinesiske plantefabrikker. Derfor er det nødvendigt at tage hensyn til kravene til højt udbytte og energibesparelse med hensyn til lette styringsstrategier, etablering af vegetabilske vækstmodeller og automatiseringsudstyr for at forbedre økonomiske fordele.

I denne artikel gennemgås indflydelsen af ​​LED -lysmiljø på vækst og udvikling af vegetabilske frøplanter i plantefabrikker i de senere år med udsigterne for forskningsretningen for lysregulering af vegetabilske frøplanter i plantefabrikker.

1. Effekter af let miljø på vækst og udvikling af vegetabilske frøplanter

Som en af ​​de væsentlige miljøfaktorer for plantevækst og udvikling er lys ikke kun en energikilde for planter til at udføre fotosyntesen, men også et nøglesignal, der påvirker plantefotomorfogenese. Planter fornemmer retning, energi og let kvalitet af signalet gennem lyssignalsystemet, regulerer deres egen vækst og udvikling og reagerer på tilstedeværelsen eller fraværet, bølgelængden, intensiteten og varigheden af ​​lyset. I øjeblikket kendte plantefotoreceptorer inkluderer mindst tre klasser: phytochromes (phya ~ phye), der forstand rødt og langt rødt lys (FR), kryptokromer (Cry1 og Cry2), der fornemmer blå og ultraviolet A, og elementer (fot1 og fot2), den UV-B-receptor UVR8, der registrerer UV-B. Disse fotoreceptorer deltager i og regulerer ekspressionen af ​​relaterede gener og regulerer derefter livsaktiviteter såsom plantefrø spiring, fotomorfogenese, blomstringstid, syntese og akkumulering af sekundære metabolitter og tolerance over for biotiske og abiotiske stress.

2. Indflydelse af LED -lysmiljø på fotomorfologisk etablering af vegetabilske frøplanter

2.1 Effekter af forskellig let kvalitet på fotomorfogenese af vegetabilske frøplanter

De røde og blå regioner i spektret har høje kvanteeffektivitet til fotosyntesen af ​​planteblad. Imidlertid vil langvarig eksponering af agurkblade for rent rødt lys skade fotosystemet, hvilket resulterer i fænomenet "rødt lys syndrom", såsom stuntet stomatal respons, nedsat fotosyntetisk kapacitet og nitrogenbrugseffektivitet og væksthæmning. Under betingelse af lav lysintensitet (100 ± 5 μmol/(m2 • s)) kan rent rødt lys beskadige chloroplasterne af både unge og modne blade af agurk, men de beskadigede chloroplaster blev udvundet, efter at det er ændret fra rent rødt lys til rødt og blåt lys (R: B = 7: 3). Tværtimod, når agurkplanterne skiftede fra det rødblå lysmiljø til det rene røde lysmiljø, faldt den fotosyntetiske effektivitet ikke markant, hvilket viste tilpasningsevnen til det røde lysmiljø. Gennem elektronmikroskopanalyse af bladstrukturen af ​​agurkfrøplanter med "rødt lys syndrom" fandt eksperimenterne, at antallet af chloroplaster, størrelsen på stivelsesgranuler og tykkelsen af ​​grana i blade under rødt rødt lys var markant lavere end dem under under dem under under dem under dem under dem Hvidt lysbehandling. Interventionen af ​​blåt lys forbedrer ultrastrukturen og fotosyntetiske egenskaber ved agurkchloroplaster og eliminerer den overdrevne ophobning af næringsstoffer. Sammenlignet med hvidt lys og rødt og blåt lys fremmede rent rødt lys hypocotylforlængelse og cotyledon -udvidelse af tomatfrøplanter, markant øget plantehøjde og bladareal, men reduceret markant fotosyntetisk kapacitet, reduceret Rubisco -indhold og fotokemisk effektivitet og markant øget varmeafdeling. Det kan ses, at forskellige typer planter reagerer forskelligt på den samme lyskvalitet, men sammenlignet med monokromatisk lys har planter højere fotosynteseffektivitet og mere kraftig vækst i miljøet med blandet lys.

Forskere har foretaget en masse research om optimering af let kvalitetskombination af vegetabilske frøplanter. Under den samme lysintensitet, med stigningen i forholdet mellem rødt lys, blev plantehøjden og den friske vægt af tomat- og agurkplanter signifikant forbedret, og behandlingen med et forhold mellem rød til blå på 3: 1 havde den bedste effekt; Tværtimod hæmmede det et højt forhold mellem blåt lys væksten af ​​tomat- og agurkplanter, som var korte og kompakte, men øgede indholdet af tørstof og chlorophyll i optagelsen af ​​frøplanter. Lignende mønstre observeres i andre afgrøder, såsom peberfrugter og vandmeloner. Sammenlignet med hvidt lys, rødt og blåt lys (R: B = 3: 1) forbedrede ikke kun bladtykkelsen, chlorophyllindhold, fotosyntetisk effektivitet og elektronoverførselseffektivitet af tomatfrøplanter, men også ekspressionsniveauerne af enzymer relateret Til Calvin -cyklus blev vækstvegetarisk indhold og kulhydratakkumulering også signifikant forbedret. Sammenligning af de to forhold mellem rødt og blåt lys (R: B = 2: 1, 4: 1), var et højere forhold mellem blåt lys mere befordrende for at inducere dannelsen af ​​kvindelige blomster i agurkplanter og fremskyndede blomstringstiden for kvindelige blomster . Selvom forskellige forhold mellem rødt og blåt lys ikke havde nogen signifikant effekt på det friske vægtudbytte af grønnkål, ruccola og sennepsfrøplanter, reducerede et højt forhold mellem blåt lys (30% blåt lys) signifikant hypocotyllængden og Cotyledon -området i grønnkålen og sennepsplanter, mens Cotyledon -farve uddybes. I produktionen af ​​frøplanter kan en passende stigning i andelen af ​​blåt lys derfor forkorte knudepunktets afstand og bladarealet af grøntsagsfrøplanter, fremme den laterale forlængelse af frøplanter og forbedre frøplantningsstyrkeindekset, som er befordrende for Dyrkning af robuste frøplanter. Under betingelsen af, at lysintensiteten forblev uændret, forbedrede stigningen i grønt lys i rødt og blåt lys markant den friske vægt, bladområdet og plantehøjde af søde peberplanter. Sammenlignet med den traditionelle hvide fluorescerende lampe under de rødgrønne-blå (R3: G2: B5) lysforhold blev Y [II], QP og ETR af 'Okagi nr. 1 tomat' frøplanter markant forbedret. Tilskud af UV-lys (100 μmol/(M2 • S) blåt lys + 7% UV-A) til rent blåt lys reducerede stammelivelseshastigheden for rucola og sennep, mens tilskud af FR var det modsatte. Dette viser også, at ud over rødt og blåt lys spiller andre lysegenskaber også en vigtig rolle i processen med plantevækst og udvikling. Selvom hverken ultraviolet lys eller FR er energikilden til fotosyntesen, er begge af dem involveret i plantefotomorfogenese. UV-lys med høj intensitet er skadeligt for plante DNA og proteiner osv. UV-lys aktiverer imidlertid cellulære stressresponser, hvilket forårsager ændringer i plantevækst, morfologi og udvikling til at tilpasse sig miljøændringer. Undersøgelser har vist, at lavere R/FR inducerer skygge -undgåelsesresponser i planter, hvilket resulterer i morfologiske ændringer i planter, såsom stammeforlængelse, bladtynding og reduceret tørstofudbytte. En slank stilk er ikke en god vækstegenskab for at dyrke stærke frøplanter. For generelle blad- og frugtgrøntsagsfrøplanter er faste, kompakte og elastiske frøplanter ikke tilbøjelige til problemer under transport og plantning.

UV-A kan gøre agurkfrøplanter kortere og mere kompakt, og udbyttet efter transplantation er ikke signifikant forskelligt fra kontrolens kontrol; Mens UV-B har en mere signifikant inhiberende virkning, og udbytte reduktionseffekten efter transplantation ikke er signifikant. Tidligere undersøgelser har antydet, at UV-A hæmmer plantevækst og gør planter dværg. Men der er voksende bevis for, at tilstedeværelsen af ​​UV-A i stedet for at undertrykke afgrødebiomasse faktisk fremmer det. Sammenlignet med det grundlæggende røde og hvide lys (R: W = 2: 3, er PPFD 250 μmol/(M2 · s)), er den supplerende intensitet i rødt og hvidt lys 10 W/m2 (ca. 10 μmol/(M2 · S)) UV-A af grønnkål øgede biomassen, internodelængde, stammediameter og plantedakinens bredde af grønnkålsfrøplanter, men forfremmelseseffekten blev svækket, hvornår UV -intensiteten oversteg 10 W/m2. Dagligt 2 H UV-A-tilskud (0,45 J/(M2 • S)) kunne øge plantehøjden markant, Cotyledon-området og frisk vægt af 'Oxheart' tomatplanter, mens C2O2-indholdet i tomatplanter reduceres. Det kan ses, at forskellige afgrøder reagerer forskelligt på UV -lys, hvilket kan være relateret til afgrødernes følsomhed over for UV -lys.

Til dyrkning af podede frøplanter skal længden af ​​stammen øges passende for at lette rodstransplantation. Forskellige intensiteter af FR havde forskellige effekter på væksten af ​​tomat, peber, agurk, kalebas og vandmelonplanter. Tilskud af 18,9 μmol/(M2 • s) FR i koldt hvidt lys forøgede hypocotyllængde og stamdiameter af tomat- og peberplanter markant markant; FR på 34,1 μmol/(M2 • s) havde den bedste effekt på at fremme hypocotyllængde og stamdiameter af agurk, kalebas og vandmelonfrøplanter; Højintensiv FR (53,4 μmol/(M2 • S)) havde den bedste effekt på disse fem grøntsager. Hypocotyllængde og stamdiameter på frøplanterne steg ikke længere markant og begyndte at vise en nedadgående tendens. Den friske vægt af peberfrøplanter faldt markant, hvilket indikerer, at FR -mætningsværdierne for de fem vegetabilske frøplanter alle var lavere end 53,4 μmol/(M2 • S), og FR -værdien var signifikant lavere end for fr. Virkningerne på væksten af ​​forskellige vegetabilske frøplanter er også forskellige.

2.2 Effekter af forskellige dagslysintegral på fotomorfogenese af vegetabilske frøplanter

Dagslysintegralet (DLI) repræsenterer den samlede mængde fotosyntetiske fotoner, der er modtaget af planteoverfladen på en dag, hvilket er relateret til lysintensiteten og let tid. Beregningsformlen er DLI (mol/m2/dag) = lysintensitet [μmol/(M2 • S)] × Daglig lystid (H) × 3600 × 10-6. I et miljø med lav lysintensitet reagerer planter på lavt lysmiljø ved at forlænge stilk og internode længde, øge plantehøjden, petiollængde og bladareal og reducere bladtykkelse og netto fotosyntetisk hastighed. Med stigningen i lysintensitet, bortset fra sennep, faldt hypocotyllængden og stilken forlængelsen af ​​ruccola, kål og grønnkålsplanter under den samme lette kvalitet markant. Det kan ses, at virkningen af ​​lys på plantevækst og morfogenese er relateret til lysintensitet og plantearter. Med stigningen i DLI (8,64 ~ 28,8 mol/m2/dag) blev plantetypen af ​​agurkplanter kort, stærk og kompakt, og den specifikke bladvægt og chlorophyllindhold faldt gradvist. 6 ~ 16 dage efter såning af agurkplanter tørrede bladene og rødderne op. Vægten steg gradvist, og vækstraten accelererede gradvist, men 16 til 21 dage efter såning faldt vækstraten for blade og rødder af agurkplanter markant. Forbedret DLI fremmede den netto fotosyntetiske hastighed af agurkplanter, men efter en bestemt værdi begyndte den netto fotosyntetiske hastighed at falde. Derfor kan det at vælge de relevante DLI og vedtage forskellige supplerende lysstrategier i forskellige vækststadier af frøplanter reducere strømforbruget. Indholdet af opløseligt sukker og SOD -enzym i agurk- og tomatplanter steg med stigningen i DLI -intensitet. Når DLI -intensiteten steg fra 7,47 mol/m2/dag til 11,26 mol/m2/dag, steg indholdet af opløseligt sukker og SOD -enzym i agurkplanter med henholdsvis 81,03% og 55,5%. Under de samme DLI -betingelser, med stigningen i lysintensitet og forkortelse af lystid, blev PSII -aktiviteten af ​​tomat og agurkplanter hæmmet, og valg af en supplerende lysstrategi med lav lysintensitet og lang varighed var mere befordrende for at dyrke høj frøplantning Indeks og fotokemisk effektivitet af agurk- og tomatplanter.

I produktionen af ​​podede frøplanter kan det lave lysmiljø føre til et fald i kvaliteten af ​​de podede frøplanter og en stigning i helingstiden. Passende lysintensitet kan ikke kun forbedre bindingsevnen på det podede helingssted og forbedre indekset for stærke frøplanter, men også reducere nodepositionen for kvindelige blomster og øge antallet af kvindelige blomster. I plantefabrikker var DLI på 2,5-7,5 mol/m2/dag tilstrækkelig til at imødekomme de helingsbehov hos tomatpodede frøplanter. Den kompakthed og bladtykkelse af podede tomatplanter steg markant med stigende DLI -intensitet. Dette viser, at podede frøplanter ikke kræver høj lysintensitet til heling. Derfor, under hensyntagen til strømforbruget og plantningsmiljøet, vil vælge en passende lysintensitet hjælpe med at forbedre økonomiske fordele.

3. Effekter af LED -lysmiljø på stressmodstanden for vegetabilske frøplanter

Planter modtager eksterne lyssignaler gennem fotoreceptorer, forårsager syntese og ophobning af signalmolekyler i planten og ændrer derved vækst og funktion af planteorganer og forbedrer i sidste ende plantens modstand mod stress. Forskellige let kvalitet har en bestemt promoveringseffekt på forbedring af koldtolerance og salttolerance af frøplanter. For eksempel, når tomatplanter blev suppleret med lys i 4 timer om natten, sammenlignet med behandlingen uden supplerende lys, hvidt lys, rødt lys, blåt lys og rødt og blåt lys kunne reducere elektrolytpermeabiliteten og MDA -indholdet i tomatfrøplanter, og forbedre den kolde tolerance. Aktiviteterne af SOD, POD og CAT i tomatfrøplanterne under behandlingen af ​​8: 2 rødblå forhold var signifikant højere end ved andre behandlinger, og de havde højere antioxidantkapacitet og koldtolerance.

Effekten af ​​UV-B på sojabønne rodvækst er hovedsageligt at forbedre plantestressresistensen ved at øge indholdet af rodno og ROS, inklusive hormonsignaleringsmolekyler, såsom ABA, SA og JA, og hæmme rodudviklingen ved at reducere indholdet af IAA , CTK og GA. Fotoreceptoren af ​​UV-B, UVR8, er ikke kun involveret i regulering af fotomorfogenese, men spiller også en nøglerolle i UV-B-stress. I tomatfrøplanter formidler UVR8 syntesen og akkumuleringen af ​​anthocyaniner, og UV-akklimatiserede vilde tomatfrøplanter forbedrer deres evne til at tackle UV-B-stress med høj intensitet. Tilpasningen af ​​UV-B til tørrestress, der er induceret af Arabidopsis involveret i at modstå tørrestress, hvilket øger ROS -rensningsevnen.

Både forlængelsen af ​​plantehypocotyl eller STEM forårsaget af FR og tilpasning af planter til kold stress reguleres af plantehormoner. Derfor er "skyggeundgåelseseffekten" forårsaget af FR relateret til kold tilpasning af planter. Eksperimenterne supplerede bygplanterne 18 dage efter spiring ved 15 ° C i 10 dage, afkøling til 5 ° C + supplerende FR i 7 dage, og fandt, at FR forbedrede frostbestandigheden af ​​bygplanter, sammenlignet med hvidt lysbehandling. Denne proces ledsages af øget ABA- og IAA -indhold i bygplanter. Efterfølgende overførsel af 15 ° C FR-forbehandlede bygplanter til 5 ° C og fortsat FR-tilskud i 7 dage resulterede i lignende resultater som ovenstående to behandlinger, men med reduceret ABA-respons. Planter med forskellige R: Fr -værdier kontrollerer biosyntesen af ​​phytohormoner (GA, IAA, CTK og ABA), som også er involveret i plantesalttolerance. Under saltspænding kan det lave forhold R: FR -let miljø forbedre antioxidanten og fotosyntetisk kapacitet af tomatplanter, reducere produktionen af ​​ROS og MDA i frøplanterne og forbedre salttolerancen. Både saltholdighedsstress og lav R: F Den saltholdighedsstressinducerede forringelse af chlorophyllsyntese. Disse resultater indikerer en signifikant sammenhæng mellem fytokromer og salttolerance.

Foruden det lette miljø påvirker andre miljøfaktorer også væksten og kvaliteten af ​​vegetabilske frøplanter. For eksempel vil stigningen i CO2 -koncentration øge den maksimale værdi PN (PNMAX), reducere lyskompensationspunktet og forbedre lysudnyttelseseffektiviteten. Stigningen af ​​lysintensitet og CO2 -koncentration hjælper med at forbedre indholdet af fotosyntetiske pigmenter, vandforbrugseffektivitet og aktiviteterne i enzymer relateret til Calvin -cyklussen og opnår til sidst højere fotosyntetisk effektivitet og biomasseopsamling af tomatfrøplanter. Den tørre vægt og kompakthed af tomat- og peberplanter var positivt korreleret med DLI, og temperaturændringen påvirkede også væksten under den samme DLI -behandling. Miljøet på 23 ~ 25 ℃ var mere velegnet til vækst af tomatfrøplanter. I henhold til temperatur- og lysforhold udviklede forskerne en metode til at forudsige den relative vækstrate for peber baseret på Bate -distributionsmodellen, som kan give videnskabelig vejledning til miljøregulering af peber podet frøplanteproduktion.

Derfor, når man designer en let reguleringsordning i produktionen, bør ikke kun lette miljøfaktorer og plantearter overvejes, men også dyrknings- og forvaltningsfaktorer, såsom frøplantens ernæring og vandforvaltning, gasmiljø, temperatur og frøplantningsvækststadium.

4. problemer og udsigter

For det første er lysreguleringen af ​​vegetabilske frøplanter en sofistikeret proces, og virkningerne af forskellige lysforhold på forskellige typer vegetabilske frøplanter i plantefabriksmiljøet skal analyseres i detaljer. Dette betyder, at for at nå målet om højeffektiv og frøplantningsproduktion af høj kvalitet kræves kontinuerlig efterforskning for at etablere et modent teknisk system.

For det andet, selvom strømudnyttelsesgraden for LED -lyskilden er relativt høj, er strømforbruget til plantbelysning det vigtigste energiforbrug til dyrkning af frøplanter ved hjælp af kunstigt lys. Det enorme energiforbrug på plantefabrikker er stadig flaskehalsen, der begrænser udviklingen af ​​plantefabrikker.

Endelig, med den brede anvendelse af plantelysning i landbruget, forventes omkostningerne ved LED -plantelys at blive reduceret i fremtiden; Tværtimod, stigningen i arbejdsomkostninger, især i den post-epidemiske æra, er manglen på arbejdskraft forpligtet til at fremme processen med mekanisering og automatisering af produktionen. I fremtiden vil kunstig intelligensbaserede kontrolmodeller og intelligent produktionsudstyr blive en af ​​kerneteknologierne til grøntsagsfrøplantningsproduktion og vil fortsat fremme udviklingen af ​​plantefabriksfrøplantningsteknologi.

Forfattere: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Artikelkilde: WeChat -konto for landbrugsteknologi (drivhushavebrug)