著者：華南農業大学園芸学部のYamin Li、Hocheng Liu 他

記事の出典: 施設園芸

施設園芸施設の種類としては、主にビニールハウス、太陽熱温室、連棟温室、植物工場などがあります。施設の建物が自然光をある程度遮るため、室内光が不足し、作物の収量や品質が低下します。そのため、補助照明は施設の高品質・多収量の農作物を栽培するために不可欠な役割を果たしていますが、同時に施設内のエネルギー消費量や運営コストを増加させる大きな要因となっています。

施設園芸の分野で長年使用されてきた人工光源には、高圧ナトリウムランプ、蛍光灯、メタルハロゲンランプ、白熱灯などが主に使用されてきましたが、発熱量が多く、エネルギー消費量が多く、運転コストが高いという欠点が顕著でした。新世代の発光ダイオード（LED）の開発により、施設園芸分野において低エネルギーの人工光源の利用が可能になりました。LED は、高い光電変換効率、DC 電力、小体積、長寿命、低エネルギー消費、固定波長、低熱放射、環境保護などの利点を持っています。LEDは、現在一般的に使用されている高圧ナトリウムランプや蛍光灯と比較して、植物の成長に合わせて光量と光質（各帯域光の割合）を調整できるだけでなく、近距離から植物を照射することができます。これにより、栽培層数やスペース利用率が向上し、従来の光源では代替できない省エネ、環境保護、スペース効率利用の機能を実現することができる。

これらの利点に基づいて、LED は施設園芸照明、制御可能な環境の基礎研究、植物組織培養、植物工場苗木および航空宇宙エコシステムで成功的に使用されています。近年、LED栽培照明の性能が向上し、価格が下がり、特定の波長を備えたあらゆる種類の製品が徐々に開発されているため、農業や生物学の分野での応用範囲はさらに広がっています。

この記事は、施設園芸分野における LED の研究状況を要約し、光生物学基礎における LED 補助光の応用、植物の光形成、栄養品質と老化遅延の効果に対する LED 成長ライト、構築と応用に焦点を当てます。光の公式、LED補助光技術の現在の問題点と展望の分析と展望。

LED補助光が園芸作物の生育に及ぼす影響

植物の成長と発達に対する光の調節効果には、種子の発芽、茎の伸長、葉と根の発達、光屈性、クロロフィルの合成と分解、花の誘導などがあります。施設内の照明環境要素には、光の強度、光サイクル、スペクトル分布が含まれます。気象条件に制限されることなく、人工光を補充することで要素を調整できます。

現在、植物には少なくとも 3 種類の光受容体が存在します。フィトクロム (赤色光と遠赤色光を吸収)、クリプトクロム (青色光と近紫外光を吸収)、UV-A と UV-B です。特定の波長の光源を使用して作物を照射すると、植物の光合成効率が向上し、光の形態形成が促進され、植物の成長と発達が促進されます。植物の光合成には赤オレンジ光（610～720nm）と青紫光（400～510nm）が使用されました。LED技術を使用すると、クロロフィルの最も強い吸収帯に合わせて単色光（ピーク660nmの赤色光、ピーク450nmの青色光など）を放射でき、スペクトルドメイン幅はわずか±20nmです。

現在、赤オレンジ色の光は植物の発育を著しく促進し、乾物の蓄積、球根、塊茎、葉球、その他の植物器官の形成を促進し、植物の開花と結実を早め、植物の成長を促進すると考えられています。植物の色の強調において主導的な役割を果たします。青と紫の光は、植物の葉の光屈性を制御し、気孔の開口と葉緑体の動きを促進し、茎の伸長を抑制し、植物の伸長を防ぎ、植物の開花を遅らせ、栄養器官の成長を促進します。赤と青の LED を組み合わせると、2 つの単色の光の不足を補い、作物の光合成と形態と基本的に一致するスペクトル吸収ピークを形成できます。光エネルギー利用率は80%～90%に達し、省エネ効果は顕著です。

施設園芸にLED補助照明を装備することで、大幅な生産量の増加を実現できます。研究によると、300 μmol/(m²・s) LED ストリップおよび LED チューブの補助光を 12 時間 (8:00 ～ 20:00) 照射した場合、果実の数、総生産量、および各ミニトマトの重量が大幅に増加することが示されています。増えた。LEDストリップの補助光はそれぞれ42.67%、66.89%、16.97%増加し、LEDチューブの補助光はそれぞれ48.91%、94.86%、30.86%増加しました。LED 栽培照明器具の LED 補助光は、成長期間全体を通じて [赤色光と青色光の比率は 3:2、光強度は 300 μmol/(m²・s)] で、単一果実の品質と収量を大幅に向上させることができます。チファとナスの単位面積あたり。竹泉は５．３％、１５．６％、ナスは７．６％、７．８％それぞれ増加した。LED の光の品質と生長期間全体の強度と持続時間により、植物の成長サイクルを短縮し、農産物の商業収量、栄養品質、形態的価値を向上させることができ、高効率、省エネ、高効率を実現します。施設園芸作物のインテリジェント生産が実現できます。

野菜苗栽培におけるLED補助光の応用

LED光源による植物の形態や成長・発達の制御は、温室栽培の分野において重要な技術です。高等植物は、フィトクロム、クリプトクロム、光受容体などの光受容体システムを介して光信号を感知および受信し、細胞内メッセンジャーを介して形態変化を行い、植物の組織や器官を調節します。光形態形成とは、植物が光に依存して細胞の分化、構造的および機能的変化、さらに組織や器官の形成を制御することを意味します。これには、一部の種子の発芽、頂端優勢の促進、側芽の成長の阻害、茎の伸長への影響が含まれます。 、および指向性。

野菜の苗栽培は施設農業の重要な部分です。雨天が続くと施設内の光量が不足し、苗が徒長しやすくなり、野菜の生育や花芽の分化、果実の発育に影響を及ぼし、収量や品質に影響を及ぼします。生産では、ジベレリン、オーキシン、パクロブトラゾール、クロルメコートなどのいくつかの植物成長調節剤が苗の成長を調節するために使用されます。しかし、植物成長調整剤の無理な使用は野菜や施設の環境を容易に汚染し、人の健康に悪影響を及ぼします。

LED補助光には補助光ならではの多くのメリットがあり、LED補助光を活用した苗の育成も実現可能です。低光量[0～35μmol/(m2・s)]の条件下で行ったLED補助光[25±5μmol/(m2・s)]実験では、緑色光が伸長・成長を促進することが分かりました。キュウリの苗。赤色光と青色光は苗の成長を阻害します。自然の弱い光と比較して、赤色光と青色光を補充した苗の強い苗指数は、それぞれ151.26%と237.98%増加しました。単色光の品質と比較して、複合光補助光処理下の赤と青の成分を含む強い苗の指数は304.46%増加しました。

キュウリの苗に赤色光を加えると、キュウリの苗の本葉の数、葉の面積、草丈、茎の直径、乾燥および新鮮な品質、強力な苗指数、根の活力、SOD活性、および可溶性タンパク質含有量が増加します。UV-B を補充すると、キュウリ苗葉のクロロフィル a、クロロフィル b、カロテノイドの含有量が増加します。自然光と比較して、赤と青の LED 光を追加すると、トマト苗の葉面積、乾物の品質、および強い苗指数を大幅に増加させることができます。LEDの赤色光と緑色光を追加すると、トマト苗の高さと茎の太さが大幅に増加します。LED緑色光補助光処理は、キュウリとトマトの苗のバイオマスを大幅に増加させることができ、緑色光補助光の強度の増加とともに苗の生乾物重量が増加し、トマトの太い茎と強い苗指数が向上します。苗木はすべて緑色の補助光に従います。強度の増加が増加します。LEDの赤色光と青色光の組み合わせにより、ナスの茎の太さ、葉の面積、植物全体の乾燥重量、根とシュートの比率、および強い苗指数を増加させることができます。白色光と比較して、LED赤色光はキャベツ苗のバイオマスを増加させ、キャベツ苗の伸長成長と葉の拡大を促進することができます。LED青色光は、キャベツ苗の厚い成長、乾物蓄積、強い苗指数を促進し、キャベツ苗を矮小化します。上記の結果は、光制御技術で栽培された野菜苗の利点が非常に明白であることを示しています。

LED補助光が果物と野菜の栄養品質に及ぼす影響

果物や野菜に含まれるタンパク質、糖質、有機酸、ビタミンは人間の健康に有益な栄養素材です。光の質は、VC合成と分解酵素の活性を調節することによって植物のVC含有量に影響を与えることができ、また園芸植物のタンパク質代謝と炭水化物の蓄積を調節することができます。赤色光は炭水化物の蓄積を促進し、青色光処理はタンパク質の形成に有益であり、赤色光と青色光を組み合わせると、単色光よりも植物の栄養の質を大幅に向上させることができます。

赤または青の LED 光を追加するとレタスの硝酸塩含有量を減らすことができ、青または緑の LED 光を追加するとレタスの可溶性糖の蓄積を促進でき、赤外 LED 光を追加するとレタスの VC の蓄積が促進されます。その結果、青色光を補充すると、トマトのVC含有量と可溶性タンパク質含有量が改善される可能性があることが示されました。赤い光と赤青の組み合わせ光はトマト果実の糖分と酸の含有量を促進する可能性があり、糖と酸の比率は赤青組み合わせ光の下で最も高かった。赤と青の組み合わせた光は、キュウリ果実のVC含有量を改善する可能性があります。

果物や野菜に含まれるフェノール、フラボノイド、アントシアニンなどの物質は、果物や野菜の色、風味、商品価値に重要な影響を与えるだけでなく、天然の抗酸化活性も持っており、人体のフリーラジカルを効果的に抑制または除去できます。

光を補うために LED 青色光を使用すると、ナスの皮のアントシアニン含有量が 73.6% 大幅に増加します。一方、LED 赤色光と赤色光と青色光の組み合わせを使用すると、フラボノイドと総フェノールの含有量が増加します。青色光は、トマト果実のリコピン、フラボノイド、アントシアニンの蓄積を促進する可能性があります。赤色光と青色光の組み合わせは、アントシアニンの生成をある程度促進しますが、フラボノイドの合成は阻害します。白色光処理と比較して、赤色光処理はレタスの新芽のアントシアニン含有量を大幅に増加させることができますが、青色光処理はアントシアニン含有量が最も低くなります。緑葉、紫葉、赤リーフレタスの総フェノール含有量は、白色光、赤青混合光、青色光処理下では高かったが、赤色光処理下では最も低かった。LED の紫外線やオレンジ色の光を補充するとレタスの葉に含まれるフェノール化合物の含有量が増加し、緑色の光を補充するとアントシアニンの含有量が増加します。したがって、LED グローライトの使用は、施設園芸栽培における果物や野菜の栄養品質を調整する効果的な方法です。

LED補助光による植物の老化防止効果

植物の老化におけるクロロフィル分解、急速なタンパク質損失、および RNA 加水分解は、主に葉の老化として現れます。葉緑体は外部の光環境の変化、特に光の質の変化に非常に敏感です。赤色光、青色光、および赤青混合光は葉緑体の形態形成を促進し、青色光は葉緑体中のデンプン粒子の蓄積を促進し、赤色光と遠赤色光は葉緑体の発達に悪影響を及ぼします。青色光と赤色および青色光の組み合わせは、キュウリ苗葉におけるクロロフィルの合成を促進することができ、赤色光と青色光の組み合わせは、後期における葉のクロロフィル含有量の減衰を遅らせることもできる。この効果は、赤色光の比率が減少し、青色光の比率が増加するとより顕著になります。LEDの赤色と青色の組み合わせ光処理下のキュウリ苗葉のクロロフィル含有量は、蛍光灯制御および単色赤色光と青色光処理下のものよりも有意に高かった。LED ブルーライトは、Wutacai と緑のニンニクの苗のクロロフィル a/b 値を大幅に増加させることができます。

老化中には、サイトカイニン (CTK)、オーキシン (IAA)、アブシジン酸含有量の変化 (ABA) や酵素活性のさまざまな変化が起こります。植物ホルモンの含有量は光環境の影響を受けやすくなります。異なる光の性質は植物ホルモンに対する異なる制御効果をもたらし、光シグナル伝達経路の最初のステップにはサイトカイニンが関与します。

CTK は葉の細胞の拡大を促進し、葉の光合成を促進すると同時に、リボヌクレアーゼ、デオキシリボヌクレアーゼ、プロテアーゼの活性を阻害し、核酸、タンパク質、クロロフィルの分解を遅らせるため、葉の老化を大幅に遅らせることができます。光と CTK 媒介の発達調節の間には相互作用があり、光は内因性サイトカイニン レベルの増加を刺激する可能性があります。植物組織が老化状態にある場合、その内因性サイトカイニン含有量は減少します。

IAA は主に成長が活発な部分に集中しており、老化した組織や器官にはほとんど含まれていません。紫色の光はインドール酢酸オキシダーゼの活性を高める可能性があり、IAA レベルが低いと植物の伸長と成長を阻害する可能性があります。

ABAは主に老化した葉組織、成熟した果実、種子、茎、根、その他の部分で形成されます。赤色光と青色光の組み合わせの下でのキュウリとキャベツのABA含有量は、白色光と青色光の組み合わせよりも低くなります。

ペルオキシダーゼ (POD)、スーパーオキシドジスムターゼ (SOD)、アスコルビン酸ペルオキシダーゼ (APX)、カタラーゼ (CAT) は、植物においてより重要な光関連保護酵素です。植物が老化すると、これらの酵素の活性は急速に低下します。

光の質の違いは、植物の抗酸化酵素の活性に大きな影響を与えます。9 日間の赤色光処理後、アブラナ苗の APX 活性は大幅に増加し、POD 活性は減少しました。赤色光および青色光を15日間照射した後のトマトのPOD活性は、白色光よりもそれぞれ20.9%および11.7%高かった。緑色光で 20 日間処理した後、トマトの POD 活性は最も低く、白色光の 55.4% にすぎませんでした。4時間の青色光を補充すると、実生段階のキュウリの葉の可溶性タンパク質含量、POD、SOD、APX、およびCAT酵素活性が大幅に増加する可能性があります。また、SODとAPXの活性は光が長く続くと徐々に低下します。青色光と赤色光の下での SOD と APX の活性はゆっくりと減少しますが、常に白色光の活性よりも高くなります。赤色光照射により、トマトの葉のペルオキシダーゼ活性とIAAペルオキシダーゼ活性、ナスの葉のIAAペルオキシダーゼ活性が有意に減少しましたが、ナスの葉のペルオキシダーゼ活性は有意に増加しました。したがって、合理的な LED 補助光戦略を採用することで、施設園芸作物の老化を効果的に遅らせ、収量と品質を向上させることができます。

LEDライト式の構築と応用

植物の成長と発育は、光の質とその組成比の違いによって大きく影響されます。光の式には主に、光品質比、光強度、光時間などのいくつかの要素が含まれます。植物が異なれば、光に対する要件も異なり、成長および発育段階も異なるため、栽培作物には光の質、光の強度、および光の補給時間の最適な組み合わせが必要です。

 ◆光のスペクトル比

白色光や単一の赤と青の光と比較して、LEDの赤と青の光の組み合わせは、キュウリやキャベツの苗の成長と発育に総合的な利点があります。

赤色光と青色光の比率が8:2の場合、植物の茎の太さ、草丈、植物の乾燥重量、新鮮重量、強苗指数などが大幅に増加し、葉緑体マトリックスの形成にも有益であり、基底層と同化の出力が重要です。

赤、緑、青の品質を組み合わせた小豆もやしの使用は乾物蓄積に有益であり、緑色光は小豆もやしの乾物蓄積を促進します。赤、緑、青の光の比率が 6:2:1 の場合、成長が最も顕著になります。小豆もやしの苗の野菜の胚軸伸長効果は、赤色光と青色光の比8:1の下で最も良く、赤色光と青色光の比6:3の下で小豆もやしの胚軸伸長は明らかに阻害されたが、可溶性タンパク質は内容は最高でした。

ヘチマ苗の赤色光と青色光の比率が8:1の場合、ヘチマ苗の強苗指数と可溶性糖含有量が最も高くなります。赤光と青光の比率が6:3の光質を使用した場合、ヘチマ苗のクロロフィルa含量、クロロフィルa/b比、および可溶性タンパク質含量が最も高かった。

赤色光と青色光を3:1の比率でセロリに使用すると、セロリの草丈、葉柄の長さ、葉の数、乾物の品質、VC含有量、可溶性タンパク質含有量、可溶性糖含有量の増加を効果的に促進できます。トマト栽培では、LED 青色光の割合を増やすとリコピン、遊離アミノ酸、フラボノイドの生成が促進され、赤色光の割合を増やすと滴定可能な酸の生成が促進されます。レタスの葉に対する赤色光と青色光の比率が8:1の光は、カロテノイドの蓄積に有益であり、効果的に硝酸塩の含有量を減らし、VCの含有量を増加させます。

 ◆光強度

弱い光の下で生育する植物は、強い光の下よりも光阻害を受けやすくなります。トマト苗の正味光合成速度は光強度[50, 150, 200, 300, 450, 550μmol/(m²・s)]の増加とともに増加し、最初は増加し、その後減少する傾向を示し、300μmol/(m²)では·s) 最大値に達します。レタスの草丈,葉面積,水分含量およびVC含量は,150μmol/(m²・s)光強度処理下で有意に増加した。200μmol/(m²・s)の光強度処理下では、新鮮重量、総重量および遊離アミノ酸含有量が有意に増加し、300μmol/(m²・s)の光強度処理下では、葉面積、水分含有量が有意に増加した。 、クロロフィルa、クロロフィルa+b、レタスのカロテノイドはすべて減少しました。暗闇と比較して、LED育成光強度[3、9、15μmol/(m²・s)]の増加に伴い、黒豆もやしのクロロフィルa、クロロフィルb、およびクロロフィルa+bの含有量は大幅に増加した。VC含有量は3μmol/(m2・s)で最も高く、可溶性タンパク質、可溶性糖、およびスクロース含有量は9μmol/(m2・s)で最も高くなります。同じ温度条件下で、光強度[(2~2.5)lx×103 lx、(4~4.5)lx×103 lx、(6~6.5)lx×103 lx]の増加に伴い、ピーマン苗の発芽時期はが短くなると、可溶性糖の含有量は増加しますが、クロロフィルaとカロテノイドの含有量は徐々に減少します。

 ◆ライトタイム

光時間を適切に延長することにより、光量不足による低光ストレスがある程度緩和され、園芸作物の光合成産物の蓄積が促進され、収量増加や品質向上の効果が得られます。新芽のVC含有量は、光時間(0、4、8、12、16、20時間/日)の延長に伴って徐々に増加する傾向を示したが、遊離アミノ酸含有量、SODおよびCAT活性はすべて減少傾向を示した。明時間の延長(12,15,18h)に伴い,ハクサイ植物の生重は有意に増加した。ハクサイの葉と茎のVC含量は,それぞれ15時間と12時間で最も高かった。ハクサイの葉の可溶性タンパク質含有量は徐々に減少しましたが、茎は15時間後に最も高くなりました。白菜の葉の可溶性糖含量は徐々に増加し、茎では12時間で最も高かった。赤色光と青色光の比率が 1:2 の場合、12 時間の光照射時間と比較して、20 時間の光処理ではグリーンリーフレタスの総フェノールとフラボノイドの相対含有量が減少しますが、赤色光と青色光の比率が 2:1 の場合、 20時間の光処理により、グリーンリーフレタス中の総フェノールとフラボノイドの相対含有量が大幅に増加しました。

上記のことから、異なる光の式は、異なる作物の種類の光合成、光形態形成、炭素と窒素の代謝に異なる影響を与えることがわかります。最適な光の配合、光源の構成、およびインテリジェントな制御戦略の策定を行うには、出発点として植物種が必要であり、園芸作物の商品ニーズ、生産目標、生産要素などに応じて適切な調整を行う必要があります。光環境をインテリジェントに制御し、省エネ条件下で高品質・高収量の園芸作物を生産するという目標を達成します。

既存の問題点と展望

LED 育成ライトの大きな利点は、さまざまな植物の光合成特性、形態、品質、収量の需要スペクトルに応じてインテリジェントに組み合わせを調整できることです。作物の種類や同じ作物の成長期間が異なれば、光の質、光の強さ、光周期に対する要件も異なります。これには、光フォーミュラの研究をさらに発展させ、改善して巨大な光フォーミュラデータベースを形成する必要があります。プロ仕様のランプの研究開発と組み合わせることで、農業用途における LED 補助照明の最大の価値を実現し、エネルギーの節約、生産効率の向上、経済的利益を向上させることができます。施設園芸におけるLEDグローライトの活用は盛んに行われていますが、LED照明器具や装置の価格は比較的高く、一度の投資額も高額です。異なる環境条件下でのさまざまな作物の補助光の要件は明確ではなく、補助光のスペクトル、不当な強度と成長光の時間は、必然的に成長照明業界の適用においてさまざまな問題を引き起こします。

しかし、技術の進歩と向上、LEDグローライトの生産コストの削減により、LED補助照明は施設園芸においてさらに広く使用されるでしょう。同時に、LED補助光技術システムの開発と進歩と新エネルギーの組み合わせにより、施設農業、家族農業、都市農業、宇宙農業の急速な発展が可能となり、特殊な環境における園芸作物に対する人々の需要を満たすことができる。