Resumé: Grøntsagsfrøplanter er det første trin i grøntsagsproduktionen, og kvaliteten af ​​frøplanter er meget vigtig for udbyttet og kvaliteten af ​​grøntsager efter plantning. Med den løbende forfining af arbejdsdelingen i grøntsagsindustrien har grøntsagsfrøplanter gradvist dannet en selvstændig industrikæde og tjent grøntsagsproduktionen. Påvirket af dårligt vejr står traditionelle frøplantemetoder uundgåeligt over for mange udfordringer såsom langsom vækst af frøplanter, benvækst og skadedyr og sygdomme. For at håndtere langbenede frøplanter bruger mange kommercielle kultivatorer vækstregulatorer. Der er dog risici for frøplantes stivhed, fødevaresikkerhed og miljøforurening ved brug af vækstregulatorer. Ud over kemiske kontrolmetoder, selvom mekanisk stimulering, temperatur- og vandkontrol også kan spille en rolle i at forhindre benvækst af frøplanter, er de lidt mindre bekvemme og effektive. Under påvirkningen af ​​den globale nye Covid-19-epidemi er problemerne med produktionsstyringsproblemer forårsaget af mangel på arbejdskraft og stigende lønomkostninger i frøplanteindustrien blevet mere fremtrædende.

Med udviklingen af ​​belysningsteknologi har brugen af ​​kunstigt lys til kimplantedyrkning fordelene ved høj frøplanteeffektivitet, færre skadedyr og sygdomme og nem standardisering. Sammenlignet med traditionelle lyskilder har den nye generation af LED-lyskilder karakteristika for 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 udviklingsbehov for frøplanter i miljøet af plantefabrikker og nøjagtigt kontrollere den fysiologiske og metaboliske proces af frøplanter, samtidig med at bidrage til forureningsfri, standardiseret og hurtig produktion af grøntsagsfrøplanter , og forkorter frøplantecyklussen. I Sydkina tager det omkring 60 dage at dyrke peber- og tomatkimplanter (3-4 ægte blade) i plastikdrivhuse og omkring 35 dage for agurkfrøplanter (3-5 ægte blade). Under plantefabriksforhold tager det kun 17 dage at dyrke tomatkimplanter og 25 dage for peberfrøplanter under betingelserne for en fotoperiode på 20 timer og en PPF på 200-300 μmol/(m2•s). Sammenlignet med den konventionelle frøplantedyrkningsmetode i drivhuset forkortede brugen af ​​LED-plantefabriksfrøplantedyrkningsmetoden agurkens vækstcyklus betydeligt med 15-30 dage, og antallet af hunblomster og frugter pr. plante steg med 33,8% og 37,3%. hhv., og det højeste udbytte blev øget med 71,44%.

Med hensyn til energiudnyttelseseffektivitet er plantefabrikkers energiudnyttelseseffektivitet højere end i drivhuse af Venlo-typen på samme breddegrad. For eksempel kræves der i en svensk plantefabrik 1411 MJ for at producere 1 kg tørstof af salat, mens der kræves 1699 MJ i et drivhus. Men hvis den nødvendige elektricitet pr. kilo salat tørstof beregnes, skal fabrikken bruge 247 kW·h til at producere 1 kg tørvægt salat, og drivhusene i Sverige, Holland og De Forenede Arabiske Emirater kræver 182 kW· h, 70 kW·h og 111 kW·h, henholdsvis.

Samtidig i plantefabrikken kan brugen af ​​computere, automatisk udstyr, kunstig intelligens og andre teknologier nøjagtigt kontrollere de miljømæssige forhold, der er egnede til frøplantedyrkning, slippe af med begrænsningerne af naturlige miljøforhold og realisere de intelligente, mekaniseret og årlig stabil produktion af frøplanteproduktion. I de senere år er plantefabriksfrøplanter blevet brugt til kommerciel produktion af bladgrøntsager, frugtgrøntsager og andre økonomiske afgrøder i Japan, Sydkorea, Europa og USA og andre lande. Den høje initialinvestering af plantefabrikker, høje driftsomkostninger og enorme systemenergiforbrug er stadig de flaskehalse, der begrænser fremme af frøplantedyrkningsteknologi i kinesiske plantefabrikker. Derfor er det nødvendigt at tage højde for kravene til højt udbytte og energibesparelser med hensyn til lysstyringsstrategier, etablering af grøntsagsvækstmodeller og automatiseringsudstyr for at forbedre de økonomiske fordele.

I denne artikel gennemgås LED-lysmiljøets indflydelse på vækst og udvikling af grøntsagsfrøplanter i plantefabrikker i de senere år, med udsigten til forskningsretningen for lysregulering af grøntsagsfrøplanter i plantefabrikker.

1. Effekter af lysmiljø på vækst og udvikling af grøntsagsfrøplanter

Som en af ​​de væsentlige miljøfaktorer for planters vækst og udvikling er lys ikke kun en energikilde for planter til at udføre fotosyntese, men også et nøglesignal, der påvirker planters fotomorfogenese. Planter fornemmer signalets retning, energi og lyskvalitet gennem lyssignalsystemet, regulerer deres egen vækst og udvikling og reagerer på lysets tilstedeværelse eller fravær, bølgelængde, intensitet og varighed. I øjeblikket kendte plantefotoreceptorer omfatter mindst tre klasser: phytochromes (PHYA~PHYE), der registrerer rødt og fjernrødt lys (FR), kryptokromer (CRY1 og CRY2), der registrerer blåt og ultraviolet A, og elementer (Phot1 og Phot2), UV-B receptor UVR8, der registrerer UV-B. Disse fotoreceptorer deltager i og regulerer ekspressionen af ​​beslægtede gener og regulerer derefter livsaktiviteter såsom plantefrøspiring, fotomorfogenese, blomstringstid, syntese og akkumulering af sekundære metabolitter og tolerance over for biotiske og abiotiske belastninger.

2. Indflydelse af LED-lysmiljø på fotomorfologisk etablering af grøntsagsfrøplanter

2.1 Effekter af forskellig lyskvalitet på fotomorfogenesen af ​​grøntsagsfrøplanter

De røde og blå områder af spektret har høj kvanteeffektivitet for planteblads fotosyntese. Langtidseksponering af agurkblade for rent rødt lys vil dog beskadige fotosystemet, hvilket resulterer i fænomenet "rødt lyssyndrom" såsom hæmmet stomatal respons, nedsat fotosyntesekapacitet og effektivitet af nitrogenforbrug og væksthæmning. Under betingelsen med lav lysintensitet (100±5 μmol/(m2•s)) kan rent rødt lys beskadige kloroplasterne af både unge og modne blade af agurk, men de beskadigede kloroplaster blev genvundet, efter at det blev ændret fra rent rødt lys til rødt og blåt lys (R:B= 7:3). Tværtimod, da agurkplanterne skiftede fra det rød-blå lysmiljø til det rene røde lysmiljø, faldt den fotosynteseeffektivitet ikke væsentligt, hvilket viser tilpasningsevnen til det røde lysmiljø. Gennem elektronmikroskopanalyse af bladstrukturen af ​​agurkfrøplanter med "rødt lys-syndrom" fandt forsøgslederne, at antallet af kloroplaster, størrelsen af ​​stivelsesgranulat og tykkelsen af ​​grana i blade under rent rødt lys var signifikant lavere end dem under behandling med hvidt lys. Indgrebet af blåt lys forbedrer ultrastrukturen og fotosyntetiske egenskaber af agurkkloroplaster og eliminerer den overdrevne ophobning af næringsstoffer. Sammenlignet med hvidt lys og rødt og blåt lys fremmede rent rødt lys hypocotylforlængelse og kimbladsudvidelse af tomatfrøplanter, øgede plantehøjden og bladarealet betydeligt, men signifikant reduceret fotosyntesekapacitet, reduceret Rubisco-indhold og fotokemisk effektivitet og signifikant øget varmeafledning. Det kan ses, at forskellige typer planter reagerer forskelligt på den samme lyskvalitet, men sammenlignet med monokromatisk lys har planter en højere fotosynteseeffektivitet og mere kraftig vækst i miljøet med blandet lys.

Forskere har forsket meget i optimering af lyskvalitetskombinationen af ​​grøntsagsfrøplanter. Under samme lysintensitet, med forøgelsen af ​​forholdet mellem rødt lys, blev plantehøjden og friskvægten af ​​tomat- og agurkfrøplanter væsentligt forbedret, og behandlingen med et forhold mellem rødt og blåt på 3:1 havde den bedste effekt; tværtimod et højt forhold mellem blåt lys Det hæmmede væksten af ​​tomat- og agurkfrøplanter, som var korte og kompakte, men øgede indholdet af tørstof og klorofyl i skuddene på frøplanter. Lignende mønstre observeres i andre afgrøder, såsom peberfrugter og vandmeloner. Derudover forbedrede rødt og blåt lys (R:B=3:1) sammenlignet med hvidt lys (R:B=3:1) ikke kun bladtykkelsen, klorofylindholdet, fotosynteseeffektiviteten og elektronoverførselseffektiviteten af ​​tomatfrøplanter, men også ekspressionsniveauerne af enzymer relateret til Calvin cyklus blev vækst vegetarisk indhold og kulhydratophobning også væsentligt forbedret. Ved at sammenligne 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 fremkalde dannelsen af ​​hunblomster i agurkfrøplanter og fremskyndede hunblomsters blomstringstid . Selvom forskellige forhold mellem rødt og blåt lys ikke havde nogen signifikant effekt på friskvægtsudbyttet af grønkål, rucola og sennepsfrøplanter, reducerede et højt forhold mellem blåt lys (30 % blåt lys) signifikant hypokotyllængden og kimbladsarealet af grønkål. og sennepsfrøplanter, mens kimbladsfarven blev uddybet. Derfor kan en passende stigning i andelen af ​​blåt lys i produktionen af ​​frøplanter forkorte knudeafstanden og bladarealet af plantefrøplanter betydeligt, fremme den laterale forlængelse af frøplanter og forbedre frøplantestyrkeindekset, hvilket er befordrende for dyrke robuste frøplanter. Under forudsætning af, at lysintensiteten forblev uændret, forbedrede stigningen af ​​grønt lys i rødt og blåt lys den friske vægt, bladareal og plantehøjde for frøplanter med sød peber. Sammenlignet med den traditionelle hvide fluorescerende lampe, under de rød-grøn-blå (R3:G2:B5) lysforhold, var Y[II], qP og ETR for 'Okagi No. 1 tomat' frøplanter væsentligt forbedret. Supplering af UV-lys (100 μmol/(m2•s) blåt lys + 7% UV-A) til rent blåt lys reducerede signifikant stængelforlængelsehastigheden af ​​rucola og sennep, mens tilskud af FR var det modsatte. Dette viser også, at udover rødt og blåt lys spiller andre lyskvaliteter også en vigtig rolle i processen med planternes vækst og udvikling. Selvom hverken ultraviolet lys eller FR er energikilden til fotosyntese, er de begge involveret i plantefotomorfogenesen. UV-lys med høj intensitet er skadeligt for plante-DNA og proteiner osv. UV-lys aktiverer imidlertid cellulære stressreaktioner, hvilket forårsager ændringer i plantevækst, morfologi og udvikling til at tilpasse sig miljøændringer. Undersøgelser har vist, at lavere R/FR inducerer skyggeundgåelsesreaktioner hos planter, hvilket resulterer i morfologiske ændringer i planter, såsom stængelforlængelse, bladudtynding og reduceret tørstofudbytte. En slank stilk er ikke en god vækstegenskab til at dyrke stærke frøplanter. For almindelige blad- og frugtgrøntsager er faste, kompakte og elastiske frøplanter ikke tilbøjelige til problemer under transport og plantning.

UV-A kan gøre agurkfrøplanter kortere og mere kompakte, og udbyttet efter udplantning er ikke væsentligt forskelligt fra kontrollen; mens UV-B har en mere signifikant hæmmende effekt, og udbyttereduktionseffekten efter transplantation ikke er signifikant. Tidligere undersøgelser har antydet, at UV-A hæmmer plantevækst og gør planterne dværgede. Men der er voksende beviser 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, PPFD er 250 μmol/(m2·s)), er den supplerende intensitet i rødt og hvidt lys 10 W/m2 (ca. 10 μmol/(m2·· s)) Grønkålens UV-A øgede biomassen, internodelængden, stængeldiameteren og plantekronens bredde på grønkålsfrøplanter markant, men den fremmende effekt blev svækket, når UV-intensiteten oversteg 10 W/m2. Daglig 2 timers UV-A-tilskud (0,45 J/(m2•s)) kunne signifikant øge plantehøjden, kimbladsarealet og friskvægten af ​​'Oxheart' tomatkimplanter, samtidig med at H2O2-indholdet i tomatfrøplanter reduceres. Det kan ses, at forskellige afgrøder reagerer forskelligt på UV-lys, hvilket kan hænge sammen med afgrødernes følsomhed over for UV-lys.

Til dyrkning af podede frøplanter bør stænglens længde øges passende for at lette podning af grundstammer. Forskellige intensiteter af FR havde forskellige virkninger på væksten af ​​tomat-, peber-, agurk-, græskar- og vandmelonfrøplanter. Tilskud af 18,9 μmol/(m2•s) FR i koldt hvidt lys øgede signifikant hypocotyllængden og stilkens diameter af tomat- og peberfrøplanter; FR på 34,1 μmol/(m2•s) havde den bedste effekt på at fremme hypokotyllængde og stilkdiameter af agurk-, græskar- og vandmelonfrøplanter; høj-intensitet FR (53,4 μmol/(m2•s)) havde den bedste effekt på disse fem grøntsager. Hypokotyllængden og stængeldiameteren af ​​frøplanterne steg ikke længere væsentligt og begyndte at vise en nedadgående tendens. Friskvægten af ​​peberfrøplanter faldt signifikant, hvilket indikerer, at FR-mætningsværdierne for de fem grøntsagsfrøplanter alle var lavere end 53,4 μmol/(m2•s), og FR-værdien var signifikant lavere end FR-værdien. Virkningerne på væksten af ​​forskellige grøntsagsfrøplanter er også forskellige.

2.2 Effekter af forskelligt dagslysintegral på fotomorfogenesen af ​​grøntsagsfrøplanter

Daylight Integral (DLI) repræsenterer den samlede mængde fotosyntetiske fotoner modtaget af planteoverfladen på en dag, hvilket er relateret til lysintensiteten og lystiden. 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 omgivelser med lavt lys ved at forlænge stænglens og internodens længde, øge plantehøjden, bladstilkens længde og bladarealet og reducere bladtykkelsen og nettofotosyntesehastigheden. Med stigningen i lysintensiteten, bortset fra sennep, faldt hypokotyllængden og stængelforlængelsen af ​​arugula-, kål- og grønkålsfrøplanter under samme lyskvalitet betydeligt. Det kan ses, at lysets effekt på plantevækst og morfogenese er relateret til lysintensitet og plantearter. Med stigningen af ​​DLI (8,64~28,8 mol/m2/dag) blev plantetypen af ​​agurkfrøplanter korte, stærke og kompakte, og den specifikke bladvægt og klorofylindholdet faldt gradvist. 6~16 dage efter såning af agurkfrøplanter tørrede blade og rødder. Vægten steg gradvist, og væksthastigheden accelererede gradvist, men 16 til 21 dage efter såning faldt væksthastigheden af ​​blade og rødder af agurkfrøplanter betydeligt. Forbedret DLI fremmede nettofotosyntesehastigheden for agurkfrøplanter, men efter en vis værdi begyndte nettofotosyntesehastigheden at falde. Derfor kan valg af passende DLI og vedtagelse af forskellige supplerende lysstrategier ved forskellige vækststadier af frøplanter reducere strømforbruget. Indholdet af opløseligt sukker og SOD-enzym i agurk- og tomatkimplanter steg med stigningen i DLI-intensiteten. 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 agurkfrøplanter med henholdsvis 81,03% og 55,5%. Under de samme DLI-betingelser, med stigningen af ​​lysintensiteten og afkortningen af ​​lystiden, blev PSII-aktiviteten af ​​tomat- og agurkfrøplanter hæmmet, og valget af en supplerende lysstrategi med lav lysintensitet og lang varighed var mere befordrende for dyrkning af høj frøplante indeks og fotokemisk effektivitet af agurk- og tomatkimplanter.

Ved produktion af podede frøplanter kan miljøet med lavt lys føre til et fald i kvaliteten af ​​de podede frøplanter og en forøgelse af helingstiden. Passende lysintensitet kan ikke kun forbedre bindingsevnen af ​​det podede helingssted og forbedre indekset for stærke frøplanter, men også reducere nodepositionen af ​​hunblomster og øge antallet af hunblomster. På plantefabrikker var DLI på 2,5-7,5 mol/m2/dag tilstrækkeligt til at opfylde de helbredende behov for tomatpodede frøplanter. Kompaktheden og bladtykkelsen af ​​podede tomatkimplanter steg betydeligt med stigende DLI-intensitet. Dette viser, at podede frøplanter ikke kræver høj lysintensitet for heling. Derfor, under hensyntagen til strømforbruget og plantemiljøet, vil valg af en passende lysintensitet hjælpe med at forbedre de økonomiske fordele.

3. Effekter af LED-lysmiljø på grøntsagsfrøplanters stressbestandighed

Planter modtager eksterne lyssignaler gennem fotoreceptorer, hvilket forårsager syntese og akkumulering af signalmolekyler i planten og ændrer derved planteorganernes vækst og funktion og i sidste ende forbedrer plantens modstandsdygtighed over for stress. Forskellig lyskvalitet har en vis fremmende effekt på forbedring af kuldetolerance og salttolerance af frøplanter. For eksempel, når tomatkimplanter blev suppleret med lys i 4 timer om natten, sammenlignet med behandlingen uden supplerende lys, kunne hvidt lys, rødt lys, blåt lys og rødt og blåt lys reducere elektrolytpermeabiliteten og MDA-indholdet i tomatkimplanter, og forbedre kuldetolerancen. Aktiviteterne af SOD, POD og CAT i tomatfrøplanterne under behandling med 8:2 rød-blå forhold var signifikant højere end ved andre behandlinger, og de havde højere antioxidantkapacitet og kuldetolerance.

Effekten af ​​UV-B på sojabønnerodsvækst er hovedsageligt at forbedre plantestressresistens ved at øge indholdet af rod NO og ROS, herunder hormonsignalmolekyler som 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 at regulere fotomorfogenese, men spiller også en nøglerolle i UV-B stress. I tomatkimplanter medierer UVR8 syntesen og akkumuleringen af ​​anthocyaniner, og UV-akklimaterede vilde tomatkimplanter forbedrer deres evne til at klare UV-B stress med høj intensitet. Tilpasningen af ​​UV-B til tørkestress induceret af Arabidopsis afhænger dog ikke af UVR8-vejen, hvilket indikerer, at UV-B virker som en signal-induceret krydsrespons af planteforsvarsmekanismer, således at en række forskellige hormoner er fælles involveret i at modstå tørkestress, hvilket øger ROS-opfangningsevnen.

Både forlængelsen af ​​plantehypokotyl eller stængel forårsaget af FR og planternes tilpasning til kuldestress reguleres af plantehormoner. Derfor er "skyggeundgåelseseffekten" forårsaget af FR relateret til kuldetilpasning af planter. Forsøgslederne supplerede bygfrøplanterne 18 dage efter spiring ved 15°C i 10 dage, afkøling til 5°C + supplerende FR i 7 dage og fandt, at sammenlignet med behandling med hvidt lys øgede FR frostbestandigheden af ​​bygfrøplanter. Denne proces er ledsaget af øget ABA- og IAA-indhold i bygfrøplanter. Efterfølgende overførsel af 15°C FR-forbehandlede bygfrøplanter til 5°C og fortsat FR-tilskud i 7 dage resulterede i resultater svarende til de to ovennævnte behandlinger, men med reduceret ABA-respons. Planter med forskellige R:FR-værdier kontrollerer biosyntesen af ​​fytohormoner (GA, IAA, CTK og ABA), som også er involveret i plantesalttolerance. Under saltstress kan det lave forhold R:FR lysmiljø forbedre antioxidant- og fotosyntesekapaciteten af ​​tomatfrøplanter, reducere produktionen af ​​ROS og MDA i frøplanterne og forbedre salttolerancen. Både saltholdighedsstress og lav R:FR-værdi (R:FR=0,8) hæmmede biosyntesen af ​​klorofyl, hvilket kan være relateret til den blokerede omdannelse af PBG til UroIII i klorofylsyntesevejen, mens det lave R:FR-miljø effektivt kan lindre saltindholdet Stress-induceret svækkelse af klorofylsyntese. Disse resultater indikerer en signifikant sammenhæng mellem fytokromer og salttolerance.

Ud over lysmiljøet påvirker andre miljøfaktorer også væksten og kvaliteten af ​​grøntsagsfrøplanter. For eksempel vil stigningen af ​​CO2-koncentrationen øge lysmætningens maksimale værdi Pn (Pnmax), reducere lyskompensationspunktet og forbedre lysudnyttelseseffektiviteten. Forøgelsen af ​​lysintensiteten og CO2-koncentrationen hjælper med at forbedre indholdet af fotosyntetiske pigmenter, vandforbrugseffektiviteten og aktiviteterne af enzymer relateret til Calvin-cyklussen og endelig opnå højere fotosyntetisk effektivitet og biomasseakkumulering af tomatfrøplanter. Tørvægten og kompaktheden af ​​tomat- og peberfrøplanter var positivt korreleret med DLI, og temperaturændringen påvirkede også væksten under den samme DLI-behandling. Miljøet på 23 ~ 25 ℃ var mere egnet til vækst af tomatfrøplanter. I henhold til temperatur- og lysforhold udviklede forskerne en metode til at forudsige den relative væksthastighed for peber baseret på bate-fordelingsmodellen, som kan give videnskabelig vejledning til miljøreguleringen af ​​peberpodet kimplanteproduktion.

Når der udformes en lysreguleringsordning i produktionen, skal der derfor ikke kun tages hensyn til lysmiljøfaktorer og plantearter, men også dyrknings- og forvaltningsfaktorer såsom frøplantenæring og vandforvaltning, gasmiljø, temperatur og kimplantes vækststadie.

4. Problemer og udsigter

For det første er lysreguleringen af ​​grøntsagsfrøplanter en sofistikeret proces, og virkningerne af forskellige lysforhold på forskellige typer grøntsagsfrøplanter i plantefabriksmiljøet skal analyseres i detaljer. Dette betyder, at for at nå målet om højeffektiv og høj kvalitet frøplanteproduktion, er det nødvendigt med kontinuerlig udforskning for at etablere et modent teknisk system.

For det andet, selvom strømudnyttelsesgraden for LED-lyskilden er relativt høj, er strømforbruget til plantebelysning hovedenergiforbruget til dyrkning af frøplanter ved hjælp af kunstigt lys. Plantefabrikkers enorme energiforbrug er stadig den flaskehals, der begrænser udviklingen af ​​plantefabrikker.

Endelig, med den brede anvendelse af plantebelysning i landbruget, forventes prisen på LED-plantelys at blive stærkt reduceret i fremtiden; tværtimod, stigningen i lønomkostninger, især i den post-epidemiiske æra, er manglen på arbejdskraft forpligtet til at fremme processen med mekanisering og automatisering af produktionen. I fremtiden vil kunstig intelligens-baserede kontrolmodeller og intelligent produktionsudstyr blive en af ​​kerneteknologierne til grøntsags-kimplanteproduktion og vil fortsætte med at fremme udviklingen af ​​plantefabriks-kimplanteteknologi.

Forfattere: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Artikelkilde: Wechat-regnskab for Agricultural Engineering Technology (drivhusgartneri)