Resumo: As mudas de verduras son o primeiro paso na produción de verduras e a calidade das mudas é moi importante para o rendemento e a calidade das verduras despois da plantación. Co perfeccionamento continuo da división do traballo na industria vexetal, as mudas vexetais formaron gradualmente unha cadea industrial independente e serviron a produción de vexetais. Afectados polo mal tempo, os métodos tradicionais de plántula afrontan inevitablemente moitos retos como o crecemento lento das mudas, o crecemento leggy e as pragas e as enfermidades. Para tratar as mudas leggy, moitos cultivadores comerciais usan os reguladores de crecemento. Non obstante, hai riscos de rixidez, seguridade alimentaria e contaminación ambiental co uso de reguladores de crecemento. Ademais dos métodos de control químico, aínda que a estimulación mecánica, a temperatura e o control da auga tamén poden desempeñar un papel na prevención do crecemento leggy de mudas, son lixeiramente menos cómodas e eficaces. Baixo o impacto da nova epidemia mundial de Covid-19, os problemas das dificultades de xestión da produción causados ​​pola escaseza de traballo e o aumento dos custos laborais na industria de plántulas fixéronse máis destacados.

Co desenvolvemento da tecnoloxía de iluminación, o uso de luz artificial para o aumento das plántulas vexetais ten as vantaxes da alta eficiencia das plántulas, menos pragas e enfermidades e unha fácil estandarización. En comparación coas fontes de luz tradicionais, a nova xeración de fontes de luz LED ten as características de aforro de enerxía, alta eficiencia, longa vida, protección ambiental e durabilidade, pequeno tamaño, baixa radiación térmica e pequena amplitude de lonxitude de onda. Pode formular o espectro adecuado segundo as necesidades de crecemento e desenvolvemento das mudas no ambiente das fábricas vexetais e controlar con precisión o proceso fisiolóxico e metabólico das mudas, ao mesmo tempo, contribuíndo á produción sen contaminación, normalizada e rápida de mudas vexetais e acurta o ciclo de plántulas. No sur de China, leva uns 60 días para cultivar mudas de pementa e tomate (3-4 follas verdadeiras) en invernadoiros de plástico e uns 35 días para mudas de pepino (3-5 follas verdadeiras). En condicións de fábrica de plantas, só leva 17 días para cultivar mudas de tomate e 25 días para mudas de pementa nas condicións dun fotoperíodo de 20 h e un PPF de 200-300 μmol/(M2 • s). En comparación co método convencional de cultivo de plántulas no invernadoiro, o uso do método de cultivo de plantas de fábrica de plantas LED acurtou significativamente o ciclo de crecemento do pepino en 15-30 días, e o número de flores e froitas femininas por planta aumentou un 33,8% e un 37,3% , respectivamente, e o maior rendemento aumentouse nun 71,44%.

En termos de eficiencia de utilización de enerxía, a eficiencia de utilización de enerxía das fábricas vexetais é superior á dos invernadoiros de tipo Venlo na mesma latitude. Por exemplo, nunha fábrica de plantas suecas, necesítanse 1411 MJ para producir 1 kg de materia seca de leituga, mentres que 1699 MJ son necesarios nun invernadoiro. Non obstante, se se calcula a electricidade necesaria por quilogramo de materia seca, a fábrica de plantas necesita 247 kw · h para producir 1 kg de peso seco de leituga e os invernadoiros en Suecia, os Países Baixos e os Emiratos Árabes Unidos requiren 182 kW · H, 70 kW · H, e 111 kW · H, respectivamente.

Ao mesmo tempo, na fábrica de plantas, o uso de ordenadores, equipos automáticos, intelixencia artificial e outras tecnoloxías poden controlar con precisión as condicións ambientais adecuadas para o cultivo de plántulas, desfacerse das limitacións das condicións do medio natural e realizar o intelixente, Produción estable mecanizada e anual de produción de plántulas. Nos últimos anos empregáronse mudas de fábricas de plantas na produción comercial de verduras de frondosas, verduras de froitas e outros cultivos económicos en Xapón, Corea do Sur, Europa e Estados Unidos e outros países. O elevado investimento inicial de fábricas de plantas, altos custos operativos e un enorme consumo de enerxía do sistema seguen sendo os pescozos que limitan a promoción da tecnoloxía de cultivo de plántulas nas fábricas de plantas chinesas. Por iso, é necesario ter en conta os requisitos de alto rendemento e aforro de enerxía en termos de estratexias de xestión da luz, establecemento de modelos de crecemento vexetal e equipos de automatización para mellorar os beneficios económicos.

Neste artigo, a influencia do ambiente lixeiro LED sobre o crecemento e o desenvolvemento de mudas vexetais nas fábricas de plantas nos últimos anos é revisada, coa perspectiva da dirección de investigación da regulación da luz das mudas vexetais nas fábricas vexetais.

1. Efectos do ambiente lixeiro sobre o crecemento e o desenvolvemento de mudas vexetais

Como un dos factores ambientais esenciais para o crecemento e desenvolvemento das plantas, a luz non só é unha fonte de enerxía para que as plantas realicen a fotosíntese, senón tamén un sinal clave que afecta a fotomorfoxénese das plantas. As plantas senten a dirección, a enerxía e a calidade da luz do sinal a través do sistema de sinal de luz, regulan o seu propio crecemento e desenvolvemento e responden á presenza ou ausencia, lonxitude de onda, intensidade e duración da luz. Os fotorreceptores vexetais coñecidos inclúen polo menos tres clases: fitocromos (phya ~ phye) que senten a luz vermella e moi vermella (FR), criptocromos (Cry1 e Cry2) ese sentido azul e ultravioleta A, e elementos (Phot1 e Phot2), os Receptor UV-B UVR8 que detecta a UV-B. Estes fotorreceptores participan e regulan a expresión de xenes relacionados e logo regulan actividades de vida como a xerminación das sementes vexetais, a fotomorfoxénese, o tempo de floración, a síntese e a acumulación de metabolitos secundarios e a tolerancia ás tensións bióticas e abióticas.

2. Influencia do ambiente lixeiro LED no establecemento fotomorfolóxico de mudas de verduras

2.1 Efectos de diferente calidade da luz na fotomorfoxénese das mudas de verduras

As rexións vermellas e azuis do espectro teñen altas eficiencias cuánticas para a fotosíntese das follas vexetais. Non obstante, a exposición a longo prazo das follas de pepino á luz vermella pura danará o fotosistema, obtendo o fenómeno da "síndrome de luz vermella" como a resposta estomatal aturdida, a diminución da capacidade fotosintética e a eficiencia de uso de nitróxeno e o retraso do crecemento. Baixo a condición de baixa intensidade de luz (100 ± 5 μmol/(m2 • s)), a luz vermella pura pode danar os cloroplastos de follas novas e maduras de pepino, pero os cloroplastos danados foron recuperados despois de que se cambiou de luz vermella pura á luz vermella e azul (R: B = 7: 3). Pola contra, cando as plantas de pepino pasaron do ambiente de luz azul vermella ao ambiente de luz vermella pura, a eficiencia fotosintética non diminuíu significativamente, mostrando a adaptabilidade ao ambiente de luz vermella. A través da análise de microscopio electrónico da estrutura das follas das mudas de pepino con "síndrome de luz vermella", os experimentadores descubriron que o número de cloroplastos, o tamaño dos gránulos de almidón e o grosor da grana en follas baixo luz vermella pura foron significativamente inferiores que os menores Tratamento de luz branca. A intervención da luz azul mellora a ultraestrutura e as características fotosintéticas dos cloroplastos de pepino e elimina a excesiva acumulación de nutrientes. En comparación coa luz branca e a luz vermella e azul, a luz vermella pura promoveu a elongación de hipocotilo e a expansión do cotiledón de mudas de tomate, aumentou significativamente a altura e a área das follas, pero diminuíron significativamente a capacidade fotosintética, o contido de rubisco reducido e a eficiencia fotoquímica e aumentou significativamente a disipación de calor. Pódese ver que diferentes tipos de plantas responden de xeito diferente á mesma calidade de luz, pero en comparación coa luz monocromática, as plantas teñen unha maior eficiencia da fotosíntese e un crecemento máis vigoroso no ambiente da luz mixta.

Os investigadores fixeron moitas investigacións sobre a optimización da combinación de calidade da luz de mudas de verduras. Baixo a mesma intensidade de luz, co aumento da relación de luz vermella, a altura da planta e o peso fresco das mudas de tomate e pepino foron melloradas significativamente e o tratamento cunha relación de vermello a azul de 3: 1 tivo o mellor efecto; Pola contra, unha alta relación de luz azul inhibiu o crecemento de mudas de tomate e pepino, que foron curtas e compactas, pero aumentou o contido de materia seca e clorofila nos brotes de mudas. Obsérvanse patróns similares noutros cultivos, como pementos e sandías. Ademais, en comparación coa luz branca, a luz vermella e azul (R: B = 3: 1) non só mellorou significativamente o grosor das follas, o contido de clorofila, a eficiencia fotosintética e a eficiencia de transferencia de electróns das mudas de tomate, pero tamén os niveis de expresión de enzimas relacionadas relacionadas No ciclo de Calvino, o contido vexetariano de crecemento e a acumulación de carbohidratos tamén se melloraron significativamente. Comparando as dúas relacións de luz vermella e azul (R: B = 2: 1, 4: 1), unha maior relación de luz azul era máis propicio para inducir a formación de flores femininas en mudas de pepino e acelerar o tempo de floración das flores femininas . Aínda que diferentes relacións de luz vermella e azul non tiveron ningún efecto significativo sobre o rendemento de peso fresco de kale, rúcula e mudas de mostaza, unha alta relación de luz azul (30% de luz azul) reduciu significativamente a lonxitude hipocotil e a zona cotilledon de kale e mudas de mostaza, mentres que a cor do cotiledón afondaba. Polo tanto, na produción de mudas, un aumento adecuado na proporción de luz azul pode acurtar significativamente o espazo entre os nodos e a área de follas de mudas de verduras, promover a extensión lateral das mudas e mellorar o índice de forza de plántulas, que é propicio para cultivando mudas robustas. Baixo a condición de que a intensidade da luz permanecese sen cambios, o aumento da luz verde en luz vermella e azul mellorou significativamente o peso fresco, a zona das follas e a altura das plantas das mudas de pementa doces. En comparación coa lámpada fluorescente tradicional branca, baixo as condicións de luz vermello-verde-azul (R3: G2: B5), as mudas de tomate Y [II], QP e ETR das mudas de tomate nº 1 de Okagi. A suplementación de luz UV (100 μmol/(M2 • S) Luz azul + 7% UV-A) á luz azul pura reduciu significativamente a velocidade de alargamento do talo de rúcula e mostaza, mentres que a suplementación de FR era o contrario. Isto tamén demostra que ademais da luz vermella e azul, outras calidades de luz tamén xogan un papel importante no proceso de crecemento e desenvolvemento das plantas. Aínda que nin a luz ultravioleta nin a FR son a fonte de enerxía de fotosíntese, ambas están implicadas na fotomorfoxénese das plantas. A luz UV de alta intensidade é prexudicial para o ADN e as proteínas vexetais, etc. Non obstante, a luz UV activa as respostas do estrés celular, provocando cambios no crecemento das plantas, morfoloxía e desenvolvemento para adaptarse aos cambios ambientais. Os estudos demostraron que a menor R/FR induce respostas de evitar a sombra nas plantas, dando lugar a cambios morfolóxicos nas plantas, como a alargación do talo, o adelgazamento das follas e o rendemento reducido da materia seca. Un tallo esvelto non é un bo trazo de crecemento para cultivar mudas fortes. Para as mudas de verduras de follas e froitas xerais, as mudas firmes, compactas e elásticas non son propensas a problemas durante o transporte e a plantación.

A UV-A pode facer que as plantas de plántula de pepino sexan máis curtas e compactas, e o rendemento despois do transplante non é significativamente diferente ao do control; Aínda que a UV-B ten un efecto inhibidor máis significativo, e o efecto de redución do rendemento despois do transplante non é significativo. Estudos anteriores suxeriron que a UV-A inhibe o crecemento das plantas e fai que as plantas sexan ananas. Pero hai probas crecentes de que a presenza de UV-A, en vez de suprimir a biomasa de cultivos, promove realmente. En comparación coa luz vermella e branca básica (R: W = 2: 3, PPFD é de 250 μmol/(M2 · S)), a intensidade complementaria en luz vermella e branca é de 10 W/M2 (aproximadamente 10 μmol/(M2 · s)) o UV-A de Kale aumentou significativamente a biomasa, a lonxitude dos internos, o diámetro do talo e o ancho das marquesinas das plantas das mudas de kale, pero o efecto de promoción foi debilitado Cando a intensidade UV superou os 10 p/m2. A suplementación diaria de 2 h UV-A (0,45 J/(M2 • S)) podería aumentar significativamente a altura da planta, a área de cotiledón e o peso fresco das mudas de tomate "oxheart", ao tempo que reduce o contido de H2O2 das mudas de tomate. Pódese ver que diferentes cultivos responden de forma diferente á luz UV, que pode estar relacionada coa sensibilidade dos cultivos coa luz UV.

Para o cultivo de mudas enxertadas, a lonxitude do talo debe aumentar adecuadamente para facilitar o enxerto de raíz. Diferentes intensidades de FR tiveron diferentes efectos no crecemento de mudas de tomate, pementa, pepino, calabaza e sandía. A suplementación de 18,9 μmol/(M2 • s) de FR en luz branca fría aumentou significativamente a lonxitude hipocotil e o diámetro do talo das mudas de tomate e pementa; FR de 34,1 μmol/(M2 • S) tivo o mellor efecto na promoción da lonxitude hipocotil e do diámetro do pepino, calabaza e mudas de sandía; FR de alta intensidade (53,4 μmol/(M2 • s)) tivo o mellor efecto sobre estas cinco verduras. A lonxitude de hipocotilo e o diámetro do talo das mudas xa non aumentaron significativamente e comezaron a amosar unha tendencia descendente. O peso fresco das mudas de pementa diminuíu significativamente, o que indica que os valores de saturación de FR das cinco mudas vexetais foron inferiores a 53,4 μmol/(M2 • s), e o valor FR foi significativamente inferior ao de FR. Os efectos sobre o crecemento de diferentes mudas vexetais tamén son diferentes.

2.2 Efectos de diferente luz do día integral na fotomorfoxénese das mudas vexetais

A integral da luz do día (DLI) representa a cantidade total de fotóns fotosintéticos recibidos pola superficie da planta nun día, que está relacionado coa intensidade da luz e o tempo de luz. A fórmula de cálculo é dli (mol/m2/día) = intensidade de luz [μmol/(m2 • s)] × tempo de luz diaria (H) × 3600 × 10-6. Nun ambiente con baixa intensidade de luz, as plantas responden a un ambiente de pouca luz ao alargar o talo e a lonxitude dos internos, aumentando a altura das plantas, a lonxitude dos pecíoles e a superficie das follas e diminuíndo o grosor das follas e a taxa fotosintética neta. Co aumento da intensidade da luz, excepto a mostaza, a lonxitude hipocotilo e a alargación do talo de rúcula, repolo e mudas de kale baixo a mesma calidade de luz diminuíron significativamente. Pódese ver que o efecto da luz sobre o crecemento das plantas e a morfoxénese está relacionado coa intensidade da luz e as especies vexetais. Co aumento de DLI (8,64 ~ 28,8 mol/m2/día), o tipo de plantas de plantas de pepino volveuse curto, forte e compacto, e o peso específico de follas e o contido de clorofila diminuíu gradualmente. 6 ~ 16 días despois da sementeira de mudas de pepino, as follas e as raíces secáronse. O peso aumentou gradualmente e a taxa de crecemento acelerouse gradualmente, pero 16 a 21 días despois da sementeira, a taxa de crecemento das follas e as raíces das mudas de pepino diminuíu significativamente. A DLI mellorada promoveu a taxa fotosintética neta de mudas de pepino, pero despois dun certo valor, a taxa fotosintética neta comezou a diminuír. Polo tanto, seleccionar o DLI adecuado e adoptar diferentes estratexias de luz complementarias en diferentes etapas de crecemento das mudas pode reducir o consumo de enerxía. O contido de azucre soluble e enzima SOD en mudas de pepino e tomate aumentou co aumento da intensidade de DLI. Cando a intensidade DLI aumentou de 7,47 mol/m2/día a 11,26 mol/m2/día, o contido de azucre soluble e encima SOD nas mudas de pepino aumentou un 81,03% e un 55,5% respectivamente. Nas mesmas condicións de DLI, co aumento da intensidade da luz e o acurtamento do tempo de luz, inhibiuse a actividade PSII das mudas de tomate e pepino e a elección dunha estratexia de luz complementaria de baixa intensidade de luz e de longa duración foi máis propicio para cultivar altas sementes Índice e eficiencia fotoquímica de mudas de pepino e tomate.

Na produción de mudas enxertadas, o ambiente de pouca luz pode levar a unha diminución da calidade das mudas enxertadas e un aumento do tempo de curación. A intensidade da luz adecuada non só pode mellorar a capacidade de unión do sitio de curación enxertada e mellorar o índice de mudas fortes, senón tamén reducir a posición do nodo das flores femininas e aumentar o número de flores femininas. Nas fábricas vexetais, o DLI de 2,5-7,5 mol/m2/día foi suficiente para satisfacer as necesidades curativas das mudas enxertadas de tomate. A compactidade e o grosor das follas das mudas de tomate enxertadas aumentaron significativamente co aumento da intensidade DLI. Isto demostra que as mudas enxertadas non precisan intensidade de luz alta para a curación. Polo tanto, tendo en conta o consumo de enerxía e o ambiente de plantación, escoller unha intensidade de luz adecuada axudará a mellorar os beneficios económicos.

3. Efectos do ambiente lixeiro LED na resistencia ao estrés das mudas de verduras

As plantas reciben sinais de luz externos a través de fotorreceptores, provocando a síntese e a acumulación de moléculas de sinal na planta, cambiando así o crecemento e a función dos órganos vexetais e mellorando en última instancia a resistencia da planta ao estrés. A calidade da luz diferente ten un certo efecto de promoción na mellora da tolerancia ao frío e da tolerancia ao sal das mudas. Por exemplo, cando as mudas de tomate foron complementadas con luz durante 4 horas pola noite, en comparación co tratamento sen luz suplementaria, luz branca, luz vermella, luz azul e luz vermella e azul podería reducir a permeabilidade dos electrólitos e o contido de MDA das mudas de tomate, e mellorar a tolerancia ao frío. As actividades de SOD, POD e CAT nas mudas de tomate baixo o tratamento da relación azul-azul 8: 2 foron significativamente superiores ás doutros tratamentos, e tiñan maior capacidade antioxidante e tolerancia ao frío.

O efecto da UV-B no crecemento da raíz de soia é principalmente mellorar a resistencia ao estrés vexetal aumentando o contido de raíz NO e ROS, incluíndo moléculas de sinalización hormonal como ABA, SA e JA, e inhiben o desenvolvemento da raíz reducindo o contido de IAA , CTK, e GA. O fotorreceptor de UV-B, UVR8, non só está implicado na regulación da fotomorfoxénese, senón que tamén xoga un papel clave na tensión UV-B. Nas mudas de tomate, UVR8 media a síntese e acumulación de antocianinas e as mudas de tomate salvaxe aclimatadas por UV melloran a súa capacidade para facer fronte ao estrés UV-B de alta intensidade. Non obstante, a adaptación de UV-B ao estrés por seca inducida por Arabidopsis non depende da vía UVR8, o que indica que UV-B actúa como unha resposta cruzada inducida polo sinal dos mecanismos de defensa das plantas, de xeito que unha variedade de hormonas son conxuntamente implicado na resistencia ao estrés por seca, aumentando a capacidade de escavación de ROS.

Tanto a elongación do hipocotilo das plantas ou o talo causado pola FR e a adaptación das plantas ao estrés en frío están reguladas por hormonas vexetais. Polo tanto, o "efecto de evitar a sombra" causado pola FR está relacionado coa adaptación en frío das plantas. Os experimentadores complementaron as mudas de cebada 18 días despois da xerminación a 15 ° C durante 10 días, arrefriando a 5 ° C + complementando a FR durante 7 días e descubriron que en comparación co tratamento de luz branca, o FR aumentou a resistencia ás xeadas das mudas de cebada. Este proceso vai acompañado dun aumento do contido de ABA e IAA en mudas de cebada. Transferencia posterior de mudas de cebada pretratadas de 15 ° C a 5 ° C e a suplementación de FR continuada durante 7 días deu lugar a resultados similares aos dous tratamentos anteriores, pero con resposta ABA reducida. As plantas con diferentes valores R: FR controlan a biosíntese de fitohormonas (GA, IAA, CTK e ABA), que tamén están implicadas na tolerancia á sal vexetal. Baixo o estrés sal, a baixa relación R: FR o ambiente lixeiro pode mellorar a capacidade antioxidante e fotosintética das mudas de tomate, reducir a produción de ROS e MDA nas mudas e mellorar a tolerancia ao sal. Tanto o estrés de salinidade como o valor baixo R: FR (R: FR = 0,8) inhibiron a biosíntese da clorofila, que pode estar relacionada coa conversión bloqueada de PBG a uroiii na vía de síntese de clorofila, mentres que o ambiente baixo R: F FR pode aliviar eficazmente O deterioro inducido polo estrés da salinidade da síntese de clorofila. Estes resultados indican unha correlación significativa entre fitocromos e tolerancia ao sal.

Ademais do ambiente lixeiro, outros factores ambientais tamén afectan o crecemento e a calidade das mudas vexetais. Por exemplo, o aumento da concentración de CO2 aumentará o valor máximo de saturación de luz PN (PNMAX), reducirá o punto de compensación da luz e mellorará a eficiencia da utilización da luz. O aumento da intensidade da luz e a concentración de CO2 axuda a mellorar o contido dos pigmentos fotosintéticos, a eficiencia do uso de auga e as actividades de enzimas relacionadas co ciclo de Calvino, e finalmente conseguen unha maior eficiencia fotosintética e acumulación de biomasa de mudas de tomate. O peso seco e a compactidade das mudas de tomate e pementa foron correlacionadas positivamente coa DLI, e o cambio de temperatura tamén afectou ao crecemento baixo o mesmo tratamento con DLI. O ambiente de 23 ~ 25 ℃ foi máis adecuado para o crecemento de mudas de tomate. Segundo as condicións de temperatura e luz, os investigadores desenvolveron un método para predecir a taxa de crecemento relativo de pementa baseada no modelo de distribución de BATE, que pode proporcionar orientación científica para a regulación ambiental da produción de plántulas enxertadas de pementa.

Polo tanto, ao deseñar un esquema de regulación lixeira na produción, non só deben considerarse factores de ambiente lixeiro e especies vexetais, senón tamén factores de cultivo e xestión como a nutrición de plántulas e a xestión da auga, o ambiente de gas, a temperatura e a fase de crecemento das plántulas.

4. Problemas e perspectivas

En primeiro lugar, a regulación lixeira das mudas de verduras é un proceso sofisticado, e hai que analizar os efectos de diferentes condicións de luz sobre diferentes tipos de mudas vexetais no ambiente de fábrica de plantas. Isto significa que para lograr o obxectivo dunha produción de plántulas de alta eficiencia e de alta calidade, é necesaria unha exploración continua para establecer un sistema técnico maduro.

En segundo lugar, aínda que a taxa de utilización de enerxía da fonte de luz LED é relativamente alta, o consumo de enerxía para a iluminación das plantas é o principal consumo de enerxía para o cultivo de mudas mediante luz artificial. O enorme consumo de enerxía das fábricas vexetais segue sendo o pescozo de botella que restrinxe o desenvolvemento de fábricas vexetais.

Finalmente, coa ampla aplicación de iluminación de plantas na agricultura, espérase que o custo das luces das plantas LED se reduza moito no futuro; Pola contra, o aumento dos custos laborais, especialmente na era post-epidémica, a falta de traballo está obrigada a promover o proceso de mecanización e automatización da produción. No futuro, os modelos de control baseados na intelixencia artificial e os equipos de produción intelixentes converteranse nunha das tecnoloxías básicas para a produción de plántulas vexetais e continuarán a promover o desenvolvemento da tecnoloxía de plántulas de fábrica de plantas.

Autores: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Fonte do artigo: WeChat Conta da tecnoloxía de enxeñería agrícola (Horticultura de invernadoiro)