Resumo: As mudas de hortalizas son o primeiro paso na produción vexetal, e a calidade das mudas é moi importante para o rendemento e a calidade dos vexetais despois da plantación.Co perfeccionamento continuo da división do traballo na industria vexetal, as mudas de vexetais foron formando gradualmente unha cadea industrial independente e serviron á produción vexetal.Afectados polo mal tempo, os métodos tradicionais de mudas enfróntanse inevitablemente a moitos desafíos, como o crecemento lento das mudas, o crecemento de pernas, e as pragas e enfermidades.Para xestionar as mudas con pernas, moitos cultivadores comerciais usan reguladores de crecemento.Non obstante, existen riscos de rixidez das plántulas, seguridade alimentaria e contaminación ambiental co uso de reguladores de crecemento.Ademais dos métodos de control químico, aínda que a estimulación mecánica, o control da temperatura e da auga tamén poden desempeñar un papel na prevención do crecemento das mudas, son un pouco menos convenientes e eficaces.Baixo o impacto da nova epidemia global de Covid-19, os problemas das dificultades de xestión da produción causadas pola escaseza de man de obra e o aumento dos custos laborais na industria das mudas fixéronse máis destacados.

Co desenvolvemento da tecnoloxía de iluminación, o uso de luz artificial para a cría de mudas vexetais ten as vantaxes dunha alta eficiencia das mudas, 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 útil, protección ambiental e durabilidade, pequeno tamaño, baixa radiación térmica e pequena amplitude de lonxitude de onda.Pode formular un espectro axeitado segundo as necesidades de crecemento e desenvolvemento das mudas no ambiente das fábricas de plantas e controlar con precisión o proceso fisiolóxico e metabólico das mudas, ao mesmo tempo, contribuíndo a unha produción de mudas vexetais sen contaminación, estandarizada e rápida. , e acurta o ciclo das mudas.No sur de China, leva uns 60 días cultivar mudas de pementa e tomate (3-4 follas verdadeiras) en invernadoiros de plástico, e uns 35 días para as mudas de pepino (3-5 follas verdadeiras).En condicións de fábrica de plantas, só se necesitan 17 días para cultivar mudas de tomate e 25 días para as mudas de pemento nas condicións dun fotoperíodo de 20 h e un PPF de 200-300 μmol/(m2•s).En comparación co método de cultivo de plántulas convencional no invernadoiro, o uso do método de cultivo de plántulas de fábrica de plantas LED acurtou significativamente o ciclo de crecemento do pepino en 15-30 días, e o número de flores femininas e froitos por planta aumentou nun 33,8% e 37,3% , respectivamente, e o rendemento máis alto incrementouse nun 71,44%.

En termos de eficiencia enerxética, a eficiencia enerxética das fábricas de plantas é maior que a dos invernadoiros tipo Venlo na mesma latitude.Por exemplo, nunha fábrica de plantas suecas, 1411 MJ son necesarios 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 quilo de materia seca de leituga, a fábrica da planta necesita 247 kW·h para producir 1 kg de peso seco de leituga, e os invernadoiros de Suecia, Holanda e 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 a intelixencia. produción mecanizada e anual estable de produción de mudas.Nos últimos anos, as mudas de fábrica de plantas utilizáronse na produción comercial de verduras de folla, froitas e outros cultivos económicos en Xapón, Corea do Sur, Europa e Estados Unidos e outros países.O alto investimento inicial das fábricas de plantas, os altos custos operativos e o enorme consumo de enerxía do sistema seguen sendo os pescozos de botella que limitan a promoción da tecnoloxía de cultivo de mudas nas fábricas de plantas chinesas.Polo tanto, é necesario ter en conta os requisitos de alto rendemento e aforro enerxético en canto a estratexias de xestión da luz, establecemento de modelos de crecemento vexetal e equipamentos de automatización para mellorar os beneficios económicos.

Neste artigo, revisase a influencia do ambiente de luz LED no crecemento e desenvolvemento de mudas de vexetais nas fábricas de plantas nos últimos anos, coa perspectiva da dirección de investigación da regulación da luz das mudas de vexetais nas fábricas de plantas.

1. Efectos do ambiente luminoso sobre o crecemento e desenvolvemento das mudas de hortalizas

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 perciben a dirección, a enerxía e a calidade da luz do sinal a través do sistema de sinal luminoso, regulan o seu propio crecemento e desenvolvemento e responden á presenza ou ausencia, lonxitude de onda, intensidade e duración da luz.Os fotorreceptores vexetais actualmente coñecidos inclúen polo menos tres clases: fitocromos (PHYA~PHYE) que detectan luz vermella e vermella afastada (FR), criptocromos (CRY1 e CRY2) que detectan o azul e o ultravioleta A, e os Elementos (Phot1 e Phot2), o Receptor UV-B UVR8 que detecta UV-B.Estes fotorreceptores participan e regulan a expresión de xenes relacionados e despois regulan as actividades vitais como a xerminación das sementes das plantas, a fotomorfoxénese, o tempo de floración, a síntese e acumulación de metabolitos secundarios e a tolerancia a estrés biótico e abiótico.

2. Influencia da contorna de luz LED no establecemento fotomorfolóxico de mudas vexetais

2.1 Efectos de diferentes calidades de luz na fotomorfoxénese das mudas vexetais

As rexións vermellas e azuis do espectro teñen altas eficiencias cuánticas para a fotosíntese das follas das plantas.Non obstante, a exposición a longo prazo das follas de pepino á luz vermella pura danará o fotosistema, o que provocará o fenómeno da "síndrome da luz vermella", como unha resposta estomática retardada, unha diminución da capacidade fotosintética e da eficiencia no uso de nitróxeno e un atraso do crecemento.Baixo a condición de baixa intensidade de luz (100±5 μmol/(m2•s)), a luz vermella pura pode danar os cloroplastos das follas novas e maduras do pepino, pero os cloroplastos danados recuperáronse despois de cambiar a luz vermella pura. á luz vermella e azul (R:B= 7:3).Pola contra, cando as plantas de pepino cambiaron do ambiente de luz vermella-azul ao ambiente de luz vermella pura, a eficiencia fotosintética non diminuíu significativamente, mostrando a adaptabilidade ao ambiente de luz vermella.A través da análise do microscopio electrónico da estrutura das follas das mudas de pepino con "síndrome da luz vermella", os experimentadores descubriron que o número de cloroplastos, o tamaño dos gránulos de amidón e o grosor do grana nas follas baixo luz vermella pura eran significativamente máis baixos que aqueles baixo luz vermella. tratamento de luz branca.A intervención da luz azul mellora a ultraestrutura e as características fotosintéticas dos cloroplastos de pepino e elimina a acumulación excesiva de nutrientes.En comparación coa luz branca e a luz vermella e azul, a luz vermella pura promoveu o alongamento do hipocotilo e a expansión do cotiledón das mudas de tomate, aumentou significativamente a altura da planta e a superficie foliar, pero diminuíu significativamente a capacidade fotosintética, reduciu o contido de Rubisco e a eficiencia fotoquímica e aumentou significativamente a disipación de calor.Pódese ver que diferentes tipos de plantas responden de forma 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 de luz mixta.

Os investigadores realizaron moitas investigacións sobre a optimización da combinación de calidade de luz das mudas vexetais.Baixo a mesma intensidade de luz, co aumento da proporción de luz vermella, a altura da planta e o peso fresco das mudas de tomate e pepino melloráronse significativamente e o tratamento cunha proporción de vermello a azul de 3:1 tivo o mellor efecto;pola contra, unha alta proporción de luz azul inhibiu o crecemento das mudas de tomate e pepino, que eran curtas e compactas, pero aumentou o contido de materia seca e clorofila nos brotes das mudas.Os patróns similares obsérvanse noutros cultivos, como os pementos e as sandías.Ademais, en comparación coa luz branca, a luz vermella e azul (R:B=3:1) non só melloraron significativamente o grosor da folla, o contido de clorofila, a eficiencia fotosintética e a eficiencia de transferencia de electróns das mudas de tomate, senón tamén os niveis de expresión dos encimas relacionados. ao ciclo de Calvin, o contido vexetariano do crecemento e a acumulación de carbohidratos tamén se melloraron significativamente.Comparando as dúas proporcións de luz vermella e azul (R:B=2:1, 4:1), unha proporción máis alta de luz azul favoreceu máis a formación de flores femininas nas mudas de pepino e acelerou o tempo de floración das flores femininas. .Aínda que as diferentes proporcións de luz vermella e azul non tiveron un efecto significativo sobre o rendemento en peso fresco das mudas de col rizada, rúcula e mostaza, unha alta proporción de luz azul (30% de luz azul) reduciu significativamente a lonxitude do hipocotilo e a área do cotiledón da col rizada. e mudas de mostaza, mentres que a cor do cotiledón afondaba.Polo tanto, na produción de mudas, un aumento axeitado da proporción de luz azul pode acurtar significativamente o espazamento dos nodos e a área foliar das mudas de vexetais, promover a extensión lateral das mudas e mellorar o índice de forza das mudas, o que favorece cultivando mudas robustas.A condición de que a intensidade da luz permanecese inalterada, o aumento da luz verde en luz vermella e azul mellorou significativamente o peso fresco, a superficie da folla e a altura da planta das mudas de pementa doce.En comparación coa lámpada fluorescente branca tradicional, baixo as condicións de luz vermello-verde-azul (R3:G2:B5), melloráronse significativamente as mudas Y[II], qP e ETR das mudas de "Tomate Okagi No. 1".A suplementación de luz UV (100 μmol/(m2•s) luz azul + 7% UV-A) a luz azul pura reduciu significativamente a velocidade de elongación do talo da rúcula e da mostaza, mentres que a suplementación de FR foi o contrario.Isto tamén mostra 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 da fotosíntese, ambos están implicados na fotomorfoxénese das plantas.A luz UV de alta intensidade é prexudicial para o ADN e as proteínas das plantas, etc. Non obstante, a luz UV activa as respostas de estrés celular, provocando cambios no crecemento, morfoloxía e desenvolvemento das plantas para adaptarse aos cambios ambientais.Os estudos demostraron que o R/FR máis baixo induce respostas de evitación da sombra nas plantas, o que produce cambios morfolóxicos nas plantas, como o alongamento do talo, o adelgazamento das follas e a redución do rendemento de materia seca.Un talo delgado non é un bo trazo de crecemento para o cultivo de mudas fortes.Para as mudas xerais de froitas e froitas, as mudas firmes, compactas e elásticas non son propensas a problemas durante o transporte e a plantación.

UV-A pode facer que as plantas de mudas de pepino sexan máis curtas e compactas, e o rendemento despois do transplante non é significativamente diferente do control;mentres 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 o UV-A inhibe o crecemento das plantas e fai que as plantas sexan ananas.Pero hai cada vez máis evidencias de que a presenza de UV-A, en lugar de suprimir a biomasa dos cultivos, realmente a promove.En comparación coa luz vermella e branca básica (R:W=2:3, PPFD é de 250 μmol/(m2·s)), a intensidade suplementaria na luz vermella e branca é de 10 W/m2 (uns 10 μmol/(m2·s) s)) O UV-A da colza aumentou significativamente a biomasa, a lonxitude dos entrenudos, o diámetro do talo e o ancho do dosel das plántulas de colza, pero o efecto de promoción debilitause cando a intensidade UV superou os 10 W/m2.A suplementación diaria de 2 h UV-A (0,45 J/(m2•s)) podería aumentar significativamente a altura da planta, a superficie do cotiledón e o peso fresco das plántulas de tomate 'Oxheart', mentres que reduce o contido de H2O2 das plántulas de tomate.Pódese ver que os diferentes cultivos responden de forma diferente á luz UV, o que pode estar relacionado coa sensibilidade dos cultivos á luz UV.

Para o cultivo de mudas enxertadas, a lonxitude do talo debe aumentarse adecuadamente para facilitar o enxerto de portaenxertos.As diferentes intensidades de FR tiveron diferentes efectos no crecemento das mudas de tomate, pemento, pepino, cabaciña e sandía.A suplementación de 18,9 μmol/(m2•s) de FR en luz branca fría aumentou significativamente a lonxitude do hipocotilo e o diámetro do talo das mudas de tomate e pemento;O FR de 34,1 μmol/(m2•s) tivo o mellor efecto na promoción da lonxitude do hipocotilo e do diámetro do talo das mudas de pepino, cabaciña e sandía;FR de alta intensidade (53,4 μmol/(m2•s)) tivo o mellor efecto nestes cinco vexetais.A lonxitude do hipocótilo e o diámetro do talo das mudas xa non aumentaron significativamente e comezaron a mostrar unha tendencia á baixa.O peso fresco das mudas de pementa diminuíu significativamente, o que indica que os valores de saturación FR das cinco mudas vexetais foron todos 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 diferentes integrais de luz diurna na fotomorfoxénese de mudas vexetais

O Daylight Integral (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 luminosa [μmol/(m2•s)] × Tempo de luz diario (h) × 3600 × 10-6.Nun ambiente con pouca intensidade de luz, as plantas responden ao ambiente con pouca luz alongando a lonxitude do talo e dos entrenudos, aumentando a altura da planta, a lonxitude do pecíolo e a área foliar e diminuíndo o grosor das follas e a taxa de fotosintética neta.Co aumento da intensidade da luz, excepto a mostaza, a lonxitude do hipocótilo e o alongamento do talo das mudas de rúcula, repolo e colza baixo a mesma calidade de luz diminuíron significativamente.Pódese ver que o efecto da luz sobre o crecemento e a morfoxénese das plantas está relacionado coa intensidade da luz e as especies vexetais.Co aumento do DLI (8,64 ~ 28,8 mol/m2/día), o tipo de planta de mudas de pepino tornouse curta, forte e compacta, e o peso específico da folla e o contido de clorofila diminuíron gradualmente.6 ~ 16 días despois da sementeira das 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 raíces das mudas de pepino diminuíu significativamente.A DLI mellorada promoveu a taxa de fotosintética neta das mudas de pepino, pero despois dun certo valor, a taxa de fotosintética neta comezou a diminuír.Polo tanto, seleccionar o DLI axeitado e adoptar diferentes estratexias complementarias de luz en diferentes etapas de crecemento das mudas pode reducir o consumo de enerxía.O contido de azucre soluble e encima SOD nas mudas de pepino e tomate aumentou co aumento da intensidade do DLI.Cando a intensidade do 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, a actividade PSII das mudas de tomate e pepino foi inhibida, e a elección dunha estratexia de luz complementaria de baixa intensidade de luz e longa duración foi máis propicia para o cultivo de mudas altas. índice e eficiencia fotoquímica de mudas de pepino e tomate.

Na produción de mudas enxertadas, o ambiente de pouca luz pode provocar 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 enxertado e mellorar o índice de mudas fortes, senón tamén reducir a posición do nó das flores femininas e aumentar o número de flores femininas.Nas fábricas de plantas, o DLI de 2,5-7,5 mol/m2/día foi suficiente para satisfacer as necesidades de curación das mudas enxertadas de tomate.A compacidade e o grosor das follas das mudas de tomate enxertadas aumentaron significativamente co aumento da intensidade do DLI.Isto mostra que as mudas enxertadas non precisan de alta intensidade de luz para a curación.Polo tanto, tendo en conta o consumo de enerxía e o ambiente de plantación, a elección dunha intensidade luminosa adecuada axudará a mellorar os beneficios económicos.

3. Efectos do ambiente de luz LED sobre a resistencia ao estrés das mudas vexetais

As plantas reciben sinais luminosos externos a través dos fotorreceptores, o que provoca a síntese e a acumulación de moléculas de sinal na planta, cambiando así o crecemento e a función dos órganos vexetais e, en definitiva, mellorando a resistencia da planta ao estrés.A calidade da luz diferente ten un certo efecto de promoción na mellora da tolerancia ao frío e á 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, a luz branca, a luz vermella, a luz azul e a luz vermella e azul poderían reducir a permeabilidade de electrolitos 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 de proporción vermello-azul 8:2 foron significativamente superiores ás doutros tratamentos, e tiñan maior capacidade antioxidante e tolerancia ao frío.

O efecto da UV-B sobre o crecemento da raíz da soia é principalmente mellorar a resistencia ao estrés das plantas aumentando o contido de NO e ROS da raíz, incluídas moléculas de sinalización hormonal como ABA, SA e JA, e inhibir o desenvolvemento das raíces ao reducir 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 fundamental no estrés UV-B.Nas mudas de tomate, o UVR8 media na síntese e acumulación de antocianinas, e as mudas de tomate silvestre aclimatadas aos UV melloran a súa capacidade para facer fronte ao estrés UV-B de alta intensidade.Non obstante, a adaptación da UV-B ao estrés pola seca inducida por Arabidopsis non depende da vía UVR8, o que indica que a UV-B actúa como unha resposta cruzada inducida por sinal dos mecanismos de defensa das plantas, polo que unha variedade de hormonas son conxuntamente. implicadas na resistencia ao estrés pola seca, aumentando a capacidade de eliminación de ROS.

Tanto o alongamento do hipocotilo ou talo vexetal provocado polo FR como a adaptación das plantas ao estrés por frío están regulados polas hormonas vexetais.Polo tanto, o "efecto de evitación da sombra" causado pola FR está relacionado coa adaptación ao frío das plantas.Os experimentadores suplementaron as mudas de cebada 18 días despois da xerminación a 15 °C durante 10 días, arrefriando a 5 °C + suplementando FR durante 7 días, e descubriron que, en comparación co tratamento con luz branca, FR mellorou a resistencia ás xeadas das mudas de cebada.Este proceso vai acompañado dun aumento do contido de ABA e IAA nas mudas de cebada.A transferencia posterior de mudas de cebada pretratadas con FR a 15 °C a 5 °C e a suplementación continuada con FR durante 7 días deron resultados similares aos dous tratamentos anteriores, pero cunha resposta ABA reducida.As plantas con diferentes valores de R:FR controlan a biosíntese de fitohormonas (GA, IAA, CTK e ABA), que tamén están implicadas na tolerancia á sal vexetal.Baixo estrés salino, a baixa proporción de luz R:FR 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 baixo valor de R:FR (R:FR=0,8) inhibiron a biosíntese da clorofila, que pode estar relacionada coa conversión bloqueada de PBG en UroIII na vía de síntese da clorofila, mentres que o ambiente de baixo R:FR pode aliviar eficazmente. a salinidade Deterioro da síntese de clorofila inducido polo estrés.Estes resultados indican unha correlación significativa entre os fitocromos e a tolerancia á sal.

Ademais do ambiente luminoso, 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 da luz Pn (Pnmax), reducirá o punto de compensación da luz e mellorará a eficiencia da utilización da luz.O aumento da intensidade luminosa e da concentración de CO2 contribúe a mellorar o contido de pigmentos fotosintéticos, a eficiencia no uso da auga e as actividades das encimas relacionadas co ciclo de Calvin, e finalmente conseguir unha maior eficiencia fotosintética e acumulación de biomasa das plántulas de tomate.O peso seco e a compacidade das mudas de tomate e pemento correlacionáronse positivamente co DLI, e o cambio de temperatura tamén afectou o crecemento co mesmo tratamento con DLI.O ambiente de 23 ~ 25 ℃ era máis axeitado 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 da pementa baseado no modelo de distribución de bate, que pode proporcionar orientación científica para a regulación ambiental da produción de mudas enxertadas de pementa.

Polo tanto, ao deseñar un esquema de regulación da luz na produción, non só se deben considerar os factores ambientais lixeiros e as especies vexetais, senón tamén os factores de cultivo e xestión, como a nutrición das plántulas e a xestión da auga, o ambiente do gas, a temperatura e a fase de crecemento das plántulas.

4. Problemas e perspectivas

En primeiro lugar, a regulación da luz das mudas de vexetais é un proceso sofisticado e hai que analizar en detalle os efectos das diferentes condicións de luz en diferentes tipos de mudas vexetais no ambiente da fábrica.Isto significa que para acadar o obxectivo dunha produción de mudas de alta eficiencia e 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 usando luz artificial.O enorme consumo de enerxía das fábricas vexetais segue sendo o pescozo de botella que restrinxe o desenvolvemento das fábricas de plantas.

Finalmente, coa ampla aplicación da iluminación vexetal na agricultura, espérase que o custo das luces LED das plantas se reduza moito no futuro;pola contra, o aumento dos custos laborais, especialmente na era posterior á epidemia, a falta de man de obra 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 fundamentais para a produción de mudas de vexetais e seguirán promovendo o desenvolvemento da tecnoloxía de mudas de fábricas de plantas.

Autores: Jiehui Tan, Houchheng Liu
Fonte do artigo: conta Wechat de Tecnoloxía de Enxeñaría Agrícola (horticultura de invernadoiro)