Апстракт: Расад поврћа је први корак у производњи поврћа, а квалитет садница је веома важан за принос и квалитет поврћа након садње. Са континуираним усавршавањем поделе рада у индустрији поврћа, расаднице поврћа су постепено формирале независан индустријски ланац и служиле производњи поврћа. Погођене лошим временским условима, традиционалне методе узгоја расаде неизбежно се суочавају са многим изазовима као што су спор раст садница, раст издубљених плодова, штеточине и болести. Да би се изборили са издубљеним садницама, многи комерцијални узгајивачи користе регулаторе раста. Међутим, постоје ризици од крутости садница, безбедности хране и контаминације животне средине уз употребу регулатора раста. Поред хемијских метода сузбијања, иако механичка стимулација, контрола температуре и воде такође могу играти улогу у спречавању раста издубљених плодова садница, оне су нешто мање погодне и ефикасне. Под утицајем глобалне епидемије новог Ковида-19, проблеми са потешкоћама у управљању производњом изазвани недостатком радне снаге и растућим трошковима рада у индустрији расаде постали су израженији.

Са развојем технологије осветљења, употреба вештачке светлости за узгој расада поврћа има предности високе ефикасности расада, мање штеточина и болести и лаке стандардизације. У поређењу са традиционалним изворима светлости, нова генерација ЛЕД извора светлости има карактеристике уштеде енергије, високе ефикасности, дугог века трајања, заштите животне средине и издржљивости, мале величине, ниског топлотног зрачења и мале амплитуде таласне дужине. Може да формулише одговарајући спектар према потребама раста и развоја расада у окружењу фабрика биљака и прецизно контролише физиолошке и метаболичке процесе расада, истовремено доприносећи производњи расада поврћа без загађења, стандардизованој и брзој производњи и скраћује циклус расаде. У Јужној Кини, потребно је око 60 дана за узгој расада паприке и парадајза (3-4 права листа) у пластичним пластеницима, а око 35 дана за расаде краставца (3-5 правих листова). У условима фабрика биљака, потребно је само 17 дана за узгој расада парадајза и 25 дана за расаде паприке под условима фотопериода од 20 сати и PPF од 200-300 μmol/(m2•s). У поређењу са конвенционалном методом узгоја садница у пластеницима, употреба методе узгоја фабричких садница са ЛЕД диодама значајно је скратила циклус раста краставца за 15-30 дана, а број женских цветова и плодова по биљци повећао се за 33,8% и 37,3%, респективно, а највећи принос је повећан за 71,44%.

Што се тиче ефикасности коришћења енергије, ефикасност коришћења енергије фабрика биљака је већа него код пластеника типа Венло на истој географској ширини. На пример, у шведској фабрици биљака, потребно је 1411 MJ за производњу 1 кг суве материје зелене салате, док је у пластенику потребно 1699 MJ. Међутим, ако се израчуна електрична енергија потребна по килограму суве материје зелене салате, фабрици биљака је потребно 247 kW·h за производњу 1 кг суве тежине зелене салате, а пластеницима у Шведској, Холандији и Уједињеним Арапским Емиратима је потребно 182 kW·h, 70 kW·h и 111 kW·h, респективно.

Истовремено, у фабрици биљака, употреба рачунара, аутоматске опреме, вештачке интелигенције и других технологија може прецизно контролисати услове околине погодне за узгој садница, отклонити ограничења природних услова и остварити интелигентну, механизовану и стабилну годишњу производњу садница. Последњих година, саднице из фабрика биљака се користе у комерцијалној производњи лиснатог поврћа, воћног поврћа и других економских усева у Јапану, Јужној Кореји, Европи, Сједињеним Државама и другим земљама. Висока почетна улагања у фабрике биљака, високи оперативни трошкови и огромна потрошња енергије система и даље су уска грла која ограничавају промоцију технологије узгоја садница у кинеским фабрикама биљака. Стога је неопходно узети у обзир захтеве за високим приносом и уштедом енергије у погледу стратегија управљања светлошћу, успостављања модела раста поврћа и опреме за аутоматизацију како би се побољшале економске користи.

У овом чланку се разматра утицај ЛЕД светлосног окружења на раст и развој расада поврћа у фабрикама биљака последњих година, са перспективом правца истраживања регулације светлости расада поврћа у фабрикама биљака.

1. Утицај светлосног окружења на раст и развој садница поврћа

Као један од битних фактора животне средине за раст и развој биљака, светлост није само извор енергије за биљке за спровођење фотосинтезе, већ и кључни сигнал који утиче на фотоморфогенезу биљака. Биљке осећају смер, енергију и квалитет светлости сигнала путем система светлосних сигнала, регулишу сопствени раст и развој и реагују на присуство или одсуство, таласну дужину, интензитет и трајање светлости. Тренутно познати биљни фоторецептори укључују најмање три класе: фитохроми (PHYA~PHYE) који осећају црвену и далекоцрвену светлост (FR), криптохроми (CRY1 и CRY2) који осећају плаво и ултраљубичасто А зрачење, и елементи (Phot1 и Phot2), UV-B рецептор UVR8 који осећа UV-B зрачење. Ови фоторецептори учествују у експресији сродних гена и регулишу је, а затим регулишу животне активности као што су клијање семена биљака, фотоморфогенеза, време цветања, синтеза и акумулација секундарних метаболита и толеранција на биотске и абиотске стресове.

2. Утицај ЛЕД светлосног окружења на фотоморфолошко успостављање расада поврћа

2.1 Утицај различитог квалитета светлости на фотоморфогенезу садница поврћа

Црвени и плави делови спектра имају високу квантну ефикасност за фотосинтезу листова биљака. Међутим, дуготрајно излагање листова краставца чистој црвеној светлости оштетиће фотосистем, што резултира феноменом „синдрома црвене светлости“ као што је успоравање стоматалног одговора, смањење фотосинтетског капацитета и ефикасности коришћења азота, као и успоравање раста. Под условима ниског интензитета светлости (100±5 μmol/(m2•s)), чиста црвена светлост може оштетити хлоропласте и младих и зрелих листова краставца, али оштећени хлоропласти су обновљени након промене са чисте црвене светлости на црвену и плаву светлост (R:B= 7:3). Напротив, када су биљке краставца прешле из окружења црвено-плаве светлости у окружење чисте црвене светлости, ефикасност фотосинтезе се није значајно смањила, што показује прилагодљивост окружењу црвене светлости. Анализом електронског микроскопа структуре листа садница краставца са „синдромом црвене светлости“, експериментатори су открили да су број хлоропласта, величина гранула скроба и дебљина гране у листовима под чистом црвеном светлошћу били значајно мањи него код оних под третманом белом светлошћу. Интервенција плаве светлости побољшава ултраструктуру и фотосинтетске карактеристике хлоропласта краставца и елиминише прекомерно накупљање хранљивих материја. У поређењу са белом светлошћу и црвеном и плавом светлошћу, чиста црвена светлост је подстакла издуживање хипокотила и ширење котиледона садница парадајза, значајно повећала висину биљке и површину листа, али је значајно смањила фотосинтетски капацитет, смањила садржај Рубиско-а и фотохемијску ефикасност, и значајно повећала дисипацију топлоте. Може се видети да различите врсте биљака различито реагују на исти квалитет светлости, али у поређењу са монохроматском светлошћу, биљке имају већу ефикасност фотосинтезе и снажнији раст у окружењу мешовите светлости.

Истраживачи су спровели много истраживања о оптимизацији комбинације квалитета светлости код садница поврћа. При истом интензитету светлости, са повећањем односа црвене светлости, висина биљке и свежа тежина садница парадајза и краставца су значајно побољшане, а третман са односом црвене и плаве боје од 3:1 имао је најбољи ефекат; напротив, висок однос плаве светлости је инхибирао раст садница парадајза и краставца, које су биле кратке и компактне, али је повећао садржај суве материје и хлорофила у изданцима садница. Слични обрасци су примећени и код других усева, као што су паприке и лубенице. Поред тога, у поређењу са белом светлошћу, црвена и плава светлост (R:B=3:1) су не само значајно побољшале дебљину листа, садржај хлорофила, ефикасност фотосинтезе и ефикасност преноса електрона код садница парадајза, већ су значајно побољшани и нивои експресије ензима повезаних са Калвиновим циклусом, раст, садржај вегетаријанаца и акумулација угљених хидрата. Упоређујући два односа црвене и плаве светлости (R:B=2:1, 4:1), већи однос плаве светлости је био погоднији за индуковање формирања женских цветова код садница краставца и убрзао је време цветања женских цветова. Иако различити односи црвене и плаве светлости нису имали значајан утицај на принос свеже тежине садница кеља, руколе и сенфа, висок однос плаве светлости (30% плаве светлости) значајно је смањио дужину хипокотила и површину котиледона садница кеља и сенфа, док се боја котиледона продубила. Стога, у производњи садница, одговарајуће повећање удела плаве светлости може значајно скратити размак између чворова и површину листа садница поврћа, подстаћи бочно издуживање садница и побољшати индекс чврстоће садница, што је погодно за узгој робусних садница. Под условом да је интензитет светлости остао непромењен, повећање зелене светлости код црвене и плаве светлости значајно је побољшало свежу тежину, површину листа и висину биљке садница слатке паприке. У поређењу са традиционалном белом флуоресцентном лампом, под црвено-зелено-плавим (R3:G2:B5) светлосним условима, Y[II], qP и ETR садница парадајза „Окаги бр. 1“ су значајно побољшани. Суплементација УВ светлости (100 μmol/(m2•s) плава светлост + 7% UV-A) чистом плавом светлошћу значајно је смањила брзину издуживања стабљике руколе и сенфа, док је суплементација FR била супротна. Ово такође показује да поред црвене и плаве светлости, и други квалитети светлости играју важну улогу у процесу раста и развоја биљака. Иако ни ултраљубичаста светлост ни FR нису извор енергије за фотосинтезу, обе су укључене у фотоморфогенезу биљака. УВ светлост високог интензитета је штетна за ДНК и протеине биљака итд. Међутим, УВ светлост активира ћелијске стресне реакције, узрокујући промене у расту, морфологији и развоју биљака како би се прилагодиле променама у окружењу. Студије су показале да нижи R/FR индукује реакције избегавања сенке код биљака, што резултира морфолошким променама код биљака, као што су издуживање стабљике, проређивање листова и смањење приноса суве материје. Танка стабљика није добра особина раста за узгој јаких садница. Код садница лиснатог и воћног поврћа, чврсте, компактне и еластичне саднице нису склоне проблемима током транспорта и садње.

УВ-А зрачење може учинити биљке садница краставца краћим и компактнијим, а принос након пресађивања се не разликује значајно од контролне групе; док УВ-Б има значајнији инхибиторни ефекат, а ефекат смањења приноса након пресађивања није значајан. Претходне студије сугеришу да УВ-А зрачење инхибира раст биљака и чини биљке патуљастим. Међутим, све је више доказа да присуство УВ-А зрачења, уместо да сузбија биомасу усева, заправо је подстиче. У поређењу са основним црвеним и белим светлом (R:W=2:3, PPFD је 250 μmol/(m2·s)), додатни интензитет црвеног и белог светла је 10 W/m2 (око 10 μmol/(m2·s)). УВ-А зрачење кеља значајно је повећало биомасу, дужину интернодија, пречник стабљике и ширину крошње биљке садница кеља, али је ефекат промоције ослабљен када је интензитет УВ зрачења прешао 10 W/m2. Дневна суплементација УВ-А зрачењем у трајању од 2 сата (0,45 Ј/(м2•с)) могла би значајно повећати висину биљке, површину котиледона и свежу тежину садница парадајза 'Oxheart', уз истовремено смањење садржаја H2O2 у садницама парадајза. Може се видети да различите културе различито реагују на УВ светлост, што може бити повезано са осетљивошћу усева на УВ светлост.

За гајење калемљених садница, дужину стабљике треба на одговарајући начин повећати како би се олакшало калемљење подлога. Различити интензитети флуидизације (FR) имали су различите ефекте на раст садница парадајза, паприке, краставца, тиквица и лубенице. Додавање 18,9 μmol/(m2•s) FR у хладном белом светлу значајно је повећало дужину хипокотила и пречник стабљике садница парадајза и паприке; FR од 34,1 μmol/(m2•s) имала је најбољи ефекат на подстицање дужине хипокотила и пречника стабљике садница краставца, тиквица и лубенице; FR високог интензитета (53,4 μmol/(m2•s)) имала је најбољи ефекат на ових пет повртарских врста. Дужина хипокотила и пречник стабљике садница више се нису значајно повећавали и почели су да показују силазни тренд. Свежа тежина садница паприке значајно се смањила, што указује да су вредности засићења FR код свих пет повртарских садница биле ниже од 53,4 μmol/(m2•s), а вредност FR је била значајно нижа од вредности FR. Утицаји на раст различитих садница поврћа су такође различити.

2.2 Утицај различитих интеграла дневне светлости на фотоморфогенезу садница поврћа

Интеграл дневне светлости (DLI) представља укупну количину фотосинтетских фотона које површина биљке прими током дана, што је повезано са интензитетом светлости и временом осветљења. Формула за израчунавање је DLI (mol/m2/дан) = интензитет светлости [μmol/(m2•s)] × Дневно време осветљења (h) × 3600 × 10-6. У окружењу са ниским интензитетом светлости, биљке реагују на окружење са ниским интензитетом светлости издуживањем дужине стабљике и интернодија, повећањем висине биљке, дужине петељке и површине листа, и смањењем дебљине листа и нето брзине фотосинтезе. Са повећањем интензитета светлости, изузев сенфа, дужина хипокотила и издужење стабљике садница руколе, купуса и кеља под истим квалитетом светлости значајно су се смањили. Може се видети да је ефекат светлости на раст биљака и морфогенезу повезан са интензитетом светлости и врстом биљке. Са повећањем DLI (8,64~28,8 mol/m2/дан), биљни тип садница краставца је постао кратак, јак и компактан, а специфична тежина листа и садржај хлорофила су се постепено смањивали. 6~16 дана након сетве садница краставца, листови и корен су се осушили. Тежина се постепено повећавала, а стопа раста се постепено убрзавала, али 16 до 21 дан након сетве, стопа раста листова и корена садница краставца значајно се смањила. Појачани DLI је подстакао нето стопу фотосинтезе садница краставца, али након одређене вредности, нето стопа фотосинтезе је почела да опада. Стога, одабир одговарајућег DLI и усвајање различитих додатних стратегија осветљења у различитим фазама раста садница може смањити потрошњу енергије. Садржај растворљивог шећера и SOD ензима у садницама краставца и парадајза повећавао се са повећањем интензитета DLI. Када се интензитет DLI повећао са 7,47 mol/m2/дан на 11,26 mol/m2/дан, садржај растворљивог шећера и SOD ензима у садницама краставца повећао се за 81,03%, односно 55,5%. Под истим DLI условима, са повећањем интензитета светлости и скраћивањем времена осветљења, PSII активност садница парадајза и краставца је била инхибирана, а избор додатне светлосне стратегије ниског интензитета светлости и дугог трајања био је погоднији за узгој садница краставца и парадајза са високим индексом садница и фотохемијском ефикасношћу.

У производњи калемљених садница, окружење са слабом светлошћу може довести до смањења квалитета калемљених садница и повећања времена зарастања. Одговарајући интензитет светлости не само да може побољшати способност везивања места за зарастање калемљеног парадајза и побољшати индекс јаких садница, већ и смањити положај чворова женских цветова и повећати број женских цветова. У фабрикама биљака, DLI од 2,5-7,5 mol/m2/дан био је довољан да задовољи потребе за зарастањем калемљених садница парадајза. Компактност и дебљина листа калемљених садница парадајза значајно су се повећавале са повећањем интензитета DLI. Ово показује да калемљеним садницама није потребан висок интензитет светлости за зарастање. Стога, узимајући у обзир потрошњу енергије и окружење садње, избор одговарајућег интензитета светлости ће помоћи у побољшању економских користи.

3. Утицај ЛЕД светлосног окружења на отпорност расада поврћа на стрес

Биљке примају спољашње светлосне сигнале путем фоторецептора, што узрокује синтезу и акумулацију сигналних молекула у биљци, чиме се мења раст и функција биљних органа и на крају побољшава отпорност биљке на стрес. Различити квалитет светлости има одређени подстицајни ефекат на побољшање толеранције на хладноћу и толеранције на со код садница. На пример, када су саднице парадајза биле осветљене светлошћу 4 сата ноћу, у поређењу са третманом без додатне светлости, бела светлост, црвена светлост, плава светлост и црвена и плава светлост могле су смањити пропустљивост електролита и садржај MDA у садницама парадајза и побољшати толеранцију на хладноћу. Активности SOD, POD и CAT у садницама парадајза под третманом односа црвене и плаве боје 8:2 биле су значајно веће него код других третмана, а имале су већи антиоксидативни капацитет и толеранцију на хладноћу.

Ефекат УВ-Б зрачења на раст корена соје је углавном побољшање отпорности биљака на стрес повећањем садржаја NO и ROS у корену, укључујући молекуле хормонске сигнализације као што су ABA, SA и JA, и инхибирање развоја корена смањењем садржаја IAA, CTK и GA. Фоторецептор УВ-Б зрачења, UVR8, није само укључен у регулацију фотоморфогенезе, већ игра и кључну улогу у УВ-Б стресу. Код садница парадајза, UVR8 посредује у синтези и акумулацији антоцијанина, а саднице дивљег парадајза аклиматизоване на УВ зрачење побољшавају своју способност да се носе са УВ-Б стресом високог интензитета. Међутим, адаптација УВ-Б зрачења на стрес суше изазван Arabidopsis не зависи од UVR8 пута, што указује да УВ-Б зрачење делује као сигнално индуковани унакрсни одговор одбрамбених механизама биљака, тако да су различити хормони заједнички укључени у отпор стресу суше, повећавајући способност уклањања ROS.

И издуживање биљног хипокотила или стабљике изазвано ФР и адаптација биљака на хладни стрес регулисани су биљним хормонима. Стога је „ефекат избегавања сенке“ изазван ФР повезан са адаптацијом биљака на хладноћу. Експериментатори су допунили саднице јечма 18 дана након клијања на 15°C током 10 дана, хлађењем на 5°C + допуњавањем ФР током 7 дана, и открили су да је, у поређењу са третманом белом светлошћу, ФР побољшала отпорност садница јечма на мраз. Овај процес је праћен повећаним садржајем АБА и ИАА у садницама јечма. Накнадни пренос садница јечма претходно третираних ФР на 15°C на 5°C и наставак допуњавања ФР током 7 дана резултирали су сличним резултатима као и код горе наведена два третмана, али са смањеним одговором АБА. Биљке са различитим вредностима R:FR контролишу биосинтезу фитохормона (ГА, ИАА, ЦТК и АБА), који су такође укључени у толеранцију биљака на со. Под стресом од соли, светлосно окружење са ниским односом R:FR може побољшати антиоксидативни и фотосинтетски капацитет садница парадајза, смањити производњу ROS и MDA у садницама и побољшати толеранцију на со. И стрес од сланости и ниска вредност R:FR (R:FR=0,8) инхибирали су биосинтезу хлорофила, што може бити повезано са блокираном конверзијом PBG у UroIII у путу синтезе хлорофила, док окружење са ниским односом R:FR може ефикасно ублажити оштећење синтезе хлорофила изазвано стресом од сланости. Ови резултати указују на значајну корелацију између фитохрома и толеранције на со.

Поред светлосног окружења, и други фактори околине утичу на раст и квалитет садница поврћа. На пример, повећање концентрације CO2 ће повећати максималну вредност засићења светлошћу Pn (Pnmax), смањити тачку компензације светлости и побољшати ефикасност коришћења светлости. Повећање интензитета светлости и концентрације CO2 помаже у побољшању садржаја фотосинтетских пигмената, ефикасности коришћења воде и активности ензима повезаних са Калвиновим циклусом, и коначно постиже већу фотосинтетску ефикасност и акумулацију биомасе садница парадајза. Сува тежина и компактност садница парадајза и паприке биле су позитивно корелиране са DLI, а промена температуре је такође утицала на раст под истим DLI третманом. Окружење од 23~25℃ било је погодније за раст садница парадајза. Према температури и светлосним условима, истраживачи су развили метод за предвиђање релативне стопе раста паприке на основу модела дистрибуције бејзбола, који може пружити научне смернице за регулацију производње калемљених садница паприке у погледу животне средине.

Стога, приликом пројектовања шеме регулације светлости у производњи, треба узети у обзир не само факторе светлосног окружења и биљне врсте, већ и факторе узгоја и управљања као што су исхрана садница и управљање водом, гасно окружење, температура и фаза раста садница.

4. Проблеми и перспективе

Прво, регулација светлости расада поврћа је софистициран процес, а утицај различитих светлосних услова на различите врсте расада поврћа у окружењу фабрике биљака треба детаљно анализирати. То значи да је за постизање циља високоефикасне и висококвалитетне производње расада потребно континуирано истраживање како би се успоставио зрео технички систем.

Друго, иако је стопа искоришћења енергије ЛЕД извора светлости релативно висока, потрошња енергије за осветљење биљака је главна потрошња енергије за узгој садница помоћу вештачког светла. Огромна потрошња енергије у фабрикама биљака и даље је уско грло које ограничава развој фабрика биљака.

Коначно, са широком применом расвете за биљке у пољопривреди, очекује се да ће трошкови ЛЕД расвете за биљке бити значајно смањени у будућности; напротив, повећање трошкова рада, посебно у пост-епидемијској ери, недостатак радне снаге ће сигурно промовисати процес механизације и аутоматизације производње. У будућности, модели управљања засновани на вештачкој интелигенцији и интелигентна производна опрема постаће једна од основних технологија за производњу садница поврћа и наставиће да промовишу развој технологије фабричких садница биљака.

Аутори: Јиехуи Тан, Хоуцхенг Лиу
Извор чланка: WeChat налог за технологију пољопривредног инжењерства (пластеничко хортикултура)