Sažetak: Presadnice povrća su prvi korak u proizvodnji povrća, a kvaliteta presadnica je vrlo važna za urod i kvalitetu povrća nakon sadnje.Kontinuiranim usavršavanjem podjele rada u povrtlarstvu, presadnice povrća postupno su formirale samostalan industrijski lanac i služile povrtlarskoj proizvodnji.Pod utjecajem lošeg vremena, tradicionalne metode sadnje neizbježno se suočavaju s mnogim izazovima poput sporog rasta sadnica, dugonogog rasta te štetnika i bolesti.Međutim, postoje rizici od krutosti sadnica, sigurnosti hrane i kontaminacije okoliša s upotrebom regulatora rasta.Osim kemijskih metoda kontrole, iako mehanička stimulacija, kontrola temperature i vode također mogu igrati ulogu u sprječavanju dugonogog rasta sadnica, one su nešto manje prikladne i učinkovite.Pod utjecajem nove globalne epidemije Covid-19, problemi poteškoća u upravljanju proizvodnjom uzrokovani nedostatkom radne snage i sve većim troškovima rada u industriji rasada postali su izraženiji.

S razvojem tehnologije rasvjete, upotreba umjetne rasvjete za uzgoj presadnica povrća ima prednosti visoke učinkovitosti presadnica, manje štetnika i bolesti te laku standardizaciju.U usporedbi s tradicionalnim izvorima svjetla, nova generacija LED izvora svjetla ima karakteristike uštede energije, visoke učinkovitosti, dugog vijeka trajanja, zaštite okoliša i trajnosti, male veličine, niskog toplinskog zračenja i male amplitude valne duljine.Može formulirati odgovarajući spektar prema potrebama rasta i razvoja presadnica u okruženju tvornica biljaka i točno kontrolirati fiziološki i metabolički proces presadnica, istovremeno pridonoseći standardiziranoj i brzoj proizvodnji presadnica povrća bez zagađenja. , te skraćuje ciklus rasada.U južnoj Kini uzgoj presadnica paprike i rajčice (3-4 prava lista) u plastičnim staklenicima traje oko 60 dana, a za presadnice krastavaca (3-5 pravih listova) oko 35 dana.U tvorničkim uvjetima potrebno je svega 17 dana za uzgoj presadnica rajčice i 25 dana za presadnice paprike uz uvjete fotoperioda od 20 h i PPF od 200-300 μmol/(m2•s).U usporedbi s konvencionalnom metodom uzgoja presadnica u stakleniku, primjenom LED metode uzgoja sadnica u tvorničkoj tvornici ciklus rasta krastavca značajno je skraćen za 15-30 dana, a broj ženskih cvjetova i plodova po biljci povećan je za 33,8% i 37,3% , respectively, and the highest yield was increased by 71.44%.

Što se tiče učinkovitosti iskorištavanja energije, učinkovitost iskorištavanja energije tvornica biljaka veća je od one u staklenicima tipa Venlo na istoj geografskoj širini.Na primjer, u švedskoj tvornici biljaka potrebno je 1411 MJ za proizvodnju 1 kg suhe tvari salate, dok je u stakleniku potrebno 1699 MJ.Međutim, ako se izračuna električna energija potrebna po kilogramu suhe tvari salate, tvornica treba 247 kW·h za proizvodnju 1 kg suhe mase salate, a staklenici u Švedskoj, Nizozemskoj i Ujedinjenim Arapskim Emiratima zahtijevaju 182 kW·h. h, 70 kW·h, odnosno 111 kW·h.

U isto vrijeme, u tvornici biljaka, korištenje računala, automatske opreme, umjetne inteligencije i drugih tehnologija može točno kontrolirati uvjete okoline prikladne za uzgoj sadnica, osloboditi se ograničenja uvjeta prirodnog okruženja i ostvariti inteligentno, mechanized and annual stable production of seedling production.Posljednjih godina tvorničke sadnice korištene su u komercijalnoj proizvodnji lisnatog povrća, voćarskog povrća i drugih gospodarskih usjeva u Japanu, Južnoj Koreji, Europi, Sjedinjenim Državama i drugim zemljama.Visoka početna ulaganja u tvornice biljaka, visoki operativni troškovi i velika potrošnja energije sustava još uvijek su uska grla koja ograničavaju promicanje tehnologije uzgoja sadnica u kineskim tvornicama biljaka.Stoga je potrebno uzeti u obzir zahtjeve visokog prinosa i uštede energije u smislu strategija upravljanja svjetlošću, uspostavljanja modela rasta povrća i opreme za automatizaciju kako bi se poboljšale ekonomske koristi.

U ovom članku dat je pregled utjecaja LED svjetlosnog okruženja na rast i razvoj presadnica povrća u tvornicama biljaka posljednjih godina, s osvrtom na smjer istraživanja regulacije svjetlosti presadnica povrća u tvornicama biljaka.

Kao jedan od bitnih čimbenika okoliša za rast i razvoj biljaka, svjetlost nije samo izvor energije za fotosintezu biljaka, već i ključni signal koji utječe na fotomorfogenezu biljaka.Biljke sustavom svjetlosnih signala osjećaju smjer, energiju i kvalitetu svjetlosti, reguliraju vlastiti rast i razvoj te reagiraju na prisutnost ili odsutnost, valnu duljinu, intenzitet i trajanje svjetlosti.Trenutačno poznati biljni fotoreceptori uključuju najmanje tri klase: fitokrome (PHYA~PHYE) koji osjećaju crveno i daleko crveno svjetlo (FR), kriptokrome (CRY1 i CRY2) koji osjećaju plavo i ultraljubičasto A, i elemente (Phot1 i Phot2), UV-B receptor UVR8 koji osjeća UV-B.Ovi fotoreceptori sudjeluju i reguliraju ekspresiju srodnih gena, a zatim reguliraju životne aktivnosti kao što su klijanje sjemena biljke, fotomorfogeneza, vrijeme cvatnje, sinteza i nakupljanje sekundarnih metabolita te tolerancija na biotičke i abiotičke stresove.

2. Utjecaj LED svjetlosnog okruženja na fotomorfološku uspostavu presadnica povrća

Međutim, dugotrajno izlaganje lišća krastavca čistom crvenom svjetlu oštetit će fotosustav, što će rezultirati fenomenom "sindroma crvenog svjetla" kao što je zakržljao stomatalni odgovor, smanjen fotosintetski kapacitet i učinkovitost korištenja dušika te usporavanje rasta.U uvjetima slabog intenziteta svjetlosti (100±5 μmol/(m2•s)), čisto crveno svjetlo može oštetiti kloroplaste i mladog i zrelog lišća krastavca, ali oštećeni kloroplasti su se oporavili nakon što je zamijenjeno čistim crvenim svjetlom na crveno i plavo svjetlo (R:B= 7:3).Naprotiv, kada su se biljke krastavca prebacile s okruženja crveno-plavog svjetla na okruženje čistog crvenog svjetla, fotosintetska učinkovitost nije značajno smanjena, pokazujući prilagodljivost okruženju crvenog svjetla.Analizom strukture lišća presadnica krastavaca sa "sindromom crvenog svjetla" elektronskim mikroskopom eksperimentatori su otkrili da su broj kloroplasta, veličina škrobnih zrnaca i debljina grane u lišću pod čistim crvenim svjetlom znatno niži od onih pod tretman bijelim svjetlom.Intervencija plavog svjetla poboljšava ultrastrukturu i fotosintetske karakteristike kloroplasta krastavca i eliminira prekomjerno nakupljanje hranjivih tvari.U usporedbi s bijelim svjetlom te crvenim i plavim svjetlom, čisto crveno svjetlo pospješilo je produženje hipokotila i širenje kotiledona presadnica rajčice, značajno povećalo visinu biljke i lisnu površinu, ali značajno smanjilo fotosintetski kapacitet, smanjilo sadržaj Rubisca i fotokemijsku učinkovitost te značajno povećalo rasipanje topline.Može se vidjeti da različite vrste biljaka različito reagiraju na istu kvalitetu svjetla, ali u usporedbi s monokromatskim svjetlom, biljke imaju veću učinkovitost fotosinteze i snažniji rast u okruženju miješanog svjetla.

Istraživači su proveli mnogo istraživanja o optimizaciji kombinacije kvalitete svjetla za presadnice povrća.Pri istom intenzitetu osvjetljenja, s povećanjem omjera crvenog svjetla, visina biljke i svježa masa presadnica rajčice i krastavca su značajno poboljšani, a najbolji učinak imao je tretman omjerom crvenog prema plavom od 3:1;naprotiv, visok omjer plave svjetlosti Inhibirao je rast presadnica rajčice i krastavca, koje su bile niske i zbijene, ali je povećao sadržaj suhe tvari i klorofila u izdancima presadnica.Slični obrasci uočeni su i kod drugih usjeva, poput paprike i lubenice.Osim toga, u usporedbi s bijelim svjetlom, crveno i plavo svjetlo (R:B=3:1) ne samo da su značajno poboljšale debljinu lista, sadržaj klorofila, fotosintetsku učinkovitost i učinkovitost prijenosa elektrona sadnica rajčice, već i razine ekspresije enzima povezanih prema Calvinovom ciklusu, vegetarijanski sadržaj rasta i nakupljanje ugljikohidrata također su značajno poboljšani.Uspoređujući dva omjera crvenog i plavog svjetla (R:B=2:1, 4:1), veći omjer plavog svjetla bio je pogodniji za induciranje formiranja ženskih cvjetova u sadnicama krastavaca i ubrzao je vrijeme cvjetanja ženskih cvjetova .Iako različiti omjeri crvenog i plavog svjetla nisu značajno utjecali na urod svježe mase presadnica kelja, rikule i gorušice, visok omjer plavog svjetla (30% plavog svjetla) značajno je smanjio duljinu hipokotila i površinu kotiledona kelja. i sadnice gorušice, dok je boja supki produbljena.Stoga se u proizvodnji presadnica odgovarajućim povećanjem udjela plave svjetlosti može značajno skratiti razmak čvorova i lisna površina presadnica povrća, pospješiti bočno rastezanje presadnica i poboljšati indeks snage presadnica, što pogoduje uzgoj snažnih sadnica.Pod uvjetom da je intenzitet osvjetljenja ostao nepromijenjen, povećanje zelenog svjetla u crvenom i plavom svjetlu značajno je poboljšalo svježu težinu, lisnu površinu i visinu biljke presadnica paprike.U usporedbi s tradicionalnom bijelom fluorescentnom svjetiljkom, pod crveno-zeleno-plavim (R3:G2:B5) svjetlosnim uvjetima, Y[II], qP i ETR presadnica 'Okagi br. 1 rajčice' značajno su poboljšani.Dodatak UV svjetla (100 μmol/(m2•s) plavog svjetla + 7% UV-A) čistom plavom svjetlu značajno je smanjio brzinu izduživanja stabljike rikule i gorušice, dok je dodatak FR bio suprotan.Ovo također pokazuje da osim crvene i plave svjetlosti, druge kvalitete svjetlosti također igraju važnu ulogu u procesu rasta i razvoja biljaka.Iako ni ultraljubičasto svjetlo ni FR nisu izvori energije fotosinteze, oboje su uključeni u fotomorfogenezu biljaka.UV svjetlo visokog intenziteta štetno je za biljnu DNK i proteine ​​itd. Međutim, UV svjetlo aktivira stanične reakcije na stres, uzrokujući promjene u rastu, morfologiji i razvoju biljaka kako bi se prilagodile promjenama u okolišu.Studije su pokazale da niži R/FR uzrokuje reakcije izbjegavanja sjene kod biljaka, što rezultira morfološkim promjenama u biljkama, kao što su produljenje stabljike, stanjivanje lišća i smanjeni prinos suhe tvari.Tanka stabljika nije dobra osobina rasta za uzgoj jakih sadnica.Za opće presadnice lisnatog i voćnog povrća, čvrste, kompaktne i elastične presadnice nisu sklone problemima tijekom transporta i sadnje.

UV-A može učiniti sadnice krastavaca nižim i kompaktnijim, a prinos nakon presađivanja ne razlikuje se značajno od kontrole;dok UV-B ima značajniji inhibitorni učinak, a učinak smanjenja prinosa nakon presađivanja nije značajan.Prethodne studije pokazale su da UV-A inhibira rast biljaka i čini biljke patuljastima.No sve je više dokaza da prisutnost UV-A zraka, umjesto da suzbija biomasu usjeva, zapravo potiče.U usporedbi s osnovnom crvenom i bijelom svjetlošću (R:W=2:3, PPFD je 250 μmol/(m2·s)), dopunski intenzitet u crvenoj i bijeloj svjetlosti je 10 W/m2 (oko 10 μmol/(m2· s)) UV-A kelja značajno je povećao biomasu, duljinu internodija, promjer stabljike i širinu krošnje presadnica kelja, ali je učinak promocije oslabio kada je intenzitet UV-a premašio 10 W/m2.Dnevna 2-satna UV-A dopuna (0,45 J/(m2•s)) mogla bi značajno povećati visinu biljke, površinu kotiledona i svježu težinu presadnica rajčice 'Oxheart', dok bi se smanjio sadržaj H2O2 u presadnicama rajčice.Može se vidjeti da različiti usjevi različito reagiraju na UV svjetlo, što može biti povezano s osjetljivošću usjeva na UV svjetlo.

Za uzgoj cijepljenih sadnica potrebno je na odgovarajući način povećati duljinu stabljike kako bi se olakšalo cijepljenje na podloge.Različiti intenziteti FR različito su djelovali na rast presadnica rajčice, paprike, krastavca, tikve i lubenice.Dodavanje 18,9 μmol/(m2•s) FR-a u hladnoj bijeloj svjetlosti značajno je povećalo duljinu hipokotila i promjer stabljike presadnica rajčice i paprike;FR od 34,1 μmol/(m2•s) imao je najbolji učinak na povećanje duljine hipokotila i promjera stabljike presadnica krastavca, tikve i lubenice;FR visokog intenziteta (53,4 μmol/(m2•s)) imala je najbolji učinak na ovih pet povrća.Duljina hipokotila i promjer stabljike klijanaca više se nisu značajno povećavali i počeli su pokazivati ​​silazni trend.Svježa težina presadnica paprike značajno se smanjila, što ukazuje da su vrijednosti zasićenosti FR svih pet presadnica povrća bile niže od 53,4 μmol/(m2•s), a vrijednost FR bila je značajno niža od one FR.Učinci na rast različitih presadnica povrća također su različiti.

Integral dnevne svjetlosti (DLI) predstavlja ukupnu količinu fotosintetskih fotona koje primi biljna površina u jednom danu, a koji je povezan s intenzitetom svjetlosti i vremenom svjetlosti.Formula za izračun je DLI (mol/m2/dan) = intenzitet svjetlosti [μmol/(m2•s)] × dnevno vrijeme osvjetljenja (h) × 3600 × 10-6.U okruženju s niskim intenzitetom osvjetljenja, biljke reagiraju na okruženje sa slabim osvjetljenjem izduživanjem stabljike i duljine internodija, povećanjem visine biljke, duljine peteljke i površine lista te smanjenjem debljine lista i neto stope fotosinteze.S povećanjem intenziteta osvjetljenja, osim kod gorušice, značajno se smanjila duljina hipokotila i izduženost stabljike presadnica rikule, kupusa i kelja pod istom kvalitetom osvjetljenja.Može se vidjeti da je učinak svjetlosti na rast i morfogenezu biljaka povezan s intenzitetom svjetlosti i biljnom vrstom.S povećanjem DLI (8,64~28,8 mol/m2/dan), biljni tip presadnica krastavaca postao je nizak, jak i zbijen, a specifična težina lista i sadržaj klorofila postupno su se smanjivali.6-16 dana nakon sjetve presadnica krastavaca, lišće i korijenje su se osušili.Masa se postupno povećavala, a stopa rasta postupno ubrzavala, no 16 do 21 dan nakon sjetve brzina rasta lišća i korijena presadnica krastavaca značajno se smanjila.Poboljšani DLI promicao je neto stopu fotosinteze sadnica krastavaca, ali nakon određene vrijednosti, neto stopa fotosinteze počela je opadati.Stoga odabir odgovarajućeg DLI-a i usvajanje različitih strategija dodatnog svjetla u različitim fazama rasta sadnica može smanjiti potrošnju energije.Sadržaj topljivog šećera i enzima SOD u presadnicama krastavca i rajčice povećavao se s povećanjem intenziteta DLI.Kada se intenzitet DLI povećao sa 7,47 mol/m2/dan na 11,26 mol/m2/dan, sadržaj topljivog šećera i SOD enzima u presadnicama krastavca porastao je za 81,03%, odnosno 55,5%.Pod istim DLI uvjetima, s povećanjem intenziteta svjetla i skraćivanjem vremena osvjetljenja, aktivnost PSII presadnica rajčice i krastavaca bila je inhibirana, a odabir dodatne strategije osvjetljenja niskog intenziteta i dugog trajanja bio je pogodniji za uzgoj visokih presadnica indeks i fotokemijska učinkovitost presadnica krastavca i rajčice.

U proizvodnji cijepljenih presadnica, slabo osvijetljeno okruženje može dovesti do smanjenja kvalitete cijepljenih presadnica i produljenja vremena zacjeljivanja.Odgovarajući intenzitet svjetla ne samo da može poboljšati sposobnost vezivanja cijepljenog mjesta zacjeljivanja i poboljšati indeks jakih sadnica, već i smanjiti položaj čvorova ženskih cvjetova i povećati broj ženskih cvjetova.Stoga, uzimajući u obzir potrošnju energije i okoliš za sadnju, odabir odgovarajućeg intenziteta svjetla pomoći će poboljšati ekonomske koristi.

Biljke primaju vanjske svjetlosne signale preko fotoreceptora, uzrokujući sintezu i nakupljanje signalnih molekula u biljci, čime se mijenja rast i funkcija biljnih organa, te u konačnici poboljšava otpornost biljke na stres.Na primjer, kada su sadnice rajčice bile dopunjene svjetlom 4 sata noću, u usporedbi s tretmanom bez dodatnog svjetla, bijelo svjetlo, crveno svjetlo, plavo svjetlo te crveno i plavo svjetlo moglo bi smanjiti propusnost elektrolita i sadržaj MDA u sadnicama rajčice, i poboljšati otpornost na hladnoću.Aktivnosti SOD, POD i CAT u presadnicama rajčice pod tretmanom omjera crveno-plavo 8:2 bile su značajno veće nego kod drugih tretmana, te su imale veći antioksidativni kapacitet i otpornost na hladnoću.

Učinak UV-B zraka na rast korijena soje uglavnom je poboljšanje otpornosti biljke na stres povećanjem sadržaja korijenskog NO i ROS, uključujući signalne molekule hormona kao što su ABA, SA i JA, te inhibicija razvoja korijena smanjenjem sadržaja IAA , CTK i GA.U presadnicama rajčice, UVR8 posreduje u sintezi i nakupljanju antocijana, a presadnice divlje rajčice prilagođene UV-zračenju poboljšavaju svoju sposobnost nošenja s UV-B stresom visokog intenziteta.Međutim, prilagodba UV-B zraka na stres od suše izazvan Arabidopsisom ne ovisi o putu UVR8, što ukazuje da UV-B djeluje kao signalom izazvan unakrsni odgovor obrambenih mehanizama biljaka, tako da se različiti hormoni zajedno involved in resisting drought stress, increasing the ROS scavenging ability.

Biljni hormoni reguliraju produljenje hipokotila ili stabljike uzrokovano FR-om i prilagodbu biljaka na hladni stres.Stoga je "učinak izbjegavanja sjene" uzrokovan FR povezan s prilagodbom biljaka na hladnoću.Eksperimentatori su prihranjivali sadnice ječma 18 dana nakon klijanja na 15°C tijekom 10 dana, hlađenje na 5°C + dodavanje FR tijekom 7 dana, i otkrili da je u usporedbi s tretmanom bijelim svjetlom, FR povećao otpornost klijanaca ječma na mraz.Ovaj proces je popraćen povećanim sadržajem ABA i IAA u klijancima ječma.Naknadni prijenos sadnica ječma prethodno tretiranih na 15°C FR-om na 5°C i kontinuirano dodavanje FR-a tijekom 7 dana rezultiralo je sličnim rezultatima kao u gornja dva tretmana, ali sa smanjenim odgovorom ABA.Biljke s različitim R:FR vrijednostima kontroliraju biosintezu fitohormona (GA, IAA, CTK i ABA), koji također sudjeluju u otpornosti biljaka na sol.Pod stresom od soli, svjetlosno okruženje s niskim omjerom R:FR može poboljšati antioksidativni i fotosintetski kapacitet presadnica rajčice, smanjiti proizvodnju ROS i MDA u presadnicama i poboljšati otpornost na sol.I stres saliniteta i niska vrijednost R:FR (R:FR=0,8) inhibirali su biosintezu klorofila, što može biti povezano s blokiranom pretvorbom PBG u UroIII na putu sinteze klorofila, dok okruženje s niskim R:FR može učinkovito ublažiti slanost Stresom izazvano oštećenje sinteze klorofila.Ovi rezultati ukazuju na značajnu korelaciju između fitokroma i tolerancije na sol.

Osim osvijetljenog okoliša, na rast i kvalitetu presadnica povrća utječu i drugi čimbenici okoliša.Na primjer, povećanje koncentracije CO2 povećat će maksimalnu vrijednost zasićenja svjetlom Pn (Pnmax), smanjiti točku kompenzacije svjetla i poboljšati učinkovitost iskorištavanja svjetla.Povećanje intenziteta svjetlosti i koncentracije CO2 pomaže u poboljšanju sadržaja fotosintetskih pigmenata, učinkovitosti korištenja vode i aktivnosti enzima povezanih s Calvinovim ciklusom, te u konačnici postiže veću fotosintetsku učinkovitost i akumulaciju biomase presadnica rajčice.Suha težina i zbijenost presadnica rajčice i paprike bile su u pozitivnoj korelaciji s DLI, a promjena temperature također je utjecala na rast pod istim DLI tretmanom.Okolina od 23 ~ 25 ℃ bila je prikladnija za rast presadnica rajčice.U skladu s temperaturnim i svjetlosnim uvjetima, istraživači su razvili metodu za predviđanje relativne stope rasta paprike na temelju modela distribucije bate, koji može pružiti znanstvene smjernice za ekološku regulaciju proizvodnje cijepljenih sadnica paprike.

Stoga, pri dizajniranju sheme regulacije svjetla u proizvodnji, ne treba uzeti u obzir samo čimbenike svjetlosnog okoliša i biljne vrste, već i čimbenike uzgoja i upravljanja kao što su prehrana sadnica i upravljanje vodom, plinsko okruženje, temperatura i faza rasta sadnica.

4. Problemi i izgledi

Prvo, regulacija svjetla za presadnice povrća je sofisticiran proces i potrebno je detaljno analizirati učinke različitih svjetlosnih uvjeta na različite vrste presadnica povrća u okruženju tvornice biljaka.To znači da je za postizanje cilja visokoučinkovite i visokokvalitetne proizvodnje presadnica potrebno kontinuirano istraživanje kako bi se uspostavio zreo tehnički sustav.

Drugo, iako je stopa iskorištenja energije LED izvora svjetlosti relativno visoka, potrošnja energije za rasvjetu biljaka glavna je potrošnja energije za uzgoj presadnica pomoću umjetnog svjetla.

Konačno, sa širokom primjenom rasvjete biljaka u poljoprivredi, očekuje se da će troškovi LED rasvjete za biljke biti znatno smanjeni u budućnosti;naprotiv, povećanje troškova rada, osobito u postepidemičnom razdoblju, nedostatak radne snage sigurno će pospješiti proces mehanizacije i automatizacije proizvodnje.U budućnosti će modeli upravljanja temeljeni na umjetnoj inteligenciji i inteligentna proizvodna oprema postati jedna od temeljnih tehnologija za proizvodnju presadnica povrća i nastavit će promicati razvoj tehnologije tvorničkih presadnica.

Autori: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Izvor članka: Wechat račun tehnologije poljoprivrednog inženjerstva (vrtlarstvo u stakleniku)