要約: 野菜の苗は野菜生産の最初のステップであり、苗の品質は植え付け後の野菜の収量と品質に非常に重要です。野菜産業の分業が継続的に改良されるにつれ、野菜苗は徐々に独立した産業チェーンを形成し、野菜生産に貢献してきました。悪天候の影響を受ける従来の育苗法では、苗の成長が遅い、脚が長く伸びる、害虫や病気が発生するなど、必然的に多くの課題に直面します。脚の長い苗に対処するために、多くの商業栽培者は成長調整剤を使用しています。しかし、成長調整剤の使用には苗の硬さ、食品の安全性、環境汚染のリスクがあります。化学的制御方法に加えて、機械的刺激、温度、および水の制御も苗の脚の伸びを防ぐ役割を果たすことができますが、それらは利便性と効果が若干劣ります。新型コロナウイルス感染症の世界的な流行の影響を受け、種苗業界では人手不足や人件費の高騰による生産管理の困難が問題となっている。

照明技術の発展により、野菜の育苗に人工光を使用することは、育苗効率が高く、害虫や病気が少なく、標準化が容易であるという利点があります。従来の光源と比較して、新世代の LED 光源は、省エネ、高効率、長寿命、環境保護と耐久性、小型、低熱放射、および小さな波長振幅という特徴を備えています。植物工場の環境における苗の成長と発育のニーズに応じて適切なスペクトルを定式化し、苗の生理学的および代謝プロセスを正確に制御すると同時に、無公害で標準化された野菜苗の迅速な生産に貢献します。 、苗のサイクルが短くなります。中国南部では、ピーマンやトマトの苗（本葉3～4枚）をビニールハウスで栽培するのに約60日、キュウリの苗（本葉3～5枚）は約35日かかります。植物工場の条件下では、日長20時間、PPF200～300μmol/(m2・s)の条件下で、トマトの苗の栽培にはわずか17日、ピーマンの苗の栽培には25日しかかかりません。従来の温室苗栽培法と比較して、LED植物工場苗木栽培法を採用すると、キュウリの成長サイクルが15～30日と大幅に短縮され、1株当たりの雌花と雌果実の数が33.8％、37.3％増加した。 、それぞれ、最高の利回りは 71.44% 増加しました。

エネルギー利用効率の点では、同緯度のフェンロー型温室よりも植物工場の方がエネルギー利用効率が高い。たとえば、スウェーデンの植物工場では、乾燥物 1 kg のレタスを生産するのに 1,411 MJ が必要ですが、温室では 1,699 MJ が必要です。しかし、レタス乾物1kgあたりに必要な電力を計算すると、植物工場では乾燥重量1kgのレタスを生産するのに247kW・hが必要となり、スウェーデン、オランダ、アラブ首長国連邦の温室では182kW・hが必要となる。それぞれh、70kW・h、111kW・h。

一方、植物工場では、コンピュータや自動装置、人工知能などの技術を活用することにより、苗の栽培に適した環境条件を正確に制御し、自然環境条件の制限を取り除き、知能化、苗生産の機械化と年間安定生産。近年、日本、韓国、欧米などで葉物野菜、果菜類、その他の経済作物の商業生産に植物工場苗が利用されています。植物工場の高額な初期投資、高額な運営コスト、膨大なシステムエネルギー消費が依然として中国の植物工場における苗栽培技術の普及を制限するボトルネックとなっている。したがって、経済的利益を向上させるためには、照明管理戦略、野菜生育モデルの確立、および自動化装置の観点から、高収量と省エネルギーの要件を考慮する必要があります。

本稿では、植物工場における野菜苗の光制御の研究方向を展望しながら、近年の植物工場におけるLED光環境が野菜苗の成長・発育に及ぼす影響を概観する。

1. 光環境が野菜苗の成長・発育に及ぼす影響

植物の成長と発達に不​​可欠な環境要因の 1 つである光は、植物が光合成を行うためのエネルギー源であるだけでなく、植物の光形態形成に影響を与える重要な信号でもあります。植物は光信号システムを通じて信号の方向、エネルギー、光の質を感知し、自らの成長と発達を調節し、光の有無、波長、強度、持続時間に反応します。現在知られている植物の光受容体には、赤色および遠赤色光（FR）を感知するフィトクロム（PHYA〜PHYE）、青色および紫外線Aを感知するクリプトクロム（CRY1およびCRY2）、および要素（Phot1およびPhot2）という少なくとも3つのクラスが含まれています。 UV-Bを感知するUV-B受容体UVR8。これらの光受容体は、関連遺伝子の発現に関与してその発現を制御し、植物種子の発芽、光形態形成、開花時期、二次代謝産物の合成と蓄積、生物的および非生物的ストレスに対する耐性などの生命活動を制御します。

2. LED光環境が野菜苗の光形態的確立に及ぼす影響

2.1 光質の違いが野菜苗の光形態形成に及ぼす影響

スペクトルの赤と青の領域は、植物の葉の光合成において高い量子効率を持っています。しかし、純粋な赤色光にキュウリの葉を長期間曝露すると光化学系が損傷し、その結果、気孔反応の阻害、光合成能力と窒素利用効率の低下、成長遅延などの「赤色光症候群」現象が引き起こされます。低い光強度(100±5μmol/(m2・s))の条件下では、純粋な赤色光はキュウリの若い葉と成熟した葉の両方の葉緑体を損傷する可能性がありますが、損傷した葉緑体は純粋な赤色光から変化した後に回復しました。赤と青の光に変換します (R:B= 7:3)。逆に、キュウリが赤青光環境から純粋な赤色光環境に切り替わったとき、光合成効率は大幅に低下せず、赤色光環境への適応性を示しました。「赤色光症候群」を患っているキュウリの苗の葉の構造を電子顕微鏡で分析した結果、実験者らは、純粋な赤色光の下での葉に比べて、葉緑体の数、デンプン粒のサイズ、グラナの厚さが著しく低いことを発見した。白色光治療。青色光の介入により、キュウリ葉緑体の超微細構造と光合成特性が改善され、栄養素の過剰な蓄積が排除されます。白色光、赤色および青色光と比較して、純粋な赤色光はトマト苗の胚軸伸長と子葉の拡大を促進し、草丈と葉面積を大幅に増加させましたが、光合成能力は大幅に低下し、ルビスコ含有量と光化学効率が低下し、熱放散が大幅に増加しました。同じ光質でも植物の種類によって反応が異なることがわかりますが、単色光に比べて混合光環境では植物の光合成効率が高く、より活発に成長します。

研究者は、野菜苗の光品質の組み合わせの最適化について多くの研究を行ってきました。同じ光強度下では、赤色光の比率が増加するにつれて、トマトとキュウリの苗の草丈と新鮮重量が大幅に改善され、赤色と青色の比率が3:1の処理が最も効果的でした。逆に、青色光の割合が高いと、短くてコンパクトなトマトやキュウリの苗の成長が阻害されますが、苗条の乾物とクロロフィルの含有量が増加します。同様のパターンは、ピーマンやスイカなどの他の作物でも観察されます。さらに、白色光と比較して、赤色光と青色光（R:B=3:1）は、トマト苗の葉の厚さ、クロロフィル含量、光合成効率、電子伝達効率を大幅に向上させるだけでなく、トマト関連酵素の発現レベルも大幅に向上させました。カルビン回路に合わせて、成長のベジタリアンコンテンツと炭水化物の蓄積も大幅に改善されました。赤色光と青色光の2つの比率(R:B=2:1、4:1)を比較すると、青色光の比率が高いほどキュウリ苗の雌花の形成が促進され、雌花の開花時期が早まりました。 。赤色光と青色光の比率が異なっていても、ケール、ルッコラ、マスタードの苗の生重量収量には大きな影響はありませんでしたが、青色光の比率が高い（青色光30％）と、ケールの胚軸の長さと子葉の面積が大幅に減少しました。とカラシ苗、子葉の色が濃くなってきました。したがって、苗の生産において、青色光の割合を適切に増加させると、野菜苗の節間と葉面積を大幅に短縮し、苗の横方向の伸張を促進し、苗の強度指数を向上させることができ、これは野菜苗の成長に役立ちます。丈夫な苗を育てます。光強度が変わらない条件下で、赤と青の光のうち緑の光が増加すると、ピーマン苗の生重、葉面積、草丈が大幅に改善されました。従来の白色蛍光灯と比較して、赤緑青(R3:G2:B5)の光条件下で、「岡城1号トマト」苗のY[II]、qP、ETRが大幅に向上した。純粋な青色光に UV 光 (100 μmol/(m2・s) 青色光 + 7% UV-A) を補充すると、ルッコラとマスタードの茎の伸長速度が大幅に低下しましたが、FR の補充はその逆でした。これは、赤色光と青色光に加えて、他の光の性質も植物の成長と発達の過程で重要な役割を果たしていることも示しています。紫外線もFRも光合成のエネルギー源ではありませんが、両方とも植物の光形態形成に関与しています。高強度の紫外線は植物のDNAやタンパク質などに有害ですが、紫外線は細胞のストレス反応を活性化し、環境の変化に適応するために植物の成長、形態、発育に変化を引き起こします。研究では、R/FRが低いと植物の日陰回避反応が誘発され、その結果、茎の伸長、葉の薄化、乾物収量の減少などの植物の形態学的変化が生じることが示されています。細い茎は強い苗を育てるのに良い成長形質ではありません。一般的な葉物野菜や果菜類の苗は、しっかりとコンパクトで弾力のある苗が輸送や定植時にトラブルになりにくいです。

UV-A はキュウリ苗木をより短く、よりコンパクトにすることができ、移植後の収量は対照と大きく変わりません。一方、UV-B はより顕著な抑制効果があり、移植後の収量減少効果は顕著ではありません。これまでの研究では、UV-A が植物の成長を阻害し、植物を矮小化させることが示唆されています。しかし、UV-A の存在が作物バイオマスを抑制するのではなく、実際にそれを促進するという証拠が増えています。基本的な赤と白の光（R:W=2：3、PPFDは250μmol/(m2・s)）と比較して、赤と白の光の補助強度は10 W/m2（約10μmol/（m2・s））です。 s)) ケールの UV-A は、ケール苗のバイオマス、節間長、茎の直径、および樹冠の幅を大幅に増加させましたが、UV 強度が 10 W/m2 を超えると促進効果は弱まりました。毎日 2 時間の UV-A 補給 (0.45 J/(m2・s)) は、トマト苗の H2O2 含有量を減少させながら、「オックスハート」トマト苗の草丈、子葉面積、生重を大幅に増加させる可能性があります。作物が異なれば紫外線に対する反応も異なることがわかり、これは作物の紫外線に対する感受性に関係している可能性があります。

接ぎ木苗を栽培する場合は、台木の接木を容易にするために茎の長さを適度に長くする必要があります。FR の強度が異なると、トマト、ピーマン、キュウリ、ヒョウタン、スイカの苗の成長に異なる影響がありました。冷白色光下で 18.9 μmol/(m2・s) の FR を補給すると、トマトとピーマンの苗の胚軸の長さと茎の直径が大幅に増加しました。34.1 μmol/(m2・s) の FR は、キュウリ、ウリ、スイカの苗の胚軸の長さと茎の直径の促進に最も効果がありました。高強度 FR (53.4 μmol/(m2・s)) は、これら 5 つの野菜に対して最も効果がありました。実生苗の胚軸長および茎直径は顕著な増加を示さなくなり、減少傾向を示し始めた。ピーマン苗の生重量は大幅に減少し、5 つの野菜苗の FR 飽和値がすべて 53.4 μmol/(m2・s) より低く、FR 値が FR よりも有意に低いことが示されました。野菜苗の成長に対する影響も異なります。

2.2 野菜苗の光形態形成に対する異なる日光積分の影響

昼光積分 (DLI) は、1 日に植物の表面が受け取る光合成光子の総量を表し、光の強度と光の時間に関連します。計算式は、DLI（mol/m2/day）＝光強度[μmol/(m2・s)]×日照時間（h）×3600×10-6となります。光強度が低い環境では、植物は茎と節間の長さを伸ばし、草丈、葉柄の長さと葉の面積を増加させ、葉の厚さと正味の光合成速度を減少させることによって、低光環境に応答します。光強度の増加に伴い、マスタードを除いて、同じ光品質下でのルッコラ、キャベツおよびケールの苗の胚軸の長さと茎の伸びは大幅に減少した。植物の成長と形態形成に対する光の影響は、光の強度と植物の種類に関連していることがわかります。DLI(8.64~28.8mol/m2/日)の増加に伴い,キュウリ苗の植物型は短く,強く,コンパクトになり,比葉重とクロロフィル含量は徐々に減少した。キュウリの苗は播種後6～16日で葉も根も枯れてしまいます。重量は徐々に増加し、成長速度は徐々に加速しましたが、播種後 16 ～ 21 日後には、キュウリ苗の葉と根の成長速度が著しく低下しました。強化された DLI はキュウリ苗の正味光合成速度を促進しましたが、ある値を超えると正味光合成速度は低下し始めました。したがって、適切な DLI を選択し、苗木のさまざまな成長段階でさまざまな補助光戦略を採用することで、消費電力を削減できます。キュウリとトマトの苗における可溶性糖とSOD酵素の含有量は,DLI強度の増加とともに増加した。DLI強度が7.47mol/m2/日から11.26mol/m2/日まで増加すると、キュウリ苗中の可溶性糖とSOD酵素の含有量はそれぞれ81.03%と55.5%増加した。同じDLI条件下では、光強度の増加と光時間の短縮に伴い、トマトとキュウリの苗のPSII活性は阻害され、低光強度と長時間の補助光戦略を選択することが、高苗の栽培にさらに貢献した。キュウリとトマトの苗の指数と光化学効率。

接ぎ木苗の生産において、低照度環境は接ぎ木苗の品質の低下や治癒時間の増加につながる可能性があります。適切な光強度は、接ぎ木治癒部位の結合能力を高め、強い苗の指数を向上させるだけでなく、雌花の節の位置を減らし、雌花の数を増やすこともできます。植物工場では、2.5～7.5 mol/m2/日の DLI でトマト接木苗の治癒ニーズを満たすのに十分でした。接ぎ木したトマト苗の緻密さと葉の厚さは、DLI強度の増加とともに大幅に増加しました。これは、接ぎ木された苗木が治癒するために高い光強度を必要としないことを示しています。したがって、消費電力量や植栽環境を考慮して、適切な光量を選択することで経済効果が向上します。

3. LED光環境が野菜苗のストレス耐性に及ぼす影響

植物は光受容体を介して外部の光信号を受け取り、植物内で信号分子の合成と蓄積を引き起こし、それによって植物器官の成長と機能を変化させ、最終的には植物のストレスに対する耐性を向上させます。光の質の違いは、苗の耐寒性と耐塩性の向上に一定の促進効果をもたらします。たとえば、トマトの苗に夜間4時間光を補充した場合、追加の光なしの処理と比較して、白色光、赤色光、青色光、および赤色光と青色光によりトマト苗の電解質透過性とMDA含有量が低下する可能性があります。そして耐寒性も向上します。赤青比8:2の処理下のトマト苗におけるSOD、PODおよびCATの活性は、他の処理よりも有意に高く、抗酸化能力と耐寒性がより高かった。

ダイズの根の成長に対する UV-B の効果は、主に、ABA、SA、JA などのホルモンシグナル伝達分子を含む根の NO と ROS の含有量を増加させることによって植物のストレス耐性を改善し、IAA の含有量を減少させることによって根の発達を阻害することです。 、CTK、GA。UV-B の光受容体である UVR8 は、光形態形成の制御に関与しているだけでなく、UV-B ストレスにおいても重要な役割を果たしています。トマトの苗木では、UVR8 がアントシアニンの合成と蓄積を媒介し、UV に順応した野生トマトの苗木は、高強度の UV-B ストレスに対処する能力を向上させます。しかし、シロイヌナズナによって誘発される干ばつストレスに対する UV-B の適応は UVR8 経路には依存せず、これは UV-B が植物防御機構のシグナル誘発交差応答として作用することを示しており、そのためさまざまなホルモンが共同して作用する。乾燥ストレスへの抵抗に関与し、ROS 除去能力を高めます。

FRによって引き起こされる植物の胚軸または茎の伸長と、寒冷ストレスに対する植物の適応は両方とも植物ホルモンによって調節されます。したがって、FRによる「日陰回避効果」は植物の寒冷適応と関係がある。実験者らは、発芽から18日後の大麦苗を15℃で10日間補充し、5℃に冷却+FRを7日間補充したところ、白色光処理と比較して、FRが大麦苗の耐霜性を強化することを発見した。このプロセスには、大麦苗中の ABA および IAA 含有量の増加が伴います。その後、15℃でFR前処理した大麦苗を5℃に移し、7日間FR補給を継続すると、上記の2つの処理と同様の結果が得られましたが、ABA反応は低下しました。異なるR:FR値を持つ植物は、植物の耐塩性にも関与する植物ホルモン（GA、IAA、CTK、ABA）の生合成を制御します。塩分ストレス下では、R:FR 比の低い光環境はトマト苗の抗酸化能力と光合成能力を向上させ、苗中の ROS と MDA の生成を減少させ、耐塩性を向上させることができます。塩分ストレスと低い R:FR 値 (R:FR=0.8) の両方がクロロフィルの生合成を阻害しました。これは、クロロフィル合成経路における PBG から UroIII への変換のブロックに関連している可能性がありますが、低 R:FR 環境はクロロフィルの生合成を効果的に緩和できます。塩分 ストレスによるクロロフィル合成の障害。これらの結果は、フィトクロムと耐塩性との間に有意な相関があることを示しています。

光環境に加えて、他の環境要因も野菜苗の成長と品質に影響を与えます。例えば、ＣＯ２濃度が増加すると、光飽和最大値Ｐｎ（Ｐｎｍａｘ）が増加し、光補償点が減少し、光利用効率が向上する。光強度とCO2濃度の増加により、光合成色素の含有量、水の利用効率、カルビン回路に関連する酵素の活性が向上し、最終的にトマト苗のより高い光合成効率とバイオマス蓄積が達成されます。トマトとピーマンの苗の乾燥重量とコンパクトさは DLI と正の相関があり、温度の変化も同じ DLI 処理下での成長に影響を与えました。23～25℃の環境がトマト苗の生育に適していました。研究者らは、温度と光の条件に応じて、ペッパーの接木苗生産の環境規制に科学的な指針を提供できるベイト分布モデルに基づいてペッパーの相対的な成長速度を予測する方法を開発した。

したがって、生産における光制御スキームを設計する際には、光環境要因や植物種だけでなく、苗の栄養と水の管理、ガス環境、温度、苗の成長段階などの栽培および管理要因も考慮する必要があります。

4. 課題と展望

まず、野菜苗の光制御は高度なプロセスであり、植物工場環境におけるさまざまな種類の野菜苗に対するさまざまな光条件の影響を詳細に分析する必要があります。このことは、高効率で高品質な種苗生産という目標を達成するには、成熟した技術体系を確立するための継続的な探求が必要であることを意味します。

第二に、LED光源の電力利用率は比較的高いものの、人工光を利用した苗の栽培では、植物照明の電力消費が主なエネルギー消費となります。植物工場の莫大なエネルギー消費は依然として植物工場の開発を制限するボトルネックとなっています。

最後に、農業における植物照明の幅広い用途により、LED 植物照明のコストは将来的に大幅に削減されると予想されます。それどころか、人件費の上昇、特に感染症流行後の時代における労働力不足により、生産の機械化と自動化のプロセスが促進されることは必至です。将来的には、人工知能ベースの制御モデルとインテリジェント生産装置が野菜苗生産の中核技術の1つとなり、植物工場苗技術の開発が引き続き推進されます。

著者: Jiehui Tan、Hocheng Liu
記事の出典：農業工学技術（施設園芸）のWechatアカウント