Περίληψη: Τα σπορόφυτα λαχανικών αποτελούν το πρώτο βήμα στην παραγωγή λαχανικών και η ποιότητα των σπορόφυτων είναι πολύ σημαντική για την απόδοση και την ποιότητα των λαχανικών μετά τη φύτευση. Με τη συνεχή βελτίωση του καταμερισμού εργασίας στη βιομηχανία λαχανικών, τα σπορόφυτα λαχανικών έχουν σταδιακά σχηματίσει μια ανεξάρτητη βιομηχανική αλυσίδα και εξυπηρετούν την παραγωγή λαχανικών. Επηρεασμένες από τον κακό καιρό, οι παραδοσιακές μέθοδοι σπορόφυτων αντιμετωπίζουν αναπόφευκτα πολλές προκλήσεις, όπως η αργή ανάπτυξη των σπορόφυτων, η ανάπτυξη των ποδιών, καθώς και παράσιτα και ασθένειες. Για την αντιμετώπιση των σπορόφυτων, πολλοί εμπορικοί καλλιεργητές χρησιμοποιούν ρυθμιστές ανάπτυξης. Ωστόσο, υπάρχουν κίνδυνοι ακαμψίας των σπορόφυτων, ασφάλειας των τροφίμων και περιβαλλοντικής μόλυνσης με τη χρήση ρυθμιστών ανάπτυξης. Εκτός από τις χημικές μεθόδους ελέγχου, αν και η μηχανική διέγερση, ο έλεγχος της θερμοκρασίας και του νερού μπορούν επίσης να διαδραματίσουν ρόλο στην πρόληψη της ανάπτυξης των σπορόφυτων, είναι ελαφρώς λιγότερο βολικές και αποτελεσματικές. Υπό την επίδραση της παγκόσμιας νέας επιδημίας Covid-19, τα προβλήματα των δυσκολιών διαχείρισης της παραγωγής που προκαλούνται από την έλλειψη εργατικού δυναμικού και το αυξανόμενο κόστος εργασίας στη βιομηχανία σπορόφυτων έχουν γίνει πιο εμφανή.

Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας φωτισμού, η χρήση τεχνητού φωτός για την καλλιέργεια σπορόφυτων λαχανικών έχει τα πλεονεκτήματα της υψηλής απόδοσης σπορόφυτων, της μείωσης των παρασίτων και ασθενειών και της εύκολης τυποποίησης. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές πηγές φωτός, η νέα γενιά πηγών φωτός LED έχει τα χαρακτηριστικά εξοικονόμησης ενέργειας, υψηλής απόδοσης, μεγάλης διάρκειας ζωής, προστασίας του περιβάλλοντος και ανθεκτικότητας, μικρού μεγέθους, χαμηλής θερμικής ακτινοβολίας και μικρού πλάτους μήκους κύματος. Μπορεί να διαμορφώσει το κατάλληλο φάσμα ανάλογα με τις ανάγκες ανάπτυξης των σπορόφυτων στο περιβάλλον των εργοστασίων παραγωγής και να ελέγξει με ακρίβεια τη φυσιολογική και μεταβολική διαδικασία των σπορόφυτων, συμβάλλοντας ταυτόχρονα στην απαλλαγμένη από ρύπανση, τυποποιημένη και ταχεία παραγωγή σπορόφυτων λαχανικών και συντομεύει τον κύκλο σπορόφυτων. Στη Νότια Κίνα, χρειάζονται περίπου 60 ημέρες για την καλλιέργεια σπορόφυτων πιπεριάς και ντομάτας (3-4 αληθινά φύλλα) σε πλαστικά θερμοκήπια και περίπου 35 ημέρες για σπορόφυτα αγγουριού (3-5 αληθινά φύλλα). Υπό συνθήκες εργοστασίου παραγωγής, χρειάζονται μόνο 17 ημέρες για την καλλιέργεια σπορόφυτων ντομάτας και 25 ημέρες για σπορόφυτα πιπεριάς υπό συνθήκες φωτοπεριόδου 20 ωρών και PPF 200-300 μmol/(m2•s). Σε σύγκριση με τη συμβατική μέθοδο καλλιέργειας δενδρυλλίων στο θερμοκήπιο, η χρήση της μεθόδου καλλιέργειας δενδρυλλίων LED στο εργοστάσιο μείωσε σημαντικά τον κύκλο ανάπτυξης αγγουριού κατά 15-30 ημέρες και ο αριθμός των θηλυκών λουλουδιών και καρπών ανά φυτό αυξήθηκε κατά 33,8% και 37,3% αντίστοιχα, ενώ η υψηλότερη απόδοση αυξήθηκε κατά 71,44%.

Όσον αφορά την ενεργειακή απόδοση, η ενεργειακή απόδοση των εργοστασίων παραγωγής ενέργειας είναι υψηλότερη από αυτή των θερμοκηπίων τύπου Venlo στο ίδιο γεωγραφικό πλάτος. Για παράδειγμα, σε ένα σουηδικό εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας, απαιτούνται 1411 MJ για την παραγωγή 1 kg ξηρής ουσίας μαρουλιού, ενώ σε ένα θερμοκήπιο απαιτούνται 1699 MJ. Ωστόσο, αν υπολογιστεί η ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται ανά κιλό ξηρής ουσίας μαρουλιού, το εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας χρειάζεται 247 kW·h για την παραγωγή 1 kg ξηρού βάρους μαρουλιού, και τα θερμοκήπια στη Σουηδία, την Ολλανδία και τα Ηνωμένα Αραβικά Εμιράτα απαιτούν 182 kW·h, 70 kW·h και 111 kW·h, αντίστοιχα.

Ταυτόχρονα, στο εργοστάσιο παραγωγής, η χρήση υπολογιστών, αυτόματου εξοπλισμού, τεχνητής νοημοσύνης και άλλων τεχνολογιών μπορεί να ελέγξει με ακρίβεια τις περιβαλλοντικές συνθήκες που είναι κατάλληλες για την καλλιέργεια σπορόφυτων, να απαλλαγεί από τους περιορισμούς των φυσικών περιβαλλοντικών συνθηκών και να πραγματοποιήσει την έξυπνη, μηχανοποιημένη και ετήσια σταθερή παραγωγή σπορόφυτων. Τα τελευταία χρόνια, τα σπορόφυτα εργοστασίων φυτών έχουν χρησιμοποιηθεί στην εμπορική παραγωγή φυλλωδών λαχανικών, οπωροκηπευτικών και άλλων οικονομικών καλλιεργειών στην Ιαπωνία, τη Νότια Κορέα, την Ευρώπη και τις Ηνωμένες Πολιτείες και σε άλλες χώρες. Η υψηλή αρχική επένδυση των εργοστασίων παραγωγής, το υψηλό λειτουργικό κόστος και η τεράστια κατανάλωση ενέργειας του συστήματος εξακολουθούν να αποτελούν τα σημεία συμφόρησης που περιορίζουν την προώθηση της τεχνολογίας καλλιέργειας σπορόφυτων στα κινεζικά εργοστάσια παραγωγής. Επομένως, είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη οι απαιτήσεις της υψηλής απόδοσης και της εξοικονόμησης ενέργειας όσον αφορά τις στρατηγικές διαχείρισης φωτός, τη δημιουργία μοντέλων ανάπτυξης λαχανικών και τον εξοπλισμό αυτοματισμού για τη βελτίωση των οικονομικών οφελών.

Σε αυτό το άρθρο, εξετάζεται η επίδραση του φωτιστικού περιβάλλοντος LED στην ανάπτυξη και εξέλιξη των σπορόφυτων λαχανικών σε εργοστάσια φυτών τα τελευταία χρόνια, με την προοπτική της ερευνητικής κατεύθυνσης της ρύθμισης του φωτός των σπορόφυτων λαχανικών σε εργοστάσια φυτών.

1. Επιδράσεις του Φωτεινού Περιβάλλοντος στην Ανάπτυξη και Ανάπτυξη των Σπορόφυτων Λαχανικών

Ως ένας από τους βασικούς περιβαλλοντικούς παράγοντες για την ανάπτυξη και την ανάπτυξη των φυτών, το φως δεν είναι μόνο μια πηγή ενέργειας για τα φυτά για την εκτέλεση της φωτοσύνθεσης, αλλά και ένα βασικό σήμα που επηρεάζει τη φωτομορφογένεση των φυτών. Τα φυτά αντιλαμβάνονται την κατεύθυνση, την ενέργεια και την ποιότητα του φωτός του σήματος μέσω του συστήματος φωτεινών σημάτων, ρυθμίζουν τη δική τους ανάπτυξη και ανάπτυξη και αντιδρούν στην παρουσία ή απουσία, το μήκος κύματος, την ένταση και τη διάρκεια του φωτός. Οι γνωστοί σήμερα φωτοϋποδοχείς των φυτών περιλαμβάνουν τουλάχιστον τρεις κατηγορίες: φυτοχρώματα (PHYA~PHYE) που αντιλαμβάνονται το κόκκινο και το πολύ κόκκινο φως (FR), κρυπτοχρώματα (CRY1 και CRY2) που αντιλαμβάνονται το μπλε και την υπεριώδη ακτινοβολία Α, και Στοιχεία (Phot1 και Phot2), τον υποδοχέα UV-B UVR8 που αντιλαμβάνεται την UV-B. Αυτοί οι φωτοϋποδοχείς συμμετέχουν και ρυθμίζουν την έκφραση σχετικών γονιδίων και στη συνέχεια ρυθμίζουν τις ζωτικές δραστηριότητες όπως η βλάστηση των σπόρων των φυτών, η φωτομορφογένεση, ο χρόνος ανθοφορίας, η σύνθεση και η συσσώρευση δευτερογενών μεταβολιτών και η ανοχή σε βιοτικές και αβιοτικές καταπονήσεις.

2. Επίδραση του φωτιστικού περιβάλλοντος LED στην φωτομορφολογική εγκατάσταση των σπορόφυτων λαχανικών

2.1 Επιδράσεις Διαφορετικής Ποιότητας Φωτός στη Φωτομορφογένεση των Σπορόφυτων Λαχανικών

Οι κόκκινες και μπλε περιοχές του φάσματος έχουν υψηλή κβαντική απόδοση για τη φωτοσύνθεση των φύλλων των φυτών. Ωστόσο, η μακροχρόνια έκθεση των φύλλων αγγουριού σε καθαρό κόκκινο φως θα βλάψει το φωτοσύστημα, με αποτέλεσμα το φαινόμενο του «συνδρόμου κόκκινου φωτός», όπως η καχεκτική απόκριση των στομάτων, η μειωμένη φωτοσυνθετική ικανότητα και η αποδοτικότητα χρήσης αζώτου, και η καθυστέρηση της ανάπτυξης. Υπό συνθήκες χαμηλής έντασης φωτός (100±5 μmol/(m2•s)), το καθαρό κόκκινο φως μπορεί να βλάψει τους χλωροπλάστες τόσο των νεαρών όσο και των ώριμων φύλλων αγγουριού, αλλά οι κατεστραμμένοι χλωροπλάστες ανακτήθηκαν μετά την αλλαγή από καθαρό κόκκινο φως σε κόκκινο και μπλε φως (R:B= 7:3). Αντίθετα, όταν τα φυτά αγγουριού άλλαξαν από το περιβάλλον κόκκινου-μπλε φωτός στο περιβάλλον καθαρού κόκκινου φωτός, η φωτοσυνθετική απόδοση δεν μειώθηκε σημαντικά, δείχνοντας την προσαρμοστικότητα στο περιβάλλον κόκκινου φωτός. Μέσω ανάλυσης με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο της δομής των φύλλων των σπορόφυτων αγγουριού με «σύνδρομο κόκκινου φωτός», οι πειραματιστές διαπίστωσαν ότι ο αριθμός των χλωροπλαστών, το μέγεθος των κόκκων αμύλου και το πάχος των κόκκων στα φύλλα υπό καθαρό κόκκινο φως ήταν σημαντικά χαμηλότερα από εκείνα υπό επεξεργασία με λευκό φως. Η παρέμβαση του μπλε φωτός βελτιώνει την υπερδομή και τα φωτοσυνθετικά χαρακτηριστικά των χλωροπλαστών της αγγουριάς και εξαλείφει την υπερβολική συσσώρευση θρεπτικών συστατικών. Σε σύγκριση με το λευκό φως και το κόκκινο και το μπλε φως, το καθαρό κόκκινο φως προάγει την επιμήκυνση του υποκοτυλίου και την επέκταση των κοτυληδόνων των σπορόφυτων τομάτας, αυξάνει σημαντικά το ύψος του φυτού και την επιφάνεια των φύλλων, αλλά μειώνει σημαντικά τη φωτοσυνθετική ικανότητα, μειώνει την περιεκτικότητα σε Rubisco και τη φωτοχημική απόδοση και αυξάνει σημαντικά την απαγωγή θερμότητας. Μπορεί να φανεί ότι διαφορετικοί τύποι φυτών ανταποκρίνονται διαφορετικά στην ίδια ποιότητα φωτός, αλλά σε σύγκριση με το μονοχρωματικό φως, τα φυτά έχουν υψηλότερη απόδοση φωτοσύνθεσης και πιο έντονη ανάπτυξη στο περιβάλλον μικτού φωτός.

Οι ερευνητές έχουν κάνει πολλές έρευνες σχετικά με τη βελτιστοποίηση του συνδυασμού ποιότητας φωτός των σπορόφυτων λαχανικών. Υπό την ίδια ένταση φωτός, με την αύξηση της αναλογίας του κόκκινου φωτός, το ύψος και το φρέσκο ​​βάρος των φυτών ντομάτας και αγγουριού βελτιώθηκαν σημαντικά, και η επεξεργασία με αναλογία κόκκινου προς μπλε 3:1 είχε το καλύτερο αποτέλεσμα. Αντίθετα, μια υψηλή αναλογία μπλε φωτός ανέστειλε την ανάπτυξη σπορόφυτων ντομάτας και αγγουριού, τα οποία ήταν κοντά και συμπαγή, αλλά αύξησε την περιεκτικότητα σε ξηρά ουσία και χλωροφύλλη στους βλαστούς των σπορόφυτων. Παρόμοια πρότυπα παρατηρούνται και σε άλλες καλλιέργειες, όπως οι πιπεριές και τα καρπούζια. Επιπλέον, σε σύγκριση με το λευκό φως, το κόκκινο και το μπλε φως (R:B=3:1) όχι μόνο βελτίωσαν σημαντικά το πάχος των φύλλων, την περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη, την φωτοσυνθετική απόδοση και την απόδοση μεταφοράς ηλεκτρονίων των σπορόφυτων ντομάτας, αλλά βελτιώθηκαν επίσης σημαντικά τα επίπεδα έκφρασης ενζύμων που σχετίζονται με τον κύκλο Calvin, η περιεκτικότητα σε φυτοφάγα φυτά ανάπτυξης και η συσσώρευση υδατανθράκων. Συγκρίνοντας τις δύο αναλογίες κόκκινου και μπλε φωτός (R:B=2:1, 4:1), μια υψηλότερη αναλογία μπλε φωτός ήταν πιο ευνοϊκή για την πρόκληση σχηματισμού θηλυκών λουλουδιών σε σπορόφυτα αγγουριού και επιτάχυνε τον χρόνο ανθοφορίας των θηλυκών λουλουδιών. Αν και διαφορετικές αναλογίες κόκκινου και μπλε φωτός δεν είχαν σημαντική επίδραση στην απόδοση φρέσκου βάρους των σπορόφυτων λάχανου, ρόκας και μουστάρδας, μια υψηλή αναλογία μπλε φωτός (30% μπλε φως) μείωσε σημαντικά το μήκος του υποκοτύλου και την επιφάνεια των κοτυληδόνων των σπορόφυτων λάχανου και μουστάρδας, ενώ το χρώμα των κοτυληδόνων έγινε πιο βαθύ. Επομένως, στην παραγωγή σπορόφυτων, μια κατάλληλη αύξηση της αναλογίας του μπλε φωτός μπορεί να μειώσει σημαντικά την απόσταση μεταξύ των κόμβων και την επιφάνεια των φύλλων των σπορόφυτων λαχανικών, να προωθήσει την πλευρική επέκταση των σπορόφυτων και να βελτιώσει τον δείκτη αντοχής των σπορόφυτων, γεγονός που ευνοεί την καλλιέργεια εύρωστων σπορόφυτων. Υπό την προϋπόθεση ότι η ένταση του φωτός παρέμεινε αμετάβλητη, η αύξηση του πράσινου φωτός στο κόκκινο και μπλε φως βελτίωσε σημαντικά το φρέσκο ​​βάρος, την επιφάνεια των φύλλων και το ύψος των φυτών των σπορόφυτων γλυκιάς πιπεριάς. Σε σύγκριση με την παραδοσιακή λευκή λάμπα φθορισμού, υπό συνθήκες κόκκινου-πράσινου-μπλε φωτός (R3:G2:B5), οι τιμές Y[II], qP και ETR των σπορόφυτων ντομάτας 'Okagi No. 1' βελτιώθηκαν σημαντικά. Η προσθήκη καθαρού μπλε φωτός με υπεριώδη ακτινοβολία (100 μmol/(m2•s) μπλε φως + 7% UV-A) μείωσε σημαντικά την ταχύτητα επιμήκυνσης του στελέχους της ρόκας και της μουστάρδας, ενώ η προσθήκη FR ήταν το αντίθετο. Αυτό δείχνει επίσης ότι εκτός από το κόκκινο και το μπλε φως, άλλες ιδιότητες φωτός παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στη διαδικασία ανάπτυξης και ανάπτυξης των φυτών. Αν και ούτε η υπεριώδης ακτινοβολία ούτε η FR είναι η πηγή ενέργειας της φωτοσύνθεσης, και οι δύο εμπλέκονται στη φωτομορφογένεση των φυτών. Η υπεριώδης ακτινοβολία υψηλής έντασης είναι επιβλαβής για το DNA και τις πρωτεΐνες των φυτών κ.λπ. Ωστόσο, η υπεριώδης ακτινοβολία ενεργοποιεί τις κυτταρικές αντιδράσεις στο στρες, προκαλώντας αλλαγές στην ανάπτυξη, τη μορφολογία και την ανάπτυξη των φυτών για προσαρμογή στις περιβαλλοντικές αλλαγές. Μελέτες έχουν δείξει ότι η χαμηλότερη τιμή R/FR προκαλεί αντιδράσεις αποφυγής σκιάς στα φυτά, με αποτέλεσμα μορφολογικές αλλαγές στα φυτά, όπως επιμήκυνση του στελέχους, αραίωση των φύλλων και μειωμένη απόδοση ξηράς ουσίας. Ένας λεπτός μίσχος δεν είναι καλό χαρακτηριστικό ανάπτυξης για την καλλιέργεια δυνατών σπορόφυτων. Για τα γενικά φυλλώδη σπορόφυτα και τα σπορόφυτα φρούτων λαχανικών, τα σφιχτά, συμπαγή και ελαστικά σπορόφυτα δεν είναι επιρρεπή σε προβλήματα κατά τη μεταφορά και τη φύτευση.

Η ακτινοβολία UV-A μπορεί να κάνει τα φυτά δενδρυλλίων αγγουριού πιο κοντά και πιο συμπαγή, και η απόδοση μετά τη μεταφύτευση δεν διαφέρει σημαντικά από αυτή του μάρτυρα. Ενώ η UV-B έχει πιο σημαντική ανασταλτική επίδραση, η επίδραση μείωσης της απόδοσης μετά τη μεταφύτευση δεν είναι σημαντική. Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι η UV-A αναστέλλει την ανάπτυξη των φυτών και τα κάνει να φαίνονται νάνοι. Ωστόσο, υπάρχουν αυξανόμενες ενδείξεις ότι η παρουσία της UV-A, αντί να καταστέλλει τη βιομάζα των καλλιεργειών, στην πραγματικότητα την προάγει. Σε σύγκριση με το βασικό κόκκινο και λευκό φως (R:W=2:3, PPFD είναι 250 μmol/(m2·s)), η συμπληρωματική ένταση στο κόκκινο και λευκό φως είναι 10 W/m2 (περίπου 10 μmol/(m2·s)). Η UV-A του λάχανου αύξησε σημαντικά τη βιομάζα, το μήκος των μεσογονατίων κόμβων, τη διάμετρο του στελέχους και το πλάτος της κόμης των φυτών του λάχανου, αλλά το φαινόμενο προώθησης εξασθένησε όταν η ένταση της UV υπερέβη τα 10 W/m2. Η ημερήσια χορήγηση 2 ωρών συμπληρωματικής ακτινοβολίας UV-A (0,45 J/(m2•s)) θα μπορούσε να αυξήσει σημαντικά το ύψος του φυτού, την επιφάνεια των κοτυληδόνων και το φρέσκο ​​βάρος των σπορόφυτων τομάτας «Oxheart», μειώνοντας παράλληλα την περιεκτικότητα σε H2O2 των σπορόφυτων τομάτας. Μπορεί να φανεί ότι διαφορετικές καλλιέργειες αντιδρούν διαφορετικά στην υπεριώδη ακτινοβολία, κάτι που μπορεί να σχετίζεται με την ευαισθησία των καλλιεργειών στην υπεριώδη ακτινοβολία.

Για την καλλιέργεια εμβολιασμένων σπορόφυτων, το μήκος του στελέχους θα πρέπει να αυξηθεί κατάλληλα για να διευκολυνθεί ο εμβολιασμός του υποκειμένου. Διαφορετικές εντάσεις FR είχαν διαφορετικές επιδράσεις στην ανάπτυξη σπορόφυτων ντομάτας, πιπεριάς, αγγουριού, κολοκύθας και καρπουζιού. Η προσθήκη 18,9 μmol/(m2•s) FR σε ψυχρό λευκό φως αύξησε σημαντικά το μήκος του υποκοτύλου και τη διάμετρο του στελέχους των σπορόφυτων ντομάτας και πιπεριάς. FR 34,1 μmol/(m2•s) είχε την καλύτερη επίδραση στην προώθηση του μήκους του υποκοτύλου και της διαμέτρου του στελέχους των σπορόφυτων αγγουριού, κολοκύθας και καρπουζιού. FR υψηλής έντασης (53,4 μmol/(m2•s)) είχε την καλύτερη επίδραση σε αυτά τα πέντε λαχανικά. Το μήκος του υποκοτύλου και η διάμετρος του στελέχους των σπορόφυτων δεν αυξάνονταν πλέον σημαντικά και άρχισαν να δείχνουν πτωτική τάση. Το νωπό βάρος των σπορόφυτων πιπεριάς μειώθηκε σημαντικά, υποδεικνύοντας ότι οι τιμές κορεσμού FR των πέντε σπορόφυτων λαχανικών ήταν όλες χαμηλότερες από 53,4 μmol/(m2•s) και η τιμή FR ήταν σημαντικά χαμηλότερη από αυτή του FR. Οι επιπτώσεις στην ανάπτυξη διαφορετικών σπορόφυτων λαχανικών είναι επίσης διαφορετικές.

2.2 Επιδράσεις διαφορετικών ολοκληρωμάτων φωτός ημέρας στη φωτομορφογένεση σπορόφυτων λαχανικών

Το Ολοκλήρωμα Φως της Ημέρας (DLI) αντιπροσωπεύει τη συνολική ποσότητα φωτοσυνθετικών φωτονίων που λαμβάνει η επιφάνεια του φυτού σε μια ημέρα, η οποία σχετίζεται με την ένταση του φωτός και τον χρόνο φωτισμού. Ο τύπος υπολογισμού είναι DLI (mol/m2/ημέρα) = ένταση φωτός [μmol/(m2•s)] × Ημερήσιος χρόνος φωτός (h) × 3600 × 10-6. Σε ένα περιβάλλον με χαμηλή ένταση φωτός, τα φυτά ανταποκρίνονται σε περιβάλλον χαμηλού φωτισμού επιμηκύνοντας το μήκος του στελέχους και του μεσογονατίου, αυξάνοντας το ύψος του φυτού, το μήκος του μίσχου και την επιφάνεια των φύλλων, και μειώνοντας το πάχος των φύλλων και τον καθαρό ρυθμό φωτοσύνθεσης. Με την αύξηση της έντασης του φωτός, εκτός από τη μουστάρδα, το μήκος του υποκοτύλου και η επιμήκυνση του στελέχους των σπορόφυτων ρόκας, λάχανου και λάχανου υπό την ίδια ποιότητα φωτός μειώθηκαν σημαντικά. Μπορεί να φανεί ότι η επίδραση του φωτός στην ανάπτυξη και τη μορφογένεση των φυτών σχετίζεται με την ένταση του φωτός και το είδος του φυτού. Με την αύξηση του DLI (8,64~28,8 mol/m2/ημέρα), ο τύπος φυτού των σπορόφυτων αγγουριού έγινε κοντός, δυνατός και συμπαγής, και το ειδικό βάρος των φύλλων και η περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη μειώθηκαν σταδιακά. 6~16 ημέρες μετά τη σπορά των σπορόφυτων αγγουριού, τα φύλλα και οι ρίζες ξεράθηκαν. Το βάρος αυξήθηκε σταδιακά και ο ρυθμός ανάπτυξης επιταχύνθηκε σταδιακά, αλλά 16 έως 21 ημέρες μετά τη σπορά, ο ρυθμός ανάπτυξης των φύλλων και των ριζών των σπορόφυτων αγγουριού μειώθηκε σημαντικά. Το ενισχυμένο DLI προώθησε τον καθαρό ρυθμό φωτοσύνθεσης των σπορόφυτων αγγουριού, αλλά μετά από μια ορισμένη τιμή, ο καθαρός ρυθμός φωτοσύνθεσης άρχισε να μειώνεται. Επομένως, η επιλογή του κατάλληλου DLI και η υιοθέτηση διαφορετικών συμπληρωματικών στρατηγικών φωτισμού σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης των σπορόφυτων μπορεί να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας. Η περιεκτικότητα σε διαλυτά σάκχαρα και ένζυμο SOD στα σπορόφυτα αγγουριού και ντομάτας αυξήθηκε με την αύξηση της έντασης DLI. Όταν η ένταση DLI αυξήθηκε από 7,47 mol/m2/ημέρα σε 11,26 mol/m2/ημέρα, η περιεκτικότητα σε διαλυτά σάκχαρα και ένζυμο SOD στα σπορόφυτα αγγουριού αυξήθηκε κατά 81,03% και 55,5% αντίστοιχα. Υπό τις ίδιες συνθήκες DLI, με την αύξηση της έντασης του φωτός και τη μείωση του χρόνου φωτισμού, η δράση PSII των σπορόφυτων τομάτας και αγγουριού αναστέλλεται και η επιλογή μιας συμπληρωματικής στρατηγικής φωτός χαμηλής έντασης φωτός και μεγάλης διάρκειας ήταν πιο ευνοϊκή για την καλλιέργεια υψηλού δείκτη σπορόφυτου και φωτοχημικής απόδοσης σπορόφυτων αγγουριού και τομάτας.

Στην παραγωγή εμβολιασμένων σπορόφυτων, το περιβάλλον χαμηλού φωτισμού μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της ποιότητας των εμβολιασμένων σπορόφυτων και σε αύξηση του χρόνου επούλωσης. Η κατάλληλη ένταση φωτός μπορεί όχι μόνο να ενισχύσει την ικανότητα σύνδεσης της εμβολιασμένης θέσης επούλωσης και να βελτιώσει τον δείκτη ισχυρών σπορόφυτων, αλλά και να μειώσει τη θέση των κόμβων των θηλυκών ανθέων και να αυξήσει τον αριθμό των θηλυκών ανθέων. Στα εργοστάσια φυτών, η DLI 2,5-7,5 mol/m2/ημέρα ήταν επαρκής για να καλύψει τις ανάγκες επούλωσης των εμβολιασμένων σπορόφυτων τομάτας. Η συμπαγής πυκνότητα και το πάχος των φύλλων των εμβολιασμένων σπορόφυτων τομάτας αυξήθηκαν σημαντικά με την αύξηση της έντασης DLI. Αυτό δείχνει ότι τα εμβολιασμένα σπορόφυτα δεν απαιτούν υψηλή ένταση φωτός για την επούλωση. Επομένως, λαμβάνοντας υπόψη την κατανάλωση ενέργειας και το περιβάλλον φύτευσης, η επιλογή της κατάλληλης έντασης φωτός θα βοηθήσει στη βελτίωση των οικονομικών οφελών.

3. Επιδράσεις του φωτιστικού περιβάλλοντος LED στην αντοχή σε καταπονήσεις των σπορόφυτων λαχανικών

Τα φυτά λαμβάνουν εξωτερικά φωτεινά σήματα μέσω φωτοϋποδοχέων, προκαλώντας τη σύνθεση και τη συσσώρευση μορίων σήματος στο φυτό, αλλάζοντας έτσι την ανάπτυξη και τη λειτουργία των φυτικών οργάνων και, τελικά, βελτιώνοντας την αντοχή του φυτού στο στρες. Η διαφορετική ποιότητα φωτός έχει μια ορισμένη επίδραση στην ενίσχυση της ανοχής στο κρύο και την ανοχή στο αλάτι των σπορόφυτων. Για παράδειγμα, όταν τα σπορόφυτα τομάτας συμπληρώθηκαν με φως για 4 ώρες τη νύχτα, σε σύγκριση με την επεξεργασία χωρίς συμπληρωματικό φως, το λευκό φως, το κόκκινο φως, το μπλε φως και το κόκκινο και μπλε φως θα μπορούσαν να μειώσουν τη διαπερατότητα ηλεκτρολυτών και την περιεκτικότητα σε MDA των σπορόφυτων τομάτας και να βελτιώσουν την ανοχή στο κρύο. Οι δραστηριότητες των SOD, POD και CAT στα σπορόφυτα τομάτας υπό την επεξεργασία με αναλογία κόκκινου-μπλε 8:2 ήταν σημαντικά υψηλότερες από εκείνες άλλων επεξεργασιών και είχαν υψηλότερη αντιοξειδωτική ικανότητα και ανοχή στο κρύο.

Η επίδραση της UV-B στην ανάπτυξη των ριζών της σόγιας είναι κυρίως η βελτίωση της αντοχής των φυτών στο στρες αυξάνοντας την περιεκτικότητα σε NO και ROS της ρίζας, συμπεριλαμβανομένων των μορίων ορμονικής σηματοδότησης όπως ABA, SA και JA, και η αναστολή της ανάπτυξης των ριζών μειώνοντας την περιεκτικότητα σε IAA, CTK και GA. Ο φωτοϋποδοχέας της UV-B, UVR8, δεν εμπλέκεται μόνο στη ρύθμιση της φωτομορφογένεσης, αλλά παίζει επίσης βασικό ρόλο στο στρες UV-B. Στα σπορόφυτα τομάτας, η UVR8 μεσολαβεί στη σύνθεση και τη συσσώρευση ανθοκυανινών, και τα σπορόφυτα άγριας τομάτας που έχουν εγκλιματιστεί στην υπεριώδη ακτινοβολία βελτιώνουν την ικανότητά τους να αντιμετωπίζουν το στρες υψηλής έντασης UV-B. Ωστόσο, η προσαρμογή της UV-B στο στρες ξηρασίας που προκαλείται από την Arabidopsis δεν εξαρτάται από την οδό UVR8, γεγονός που υποδηλώνει ότι η UV-B δρα ως μια διασταυρούμενη απόκριση που προκαλείται από σήμα των μηχανισμών άμυνας των φυτών, έτσι ώστε μια ποικιλία ορμονών να εμπλέκονται από κοινού στην αντοχή στο στρες ξηρασίας, αυξάνοντας την ικανότητα δέσμευσης ROS.

Τόσο η επιμήκυνση του υποκοτυλίου ή του στελέχους του φυτού που προκαλείται από το FR όσο και η προσαρμογή των φυτών στο ψυχρό στρες ρυθμίζονται από φυτικές ορμόνες. Επομένως, το «φαινόμενο αποφυγής σκιάς» που προκαλείται από το FR σχετίζεται με την προσαρμογή των φυτών στο κρύο. Οι πειραματιστές συμπλήρωσαν τα σπορόφυτα κριθαριού 18 ημέρες μετά τη βλάστηση στους 15°C για 10 ημέρες, ψύχοντας στους 5°C + συμπληρώνοντας το FR για 7 ημέρες, και διαπίστωσαν ότι σε σύγκριση με την επεξεργασία με λευκό φως, το FR ενίσχυσε την αντοχή στον παγετό των σπορόφυτων κριθαριού. Αυτή η διαδικασία συνοδεύεται από αυξημένη περιεκτικότητα σε ABA και IAA στα σπορόφυτα κριθαριού. Η επακόλουθη μεταφορά σπορόφυτων κριθαριού που είχαν προεπεξεργαστεί με FR στους 15°C στους 5°C και η συνεχιζόμενη συμπλήρωση με FR για 7 ημέρες είχε ως αποτέλεσμα παρόμοια αποτελέσματα με τις δύο παραπάνω θεραπείες, αλλά με μειωμένη απόκριση ABA. Τα φυτά με διαφορετικές τιμές R:FR ελέγχουν τη βιοσύνθεση φυτοορμονών (GA, IAA, CTK και ABA), οι οποίες εμπλέκονται επίσης στην ανοχή των φυτών στο αλάτι. Υπό αλατούχο στρες, το φωτεινό περιβάλλον με χαμηλή αναλογία R:FR μπορεί να βελτιώσει την αντιοξειδωτική και φωτοσυνθετική ικανότητα των σπορόφυτων τομάτας, να μειώσει την παραγωγή ROS και MDA στα σπορόφυτα και να βελτιώσει την ανοχή στο αλάτι. Τόσο το στρες αλατότητας όσο και η χαμηλή τιμή R:FR (R:FR=0,8) ανέστειλαν τη βιοσύνθεση της χλωροφύλλης, η οποία μπορεί να σχετίζεται με την παρεμπόδιση της μετατροπής της PBG σε UroIII στην οδό σύνθεσης χλωροφύλλης, ενώ το περιβάλλον με χαμηλό R:FR μπορεί να μετριάσει αποτελεσματικά την επαγόμενη από αλατούχο στρες εξασθένηση της σύνθεσης χλωροφύλλης. Αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν μια σημαντική συσχέτιση μεταξύ των φυτοχρωμάτων και της ανοχής στο αλάτι.

Εκτός από το φωτεινό περιβάλλον, και άλλοι περιβαλλοντικοί παράγοντες επηρεάζουν επίσης την ανάπτυξη και την ποιότητα των σπορόφυτων λαχανικών. Για παράδειγμα, η αύξηση της συγκέντρωσης CO2 θα αυξήσει τη μέγιστη τιμή κορεσμού φωτός Pn (Pnmax), θα μειώσει το σημείο αντιστάθμισης φωτός και θα βελτιώσει την απόδοση αξιοποίησης του φωτός. Η αύξηση της έντασης του φωτός και της συγκέντρωσης CO2 βοηθά στη βελτίωση της περιεκτικότητας σε φωτοσυνθετικές χρωστικές, της απόδοσης χρήσης νερού και των δραστηριοτήτων των ενζύμων που σχετίζονται με τον κύκλο Calvin, και τέλος στην επίτευξη υψηλότερης φωτοσυνθετικής απόδοσης και συσσώρευσης βιομάζας των σπορόφυτων τομάτας. Το ξηρό βάρος και η συμπαγής υφή των σπορόφυτων τομάτας και πιπεριάς συσχετίστηκαν θετικά με την DLI, και η αλλαγή της θερμοκρασίας επηρέασε επίσης την ανάπτυξη υπό την ίδια επεξεργασία DLI. Το περιβάλλον 23~25℃ ήταν πιο κατάλληλο για την ανάπτυξη σπορόφυτων τομάτας. Ανάλογα με τη θερμοκρασία και τις συνθήκες φωτός, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια μέθοδο για την πρόβλεψη του σχετικού ρυθμού ανάπτυξης της πιπεριάς με βάση το μοντέλο κατανομής ιξώδους, το οποίο μπορεί να παρέχει επιστημονική καθοδήγηση για την περιβαλλοντική ρύθμιση της παραγωγής σπορόφυτων εμβολιασμένων με πιπεριά.

Συνεπώς, κατά τον σχεδιασμό ενός συστήματος ρύθμισης του φωτισμού στην παραγωγή, θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη όχι μόνο οι παράγοντες του περιβάλλοντος φωτισμού και τα είδη φυτών, αλλά και οι παράγοντες καλλιέργειας και διαχείρισης, όπως η θρέψη και η διαχείριση του νερού των σπορόφυτων, το περιβάλλον αερίων, η θερμοκρασία και το στάδιο ανάπτυξης των σπορόφυτων.

4. Προβλήματα και Προοπτικές

Καταρχάς, η ρύθμιση του φωτισμού των σπορόφυτων λαχανικών είναι μια περίπλοκη διαδικασία και οι επιπτώσεις των διαφορετικών συνθηκών φωτισμού σε διαφορετικούς τύπους σπορόφυτων λαχανικών στο περιβάλλον του εργοστασίου πρέπει να αναλυθούν λεπτομερώς. Αυτό σημαίνει ότι για να επιτευχθεί ο στόχος της υψηλής απόδοσης και ποιότητας παραγωγής σπορόφυτων, απαιτείται συνεχής διερεύνηση για τη δημιουργία ενός ώριμου τεχνικού συστήματος.

Δεύτερον, αν και ο ρυθμός αξιοποίησης ενέργειας της πηγής φωτός LED είναι σχετικά υψηλός, η κατανάλωση ενέργειας για τον φωτισμό των φυτών αποτελεί την κύρια κατανάλωση ενέργειας για την καλλιέργεια σπορόφυτων με τεχνητό φως. Η τεράστια κατανάλωση ενέργειας των εργοστασίων παραγωγής εξακολουθεί να αποτελεί εμπόδιο που περιορίζει την ανάπτυξη των εργοστασίων παραγωγής.

Τέλος, με την ευρεία εφαρμογή του φωτισμού φυτών στη γεωργία, το κόστος των φωτιστικών LED για φυτεία αναμένεται να μειωθεί σημαντικά στο μέλλον. Αντίθετα, η αύξηση του κόστους εργασίας, ειδικά στην εποχή μετά την επιδημία, και η έλλειψη εργατικού δυναμικού είναι αναπόφευκτο να προωθήσει τη διαδικασία μηχανοποίησης και αυτοματοποίησης της παραγωγής. Στο μέλλον, τα μοντέλα ελέγχου που βασίζονται στην τεχνητή νοημοσύνη και ο έξυπνος εξοπλισμός παραγωγής θα γίνουν μία από τις βασικές τεχνολογίες για την παραγωγή σπορόφυτων λαχανικών και θα συνεχίσουν να προωθούν την ανάπτυξη της τεχνολογίας σπορόφυτων εργοστασίων φυτών.

Συγγραφείς: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Πηγή άρθρου: Λογαριασμός Wechat της Τεχνολογίας Γεωργικής Μηχανικής (κηπουρική θερμοκηπίου)