Resumo: As mudas de hortaliças são a primeira etapa na produção de hortaliças, e a qualidade das mudas é muito importante para o rendimento e a qualidade das hortaliças após o plantio. Com o contínuo refinamento da divisão do trabalho na indústria de hortaliças, as mudas de hortaliças formaram gradativamente uma cadeia industrial independente e atenderam à produção de hortaliças. Afetados pelo mau tempo, os métodos tradicionais de mudas enfrentam inevitavelmente muitos desafios, como crescimento lento das mudas, crescimento pernilongo e pragas e doenças. Para lidar com mudas com pernas compridas, muitos cultivadores comerciais usam reguladores de crescimento. Porém, existem riscos de rigidez das mudas, segurança alimentar e contaminação ambiental com o uso de reguladores de crescimento. Além dos métodos de controle químico, embora a estimulação mecânica, o controle da temperatura e da água também possam desempenhar um papel na prevenção do crescimento pernilongo das mudas, eles são um pouco menos convenientes e eficazes. Sob o impacto da nova epidemia global de Covid-19, os problemas de dificuldades de gestão da produção causados ​​pela escassez de mão-de-obra e pelo aumento dos custos laborais na indústria de mudas tornaram-se mais proeminentes.

Com o desenvolvimento da tecnologia de iluminação, o uso de luz artificial para o cultivo de mudas de hortaliças tem como vantagens a alta eficiência das mudas, menos pragas e doenças e fácil padronização. Em comparação com as fontes de luz tradicionais, a nova geração de fontes de luz LED tem as características de economia de energia, alta eficiência, longa vida, proteção ambiental e durabilidade, tamanho pequeno, baixa radiação térmica e pequena amplitude de comprimento de onda. Pode formular o espectro adequado de acordo com as necessidades de crescimento e desenvolvimento das mudas no ambiente das fábricas de plantas, e controlar com precisão o processo fisiológico e metabólico das mudas, ao mesmo tempo, contribuindo para a produção rápida, padronizada e livre de poluição de mudas vegetais. , e encurta o ciclo da muda. No sul da China, são necessários cerca de 60 dias para cultivar mudas de pimentão e tomate (3-4 folhas verdadeiras) em estufas de plástico, e cerca de 35 dias para mudas de pepino (3-5 folhas verdadeiras). Em condições de fábrica de plantas, são necessários apenas 17 dias para cultivar mudas de tomate e 25 dias para mudas de pimentão sob condições de fotoperíodo de 20 h e PPF de 200-300 μmol/(m2•s). Em comparação com o método convencional de cultivo de mudas em estufa, o uso do método de cultivo de mudas em fábrica de plantas LED encurtou significativamente o ciclo de crescimento do pepino em 15-30 dias, e o número de flores femininas e frutos por planta aumentou 33,8% e 37,3% , respectivamente, e o maior rendimento foi aumentado em 71,44%.

Em termos de eficiência de utilização de energia, a eficiência de utilização de energia das fábricas é superior à das estufas do tipo Venlo na mesma latitude. Por exemplo, numa fábrica sueca, são necessários 1.411 MJ para produzir 1 kg de matéria seca de alface, enquanto numa estufa são necessários 1.699 MJ. No entanto, se for calculada a electricidade necessária por quilograma de matéria seca de alface, a fábrica necessita de 247 kW·h para produzir 1 kg de peso seco de alface, e as estufas na Suécia, nos Países Baixos e nos Emirados Árabes Unidos necessitam de 182 kW·h. h, 70 kW·h e 111 kW·h, respectivamente.

Ao mesmo tempo, na fábrica de plantas, o uso de computadores, equipamentos automáticos, inteligência artificial e outras tecnologias podem controlar com precisão as condições ambientais adequadas para o cultivo de mudas, livrar-se das limitações das condições ambientais naturais e realizar o inteligente, produção mecanizada e anual estável de produção de mudas. Nos últimos anos, as mudas de fábricas de plantas têm sido utilizadas na produção comercial de vegetais folhosos, vegetais frutíferos e outras culturas econômicas no Japão, Coreia do Sul, Europa, Estados Unidos e outros países. O alto investimento inicial das fábricas, os altos custos operacionais e o enorme consumo de energia do sistema ainda são os gargalos que limitam a promoção da tecnologia de cultivo de mudas nas fábricas chinesas. Portanto, é necessário ter em conta os requisitos de alto rendimento e poupança de energia em termos de estratégias de gestão de luz, estabelecimento de modelos de crescimento vegetal e equipamentos de automação para melhorar os benefícios económicos.

Neste artigo, é revisada a influência do ambiente de luz LED no crescimento e desenvolvimento de mudas de hortaliças em fábricas de plantas nos últimos anos, com a perspectiva da direção da pesquisa de regulação da luz de mudas de hortaliças em fábricas de plantas.

1. Efeitos do ambiente luminoso no crescimento e desenvolvimento de mudas de hortaliças

Como um dos fatores ambientais essenciais para o crescimento e desenvolvimento das plantas, a luz não é apenas uma fonte de energia para as plantas realizarem a fotossíntese, mas também um sinal chave que afeta a fotomorfogênese das plantas. As plantas percebem a direção, a energia e a qualidade da luz do sinal através do sistema de sinalização luminosa, regulam seu próprio crescimento e desenvolvimento e respondem à presença ou ausência, comprimento de onda, intensidade e duração da luz. Os fotorreceptores de plantas atualmente conhecidos incluem pelo menos três classes: fitocromos (PHYA ~ PHYE) que detectam luz vermelha e vermelha distante (FR), criptocromos (CRY1 e CRY2) que detectam azul e ultravioleta A, e Elementos (Phot1 e Phot2), os Receptor UV-B UVR8 que detecta UV-B. Esses fotorreceptores participam e regulam a expressão de genes relacionados e, em seguida, regulam atividades vitais, como germinação de sementes de plantas, fotomorfogênese, época de floração, síntese e acúmulo de metabólitos secundários e tolerância a estresses bióticos e abióticos.

2. Influência do ambiente luminoso LED no estabelecimento fotomorfológico de mudas de hortaliças

2.1 Efeitos de diferentes qualidades de luz na fotomorfogênese de mudas de hortaliças

As regiões vermelha e azul do espectro apresentam altas eficiências quânticas para a fotossíntese das folhas das plantas. No entanto, a exposição prolongada de folhas de pepino à luz vermelha pura danificará o fotossistema, resultando no fenômeno da “síndrome da luz vermelha”, como resposta estomática atrofiada, diminuição da capacidade fotossintética e da eficiência do uso de nitrogênio, e retardo de crescimento. Sob condições de baixa intensidade de luz (100±5 μmol/(m2•s)), a luz vermelha pura pode danificar os cloroplastos das folhas jovens e maduras do pepino, mas os cloroplastos danificados foram recuperados após a mudança da luz vermelha pura à luz vermelha e azul (R:B= 7:3). Pelo contrário, quando as plantas de pepino mudaram do ambiente de luz vermelha-azul para o ambiente de luz vermelha pura, a eficiência fotossintética não diminuiu significativamente, mostrando a adaptabilidade ao ambiente de luz vermelha. Através da análise microscópica eletrônica da estrutura foliar de mudas de pepino com “síndrome da luz vermelha”, os experimentadores descobriram que o número de cloroplastos, o tamanho dos grânulos de amido e a espessura da grana nas folhas sob luz vermelha pura eram significativamente menores do que sob luz vermelha pura. tratamento com luz branca. A intervenção da luz azul melhora a ultraestrutura e as características fotossintéticas dos cloroplastos do pepino e elimina o acúmulo excessivo de nutrientes. Em comparação com a luz branca e a luz vermelha e azul, a luz vermelha pura promoveu o alongamento do hipocótilo e a expansão dos cotilédones das mudas de tomate, aumentou significativamente a altura da planta e a área foliar, mas diminuiu significativamente a capacidade fotossintética, reduziu o conteúdo de Rubisco e a eficiência fotoquímica e aumentou significativamente a dissipação de calor. Pode-se observar que diferentes tipos de plantas respondem de maneira diferente à mesma qualidade de luz, mas em comparação com a luz monocromática, as plantas apresentam maior eficiência fotossintética e crescimento mais vigoroso no ambiente de luz mista.

Os pesquisadores têm feito muitas pesquisas sobre a otimização da combinação da qualidade da luz em mudas de vegetais. Sob a mesma intensidade de luz, com o aumento da proporção de luz vermelha, a altura da planta e o peso fresco das mudas de tomate e pepino melhoraram significativamente, e o tratamento com proporção de vermelho para azul de 3:1 teve o melhor efeito; pelo contrário, uma alta proporção de luz azul inibiu o crescimento de mudas de tomate e pepino, que eram curtas e compactas, mas aumentou o teor de matéria seca e clorofila na parte aérea das mudas. Padrões semelhantes são observados em outras culturas, como pimentão e melancia. Além disso, em comparação com a luz branca, a luz vermelha e azul (R:B=3:1) não só melhorou significativamente a espessura da folha, o teor de clorofila, a eficiência fotossintética e a eficiência de transferência de elétrons das mudas de tomate, mas também os níveis de expressão de enzimas relacionadas. ao ciclo de Calvin, o crescimento do conteúdo vegetariano e o acúmulo de carboidratos também melhoraram significativamente. Comparando as duas proporções de luz vermelha e azul (R:B=2:1, 4:1), uma proporção maior de luz azul foi mais propícia para induzir a formação de flores femininas em mudas de pepino e acelerou o tempo de floração das flores femininas . Embora diferentes proporções de luz vermelha e azul não tenham tido efeito significativo no rendimento de peso fresco de mudas de couve, rúcula e mostarda, uma alta proporção de luz azul (30% de luz azul) reduziu significativamente o comprimento do hipocótilo e a área cotiledonar da couve e mudas de mostarda, enquanto a cor dos cotilédones se aprofundava. Portanto, na produção de mudas, um aumento adequado na proporção de luz azul pode encurtar significativamente o espaçamento dos nós e a área foliar das mudas de hortaliças, promover a extensão lateral das mudas e melhorar o índice de resistência das mudas, o que é propício para cultivo de mudas robustas. Sob a condição de que a intensidade luminosa permanecesse inalterada, o aumento da luz verde nas luzes vermelha e azul melhorou significativamente a massa fresca, a área foliar e a altura das plantas das mudas de pimentão. Em comparação com a lâmpada fluorescente branca tradicional, sob as condições de luz vermelho-verde-azul (R3:G2:B5), o Y[II], qP e ETR das mudas de tomate 'Okagi No. A suplementação de luz UV (100 μmol/(m2•s) luz azul + 7% UV-A) com luz azul pura reduziu significativamente a velocidade de alongamento do caule de rúcula e mostarda, enquanto a suplementação de FR foi o oposto. Isto também mostra que, além da luz vermelha e azul, outras qualidades de luz também desempenham um papel importante no processo de crescimento e desenvolvimento das plantas. Embora nem a luz ultravioleta nem a FR sejam a fonte de energia da fotossíntese, ambas estão envolvidas na fotomorfogênese das plantas. A luz UV de alta intensidade é prejudicial ao DNA e às proteínas das plantas, etc. No entanto, a luz UV ativa respostas ao estresse celular, causando mudanças no crescimento, morfologia e desenvolvimento das plantas para se adaptarem às mudanças ambientais. Estudos demonstraram que menor R/FR induz respostas de evitação de sombra nas plantas, resultando em alterações morfológicas nas plantas, como alongamento do caule, afinamento das folhas e redução da produção de matéria seca. Um caule delgado não é uma boa característica de crescimento para o cultivo de mudas fortes. Para mudas de hortaliças folhosas e frutíferas em geral, mudas firmes, compactas e elásticas não são propensas a problemas durante o transporte e plantio.

O UV-A pode tornar as mudas de pepino mais curtas e compactas, e o rendimento após o transplante não é significativamente diferente daquele do controle; enquanto o UV-B tem um efeito inibitório mais significativo, e o efeito de redução do rendimento após o transplante não é significativo. Estudos anteriores sugeriram que o UV-A inibe o crescimento das plantas e as torna anãs. Mas há evidências crescentes de que a presença de UV-A, em vez de suprimir a biomassa das culturas, na verdade a promove. Comparado com a luz vermelha e branca básica (R:W=2:3, PPFD é 250 μmol/(m2·s)), a intensidade suplementar na luz vermelha e branca é de 10 W/m2 (cerca de 10 μmol/(m2·s) s)) O UV-A da couve aumentou significativamente a biomassa, o comprimento dos entrenós, o diâmetro do caule e a largura da copa das mudas de couve, mas o efeito de promoção foi enfraquecido quando a intensidade de UV excedeu 10 W/m2. A suplementação diária de 2 h de UV-A (0,45 J/(m2•s)) pode aumentar significativamente a altura das plantas, a área dos cotilédones e o peso fresco das mudas de tomate 'Coração de Boi', ao mesmo tempo que reduz o conteúdo de H2O2 das mudas de tomate. Pode-se observar que diferentes culturas respondem de maneira diferente à luz UV, o que pode estar relacionado com a sensibilidade das culturas à luz UV.

Para o cultivo de mudas enxertadas, o comprimento do caule deve ser aumentado adequadamente para facilitar a enxertia do porta-enxerto. Diferentes intensidades de FR tiveram diferentes efeitos no crescimento de mudas de tomate, pimentão, pepino, cabaça e melancia. A suplementação de 18,9 μmol/(m2•s) de FR sob luz branca fria aumentou significativamente o comprimento do hipocótilo e o diâmetro do caule de mudas de tomate e pimentão; A FR de 34,1 μmol/(m2•s) teve o melhor efeito na promoção do comprimento do hipocótilo e diâmetro do caule de mudas de pepino, cabaça e melancia; FR de alta intensidade (53,4 μmol/(m2•s)) teve o melhor efeito nesses cinco vegetais. O comprimento do hipocótilo e o diâmetro do caule das mudas não aumentaram mais significativamente, passando a apresentar tendência decrescente. O peso fresco das mudas de pimenta diminuiu significativamente, indicando que os valores de saturação de FR das cinco mudas de hortaliças foram todos inferiores a 53,4 μmol/(m2•s), e o valor de FR foi significativamente inferior ao de FR. Os efeitos no crescimento de diferentes mudas de hortaliças também são diferentes.

2.2 Efeitos de Diferentes Integrais de Luz Natural na Fotomorfogênese de Mudas de Hortaliças

O Daylight Integral (DLI) representa a quantidade total de fótons fotossintéticos recebidos pela superfície da planta em um dia, que está relacionada à intensidade e ao tempo de luz. A fórmula de cálculo é DLI (mol/m2/dia) = intensidade de luz [μmol/(m2•s)] × Tempo de luz diário (h) × 3600 × 10-6. Em um ambiente com baixa intensidade de luz, as plantas respondem ao ambiente com pouca luz alongando o comprimento do caule e do entrenó, aumentando a altura da planta, o comprimento do pecíolo e a área foliar, e diminuindo a espessura da folha e a taxa fotossintética líquida. Com o aumento da intensidade luminosa, exceto mostarda, o comprimento do hipocótilo e o alongamento do caule das mudas de rúcula, repolho e couve sob a mesma qualidade luminosa diminuíram significativamente. Pode-se observar que o efeito da luz no crescimento e na morfogênese das plantas está relacionado à intensidade luminosa e às espécies vegetais. Com o aumento do DLI (8,64~28,8 mol/m2/dia), o tipo de planta das mudas de pepino tornou-se curto, forte e compacto, e o peso específico da folha e o teor de clorofila diminuíram gradativamente. 6 a 16 dias após a semeadura das mudas de pepino, as folhas e raízes secaram. O peso aumentou gradativamente e a taxa de crescimento acelerou gradativamente, mas 16 a 21 dias após a semeadura, a taxa de crescimento das folhas e raízes das mudas de pepino diminuiu significativamente. O DLI aprimorado promoveu a taxa fotossintética líquida de mudas de pepino, mas após um certo valor, a taxa fotossintética líquida começou a diminuir. Portanto, selecionar o DLI adequado e adotar diferentes estratégias de luz suplementar em diferentes estágios de crescimento das mudas pode reduzir o consumo de energia. O teor de açúcar solúvel e enzima SOD nas mudas de pepino e tomate aumentou com o aumento da intensidade do DLI. Quando a intensidade do DLI aumentou de 7,47 mol/m2/dia para 11,26 mol/m2/dia, o teor de açúcar solúvel e enzima SOD nas mudas de pepino aumentou 81,03% e 55,5%, respectivamente. Nas mesmas condições de DLI, com o aumento da intensidade luminosa e o encurtamento do tempo de luz, a atividade PSII das mudas de tomate e pepino foi inibida, e a escolha de uma estratégia de luz suplementar de baixa intensidade luminosa e longa duração foi mais propícia ao cultivo de mudas altas índice e eficiência fotoquímica de mudas de pepino e tomate.

Na produção de mudas enxertadas, o ambiente com pouca luminosidade pode levar à diminuição da qualidade das mudas enxertadas e ao aumento do tempo de cicatrização. A intensidade de luz adequada pode não apenas aumentar a capacidade de ligação do local de cicatrização enxertado e melhorar o índice de mudas fortes, mas também reduzir a posição dos nós das flores femininas e aumentar o número de flores femininas. Nas fábricas de plantas, o DLI de 2,5-7,5 mol/m2/dia foi suficiente para atender às necessidades de cicatrização das mudas enxertadas de tomate. A compactação e a espessura das folhas das mudas de tomate enxertadas aumentaram significativamente com o aumento da intensidade do DLI. Isso mostra que mudas enxertadas não necessitam de alta intensidade luminosa para cicatrização. Portanto, tendo em conta o consumo de energia e o ambiente de plantação, a escolha de uma intensidade de luz adequada ajudará a melhorar os benefícios económicos.

3. Efeitos do ambiente de luz LED na resistência ao estresse de mudas de hortaliças

As plantas recebem sinais de luz externos através de fotorreceptores, causando a síntese e acúmulo de moléculas sinalizadoras na planta, alterando assim o crescimento e a função dos órgãos da planta e, em última análise, melhorando a resistência da planta ao estresse. Diferentes qualidades de luz têm um certo efeito de promoção na melhoria da tolerância ao frio e ao sal das mudas. Por exemplo, quando as mudas de tomate foram suplementadas com luz durante 4 horas à noite, em comparação com o tratamento sem luz suplementar, a luz branca, a luz vermelha, a luz azul e a luz vermelha e azul poderiam reduzir a permeabilidade eletrolítica e o conteúdo de MDA das mudas de tomate, e melhorar a tolerância ao frio. As atividades de SOD, POD e CAT nas mudas de tomate sob o tratamento de proporção vermelho-azul 8:2 foram significativamente maiores que as dos demais tratamentos, e apresentaram maior capacidade antioxidante e tolerância ao frio.

O efeito do UV-B no crescimento da raiz da soja é principalmente melhorar a resistência da planta ao estresse, aumentando o conteúdo de NO e ROS da raiz, incluindo moléculas de sinalização hormonal, como ABA, SA e JA, e inibir o desenvolvimento da raiz, reduzindo o conteúdo de IAA. , CTK e GA. O fotorreceptor de UV-B, UVR8, não está apenas envolvido na regulação da fotomorfogênese, mas também desempenha um papel fundamental no estresse de UV-B. Nas mudas de tomate, o UVR8 medeia a síntese e o acúmulo de antocianinas, e as mudas de tomate selvagem aclimatadas aos raios UV melhoram sua capacidade de lidar com o estresse UV-B de alta intensidade. No entanto, a adaptação do UV-B ao estresse hídrico induzido por Arabidopsis não depende da via UVR8, o que indica que o UV-B atua como uma resposta cruzada induzida por sinal dos mecanismos de defesa das plantas, de modo que uma variedade de hormônios são conjuntamente envolvido na resistência ao estresse hídrico, aumentando a capacidade de eliminação de ROS.

Tanto o alongamento do hipocótilo ou caule da planta causado pelo FR quanto a adaptação das plantas ao estresse pelo frio são regulados pelos hormônios vegetais. Portanto, o “efeito de evitação da sombra” causado pelo FR está relacionado à adaptação das plantas ao frio. Os experimentadores suplementaram as mudas de cevada 18 dias após a germinação a 15°C por 10 dias, resfriando a 5°C + suplementando FR por 7 dias, e descobriram que, em comparação com o tratamento com luz branca, a FR melhorou a resistência à geada das mudas de cevada. Este processo é acompanhado pelo aumento do teor de ABA e IAA nas mudas de cevada. A transferência subsequente de plântulas de cevada pré-tratadas com FR a 15°C para 5°C e a suplementação contínua com FR durante 7 dias resultaram em resultados semelhantes aos dois tratamentos acima, mas com resposta reduzida de ABA. Plantas com diferentes valores de R:FR controlam a biossíntese de fitohormônios (GA, IAA, CTK e ABA), que também estão envolvidos na tolerância das plantas ao sal. Sob estresse salino, o ambiente de luz R:FR de baixa proporção pode melhorar a capacidade antioxidante e fotossintética das mudas de tomate, reduzir a produção de ROS e MDA nas mudas e melhorar a tolerância ao sal. Tanto o estresse salino quanto o baixo valor R:FR (R:FR=0,8) inibiram a biossíntese da clorofila, o que pode estar relacionado à conversão bloqueada de PBG em UroIII na via de síntese da clorofila, enquanto o ambiente baixo R:FR pode efetivamente aliviar a salinidade Comprometimento da síntese de clorofila induzido pelo estresse. Estes resultados indicam uma correlação significativa entre fitocromos e tolerância ao sal.

Além do ambiente luminoso, outros fatores ambientais também afetam o crescimento e a qualidade das mudas de hortaliças. Por exemplo, o aumento da concentração de CO2 aumentará o valor máximo de saturação de luz Pn (Pnmax), reduzirá o ponto de compensação de luz e melhorará a eficiência de utilização da luz. O aumento da intensidade luminosa e da concentração de CO2 ajuda a melhorar o conteúdo de pigmentos fotossintéticos, a eficiência do uso da água e as atividades das enzimas relacionadas ao ciclo de Calvin e, finalmente, a alcançar maior eficiência fotossintética e acúmulo de biomassa de mudas de tomate. O peso seco e a compactação das mudas de tomate e pimentão correlacionaram-se positivamente com o DLI, e a mudança de temperatura também afetou o crescimento sob o mesmo tratamento DLI. O ambiente de 23~25°C foi mais adequado para o crescimento de mudas de tomate. De acordo com as condições de temperatura e luz, os pesquisadores desenvolveram um método para prever a taxa de crescimento relativo da pimenta com base no modelo de distribuição bate, que pode fornecer orientação científica para a regulação ambiental da produção de mudas enxertadas de pimenta.

Portanto, ao projetar um esquema de regulação de luz na produção, não apenas fatores ambientais de luz e espécies de plantas devem ser considerados, mas também fatores de cultivo e manejo, como nutrição de mudas e manejo de água, ambiente gasoso, temperatura e estágio de crescimento de mudas.

4. Problemas e Perspectivas

Primeiro, a regulação da luz de mudas de hortaliças é um processo sofisticado, e os efeitos de diferentes condições de luz em diferentes tipos de mudas de hortaliças no ambiente da fábrica de plantas precisam ser analisados ​​detalhadamente. Isso significa que para atingir a meta de produção de mudas de alta eficiência e qualidade, é necessária a exploração contínua para estabelecer um sistema técnico maduro.

Em segundo lugar, embora a taxa de utilização de energia da fonte de luz LED seja relativamente alta, o consumo de energia para iluminação de plantas é o principal consumo de energia para o cultivo de mudas com luz artificial. O enorme consumo de energia das fábricas ainda é o gargalo que restringe o desenvolvimento das fábricas.

Finalmente, com a ampla aplicação da iluminação vegetal na agricultura, espera-se que o custo das luzes LED para plantas seja bastante reduzido no futuro; pelo contrário, o aumento dos custos laborais, especialmente na era pós-epidemia, a falta de mão-de-obra deverá promover o processo de mecanização e automatização da produção. No futuro, modelos de controle baseados em inteligência artificial e equipamentos de produção inteligentes se tornarão uma das principais tecnologias para a produção de mudas de vegetais e continuarão a promover o desenvolvimento da tecnologia de mudas em fábricas de plantas.

Autores: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Fonte do artigo: Conta Wechat de Tecnologia de Engenharia Agrícola (horticultura em estufa)