Zusammenfassung: Gemüsepflanzen bilden den ersten Schritt in der Gemüseproduktion, und ihre Qualität ist entscheidend für Ertrag und Qualität des späteren Gemüses. Mit der fortschreitenden Arbeitsteilung in der Gemüsebranche hat sich die Anzucht von Gemüsepflanzen zu einer eigenständigen Wertschöpfungskette entwickelt, die die Gemüseproduktion maßgeblich unterstützt. Witterungseinflüsse beeinträchtigen traditionelle Anzuchtmethoden und führen unweigerlich zu Problemen wie langsamem Wachstum, Verkümmerung und Schädlings- und Krankheitsbefall. Um Verkümmerung zu bekämpfen, setzen viele kommerzielle Anbauer Wachstumsregulatoren ein. Deren Einsatz birgt jedoch Risiken wie Verkümmerung der Pflanzen, Gefährdung der Lebensmittelsicherheit und Umweltbelastung. Neben chemischen Bekämpfungsmethoden können auch mechanische Stimulation sowie Temperatur- und Wasserkontrolle Verkümmerung verhindern, sind jedoch weniger praktikabel und effektiv. Die COVID-19-Pandemie hat die Probleme der Produktionsplanung in der Anzuchtbranche aufgrund von Arbeitskräftemangel und steigenden Lohnkosten weiter verschärft.

Mit der Weiterentwicklung der Beleuchtungstechnik bietet die künstliche Beleuchtung von Gemüsepflanzen Vorteile wie hohe Anzuchteffizienz, weniger Schädlinge und Krankheiten sowie einfache Standardisierung. Im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen zeichnen sich LED-Lichtquellen der neuen Generation durch Energieeinsparung, hohe Effizienz, lange Lebensdauer, Umweltverträglichkeit, geringe Größe, niedrige Wärmestrahlung und geringe Wellenlängenamplitude aus. Sie ermöglichen die Erstellung eines optimalen Lichtspektrums entsprechend den Wachstums- und Entwicklungsbedürfnissen der Pflanzen in Gewächshäusern und die präzise Steuerung ihrer physiologischen und metabolischen Prozesse. Dies trägt zu einer schadstofffreien, standardisierten und schnellen Produktion von Gemüsepflanzen bei und verkürzt den Anzuchtzyklus. In Südchina dauert die Anzucht von Paprika- und Tomatenpflanzen (3–4 Laubblätter) in Kunststoffgewächshäusern etwa 60 Tage, die von Gurkenpflanzen (3–5 Laubblätter) etwa 35 Tage. Unter den Bedingungen einer Pflanzenfabrik benötigen Tomatensämlinge nur 17 Tage und Paprikasämlinge 25 Tage, um bei einer Photoperiode von 20 Stunden und einer PPF von 200–300 μmol/(m²·s) heranzuwachsen. Verglichen mit der herkömmlichen Anzucht im Gewächshaus verkürzte die LED-Pflanzenfabrik-Methode den Wachstumszyklus von Gurken signifikant um 15–30 Tage. Die Anzahl weiblicher Blüten und Früchte pro Pflanze stieg um 33,8 % bzw. 37,3 %, und der maximale Ertrag erhöhte sich um 71,44 %.

Hinsichtlich der Energieeffizienz weisen Pflanzenfabriken eine höhere Effizienz auf als Gewächshäuser des Typs Venlo auf demselben Breitengrad. Beispielsweise werden in einer schwedischen Pflanzenfabrik 1411 MJ benötigt, um 1 kg Trockenmasse Salat zu produzieren, während in einem Gewächshaus 1699 MJ erforderlich sind. Berechnet man jedoch den Stromverbrauch pro Kilogramm Salat-Trockenmasse, benötigt die Pflanzenfabrik 247 kWh, um 1 kg Salat-Trockenmasse zu produzieren, während die Gewächshäuser in Schweden, den Niederlanden und den Vereinigten Arabischen Emiraten 182 kWh, 70 kWh bzw. 111 kWh benötigen.

Gleichzeitig ermöglicht der Einsatz von Computern, Automatisierungstechnik, künstlicher Intelligenz und anderen Technologien in Pflanzenfabriken die präzise Steuerung optimaler Umweltbedingungen für die Anzucht von Setzlingen. So werden die Einschränkungen natürlicher Umweltbedingungen überwunden und eine intelligente, mechanisierte und ganzjährig stabile Setzlingsproduktion realisiert. In den letzten Jahren wurden Setzlinge aus Pflanzenfabriken in Japan, Südkorea, Europa, den USA und anderen Ländern für die kommerzielle Produktion von Blattgemüse, Fruchtgemüse und anderen Nutzpflanzen eingesetzt. Die hohen Anfangsinvestitionen, die hohen Betriebskosten und der enorme Energieverbrauch der Systeme stellen jedoch weiterhin Hürden für die Verbreitung der Setzlingsanzuchttechnologie in chinesischen Pflanzenfabriken dar. Daher ist es notwendig, bei der Lichtsteuerung, der Entwicklung von Modellen für das Pflanzenwachstum und der Automatisierungstechnik die Anforderungen an hohe Erträge und Energieeinsparung zu berücksichtigen, um die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.

In diesem Artikel wird der Einfluss der LED-Lichtumgebung auf das Wachstum und die Entwicklung von Gemüsepflanzen in Pflanzenfabriken in den letzten Jahren untersucht und ein Ausblick auf die zukünftige Forschungsrichtung der Lichtregulierung von Gemüsepflanzen in Pflanzenfabriken gegeben.

1. Auswirkungen der Lichtverhältnisse auf Wachstum und Entwicklung von Gemüsesetzlingen

Als einer der wichtigsten Umweltfaktoren für Pflanzenwachstum und -entwicklung ist Licht nicht nur Energiequelle für die Photosynthese, sondern auch ein Schlüsselsignal für die Photomorphogenese. Pflanzen erfassen Richtung, Energie und Lichtqualität über ihr Lichtsignalsystem, regulieren ihr Wachstum und ihre Entwicklung und reagieren auf Lichteinfall, Wellenlänge, Intensität und Dauer. Zu den derzeit bekannten pflanzlichen Photorezeptoren gehören mindestens drei Klassen: Phytochromen (PHYA–PHYE), die rotes und dunkelrotes Licht (FR) wahrnehmen, Cryptochromen (CRY1 und CRY2), die blaues und ultraviolettes A-Licht (UVA) detektieren, sowie Elements (Phot1 und Phot2) und der UVB-Rezeptor UVR8. Diese Photorezeptoren sind an der Expression entsprechender Gene beteiligt und regulieren diese. Dadurch steuern sie Lebensvorgänge wie die Keimung von Pflanzensamen, die Photomorphogenese, den Blühzeitpunkt, die Synthese und Akkumulation sekundärer Pflanzenstoffe sowie die Toleranz gegenüber biotischem und abiotischem Stress.

2. Einfluss der LED-Lichtumgebung auf die photomorphologische Entwicklung von Gemüsesetzlingen

2.1 Auswirkungen unterschiedlicher Lichtqualität auf die Photomorphogenese von Gemüsesetzlingen

Die roten und blauen Spektralbereiche weisen hohe Quantenausbeuten für die Photosynthese von Pflanzenblättern auf. Langfristige Exposition von Gurkenblättern gegenüber reinem Rotlicht schädigt jedoch das Photosystem und führt zum sogenannten „Rotlichtsyndrom“. Dieses äußert sich unter anderem in einer verminderten Stomataöffnung, einer reduzierten Photosynthesekapazität und Stickstoffnutzungseffizienz sowie Wachstumsverzögerungen. Bei geringer Lichtintensität (100 ± 5 μmol/(m²·s)) kann reines Rotlicht die Chloroplasten sowohl junger als auch reifer Gurkenblätter schädigen. Die geschädigten Chloroplasten erholten sich jedoch nach einem Wechsel von reinem Rotlicht zu Rot-Blaulicht (R:B = 7:3). Im Gegensatz dazu sank die Photosyntheseeffizienz der Gurkenpflanzen nicht signifikant, als sie von Rot-Blaulicht auf reines Rotlicht umgestellt wurden. Dies zeigt ihre Anpassungsfähigkeit an das Rotlicht. Mithilfe von Elektronenmikroskopie der Blattstruktur von Gurkenkeimlingen mit „Rotlichtsyndrom“ stellten die Forscher fest, dass die Anzahl der Chloroplasten, die Größe der Stärkekörner und die Dicke der Grana in Blättern unter reinem Rotlicht signifikant geringer waren als unter Weißlicht. Die Zugabe von Blaulicht verbesserte die Ultrastruktur und die photosynthetischen Eigenschaften der Gurkenchloroplasten und verhinderte die übermäßige Nährstoffansammlung. Im Vergleich zu Weißlicht sowie Rot- und Blaulicht förderte reines Rotlicht das Hypokotylwachstum und die Keimblattentwicklung von Tomatenkeimlingen, erhöhte signifikant die Pflanzenhöhe und die Blattfläche, verringerte jedoch signifikant die photosynthetische Kapazität, reduzierte den Rubisco-Gehalt und die photochemische Effizienz und erhöhte signifikant die Wärmeabgabe. Es zeigt sich, dass verschiedene Pflanzenarten unterschiedlich auf dieselbe Lichtqualität reagieren. Im Vergleich zu monochromatischem Licht weisen Pflanzen jedoch in einer Umgebung mit gemischtem Licht eine höhere Photosyntheseeffizienz und ein kräftigeres Wachstum auf.

Forscher haben umfangreiche Studien zur Optimierung der Lichtqualität für Gemüsepflanzen durchgeführt. Bei gleicher Lichtintensität verbesserte sich mit steigendem Rotlichtanteil die Pflanzenhöhe und das Frischgewicht von Tomaten- und Gurkenpflanzen signifikant. Die Behandlung mit einem Rot-Blau-Verhältnis von 3:1 zeigte die besten Ergebnisse. Im Gegensatz dazu hemmte ein hoher Blaulichtanteil das Wachstum der Pflanzen, die dadurch klein und kompakt blieben, erhöhte aber den Trockenmasse- und Chlorophyllgehalt in den oberirdischen Pflanzenteilen. Ähnliche Ergebnisse wurden auch bei anderen Nutzpflanzen wie Paprika und Wassermelonen beobachtet. Darüber hinaus verbesserte Rot-Blau-Licht (R:B = 3:1) im Vergleich zu Weißlicht nicht nur die Blattdicke, den Chlorophyllgehalt, die Photosynthese- und Elektronentransfereffizienz von Tomatenpflanzen signifikant, sondern auch die Expression von Enzymen des Calvin-Zyklus, den Pflanzenwachstumsanteil und die Kohlenhydratakkumulation. Beim Vergleich der beiden Rot-Blau-Verhältnisse (R:B = 2:1, 4:1) erwies sich ein höherer Blauanteil als förderlicher für die Bildung weiblicher Blüten bei Gurkenkeimlingen und beschleunigte deren Blütezeit. Obwohl unterschiedliche Rot-Blau-Verhältnisse keinen signifikanten Einfluss auf den Frischgewichtsertrag von Grünkohl-, Rucola- und Senfkeimlingen hatten, reduzierte ein hoher Blauanteil (30 %) signifikant die Hypokotyllänge und die Keimblattfläche von Grünkohl- und Senfkeimlingen, während sich die Keimblattfarbe vertiefte. Daher kann eine angemessene Erhöhung des Blauanteils in der Anzucht von Sämlingen den Knotenabstand und die Blattfläche von Gemüsesämlingen signifikant verringern, das seitliche Wachstum fördern und die Keimlingsfestigkeit verbessern, was die Kultivierung robuster Sämlinge begünstigt. Bei gleichbleibender Lichtintensität verbesserte die Erhöhung des Grünanteils im Rot-Blau-Licht signifikant das Frischgewicht, die Blattfläche und die Pflanzenhöhe von Paprikasämlingen. Im Vergleich zur herkömmlichen weißen Leuchtstofflampe verbesserten sich unter Rot-Grün-Blau-Lichtbedingungen (R3:G2:B5) die Werte für Y[II], qP und ETR von Sämlingen der Tomatensorte „Okagi Nr. 1“ signifikant. Die Zugabe von UV-Licht (100 μmol/(m²·s) Blaulicht + 7 % UV-A) zu reinem Blaulicht reduzierte die Stängelwachstumsgeschwindigkeit von Rucola und Senf signifikant, während die Zugabe von Rotlicht den gegenteiligen Effekt hatte. Dies zeigt, dass neben Rot- und Blaulicht auch andere Lichtqualitäten eine wichtige Rolle für das Pflanzenwachstum und die Pflanzenentwicklung spielen. Obwohl weder ultraviolettes Licht noch Rotlicht die Energiequelle der Photosynthese sind, sind beide an der Photomorphogenese der Pflanzen beteiligt. Hochintensives UV-Licht schädigt die pflanzliche DNA und Proteine. Gleichzeitig aktiviert UV-Licht zelluläre Stressreaktionen, die Veränderungen im Pflanzenwachstum, der Morphologie und der Entwicklung bewirken und so die Anpassung an Umweltveränderungen ermöglichen. Studien haben gezeigt, dass ein niedrigeres Rot/Fernrot-Verhältnis bei Pflanzen Schattenvermeidungsreaktionen auslöst, was zu morphologischen Veränderungen wie Stängelverlängerung, Blattverdünnung und reduziertem Trockenmasseertrag führt. Ein schlanker Stängel ist für das Wachstum kräftiger Sämlinge ungünstig. Im Allgemeinen sind feste, kompakte und elastische Sämlinge von Blatt- und Fruchtgemüse beim Transport und der Pflanzung unproblematisch.

UV-A-Strahlung kann Gurkenkeimlinge kleiner und kompakter machen, und der Ertrag nach dem Umpflanzen unterscheidet sich nicht signifikant von dem der Kontrollgruppe. UV-B-Strahlung hingegen hat eine deutlichere hemmende Wirkung, der Ertragsverlust nach dem Umpflanzen ist jedoch nicht signifikant. Frühere Studien legten nahe, dass UV-A das Pflanzenwachstum hemmt und zu Zwergwuchs führt. Es gibt jedoch zunehmend Hinweise darauf, dass UV-A-Strahlung die Biomasse von Nutzpflanzen fördert, anstatt sie zu reduzieren. Im Vergleich zu einer Standardbeleuchtung mit rotem und weißem Licht (R:W = 2:3, PPFD = 250 μmol/(m²·s)) erhöhte eine zusätzliche Intensität von 10 W/m² (ca. 10 μmol/(m²·s)) die Biomasse, die Internodienlänge, den Stängeldurchmesser und die Kronenbreite von Grünkohlkeimlingen signifikant. Dieser fördernde Effekt nahm jedoch ab, sobald die UV-Intensität 10 W/m² überschritt. Eine tägliche zweistündige UV-A-Bestrahlung (0,45 J/(m²•s)) konnte die Pflanzenhöhe, die Keimblattfläche und das Frischgewicht von 'Oxheart'-Tomatensämlingen signifikant erhöhen und gleichzeitig den H₂O₂-Gehalt der Sämlinge reduzieren. Es zeigte sich, dass verschiedene Kulturpflanzen unterschiedlich auf UV-Licht reagieren, was mit ihrer jeweiligen UV-Lichtempfindlichkeit zusammenhängen könnte.

Für die Anzucht veredelter Sämlinge sollte die Stammlänge entsprechend erhöht werden, um die Veredelung mit der Unterlage zu erleichtern. Unterschiedliche Intensitäten von Fernrotlicht (FR) hatten unterschiedliche Auswirkungen auf das Wachstum von Tomaten-, Paprika-, Gurken-, Kürbis- und Wassermelonensämlingen. Die Zugabe von 18,9 μmol/(m²·s) FR in kaltweißem Licht erhöhte die Hypokotyllänge und den Stammdurchmesser von Tomaten- und Paprikasämlingen signifikant. FR von 34,1 μmol/(m²·s) zeigte die beste Wirkung auf die Förderung von Hypokotyllänge und Stammdurchmesser bei Gurken-, Kürbis- und Wassermelonensämlingen. Hochintensives FR (53,4 μmol/(m²·s)) hatte die beste Wirkung auf diese fünf Gemüsesorten. Die Hypokotyllänge und der Stammdurchmesser der Sämlinge nahmen danach nicht mehr signifikant zu und begannen sogar abzunehmen. Das Frischgewicht der Paprikasämlinge nahm signifikant ab, was darauf hindeutet, dass die FR-Sättigungswerte der fünf Gemüsesämlinge alle unter 53,4 μmol/(m²·s) lagen und der FR-Wert signifikant niedriger war als der von FR. Die Auswirkungen auf das Wachstum der verschiedenen Gemüsesämlinge sind ebenfalls unterschiedlich.

2.2 Auswirkungen unterschiedlicher Tageslichtintegrale auf die Photomorphogenese von Gemüsesetzlingen

Das Tageslichtintegral (DLI) repräsentiert die Gesamtmenge der photosynthetisch aktiven Photonen, die die Pflanzenoberfläche innerhalb eines Tages aufnimmt. Es hängt von der Lichtintensität und der Lichtdauer ab. Die Berechnungsformel lautet: DLI (mol/m²/Tag) = Lichtintensität [μmol/(m²·s)] × Tägliche Lichtdauer (h) × 3600 × 10⁻⁶. Bei geringer Lichtintensität reagieren Pflanzen mit einem Längenwachstum von Stängel und Internodien, einer Zunahme der Pflanzenhöhe, der Blattstiellänge und der Blattfläche sowie einer Abnahme der Blattdicke und der Nettophotosyntheserate. Mit zunehmender Lichtintensität verringerten sich – mit Ausnahme von Senf – die Hypokotyllänge und das Stängelwachstum von Rucola-, Kohl- und Grünkohlkeimlingen unter gleichen Lichtbedingungen signifikant. Der Einfluss des Lichts auf Pflanzenwachstum und Morphogenese ist somit von der Lichtintensität und der Pflanzenart abhängig. Mit zunehmender täglicher Lichtintensität (DLI, 8,64–28,8 mol/m²/Tag) wuchsen Gurkensämlinge klein, kräftig und kompakt, während das spezifische Blattgewicht und der Chlorophyllgehalt allmählich abnahmen. Sechs bis 16 Tage nach der Aussaat vertrockneten Blätter und Wurzeln. Das Gewicht nahm zunächst zu und das Wachstum beschleunigte sich, doch zwischen dem 16. und 21. Tag nach der Aussaat ging das Wachstum von Blättern und Wurzeln deutlich zurück. Eine erhöhte DLI steigerte die Nettophotosyntheserate der Gurkensämlinge, doch ab einem bestimmten Wert sank diese wieder. Daher lässt sich der Energieverbrauch durch die Wahl einer geeigneten DLI und den Einsatz unterschiedlicher Zusatzbeleuchtungsstrategien in verschiedenen Wachstumsstadien der Sämlinge reduzieren. Der Gehalt an löslichen Zuckern und des Enzyms Superoxiddismutase (SOD) in Gurken- und Tomatensämlingen stieg mit zunehmender DLI-Intensität. Bei einer Erhöhung der DLI-Intensität von 7,47 mol/m²/Tag auf 11,26 mol/m²/Tag stieg der Gehalt an löslichem Zucker und SOD-Enzym in Gurkenkeimlingen um 81,03 % bzw. 55,5 %. Unter gleichen DLI-Bedingungen wurde die PSII-Aktivität von Tomaten- und Gurkenkeimlingen durch eine höhere Lichtintensität und eine kürzere Belichtungszeit gehemmt. Eine Zusatzbeleuchtung mit niedriger Intensität und langer Belichtungsdauer erwies sich daher als vorteilhafter für die Kultivierung von Gurken- und Tomatenkeimlingen mit hohem Keimlingsindex und hoher photochemischer Effizienz.

Bei der Anzucht veredelter Sämlinge kann eine zu geringe Lichtintensität die Qualität der veredelten Sämlinge beeinträchtigen und die Heilungszeit verlängern. Eine angemessene Lichtintensität verbessert nicht nur die Anhaftung an der Veredelungsstelle und erhöht den Anteil kräftiger Sämlinge, sondern reduziert auch die Anzahl weiblicher Blüten und verringert die Anzahl der weiblichen Blüten. In Pflanzenfabriken erwies sich eine tägliche Lichtintensität (DLI) von 2,5–7,5 mol/m²/Tag als ausreichend, um den Heilungsbedarf veredelter Tomatensämlinge zu decken. Mit steigender DLI-Intensität nahmen die Kompaktheit und die Blattdicke der veredelten Tomatensämlinge signifikant zu. Dies zeigt, dass veredelte Sämlinge keine hohe Lichtintensität für die Heilung benötigen. Daher trägt die Wahl einer geeigneten Lichtintensität unter Berücksichtigung des Energieverbrauchs und der Anbaubedingungen zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bei.

3. Auswirkungen der LED-Lichtumgebung auf die Stressresistenz von Gemüsesetzlingen

Pflanzen empfangen Lichtsignale von außen über Photorezeptoren. Dies führt zur Synthese und Akkumulation von Signalmolekülen in der Pflanze, wodurch Wachstum und Funktion der Pflanzenorgane beeinflusst und letztendlich die Stressresistenz erhöht werden. Unterschiedliche Lichtqualitäten fördern die Kälte- und Salztoleranz von Sämlingen. Beispielsweise konnte bei Tomatensämlingen, die nachts vier Stunden lang zusätzlich belichtet wurden, im Vergleich zu unbehandelten Sämlingen die Elektrolytdurchlässigkeit und der MDA-Gehalt durch weißes, rotes, blaues oder eine Kombination aus beidem reduziert und die Kältetoleranz verbessert werden. Die Aktivitäten von SOD, POD und CAT waren in den Tomatensämlingen, die mit einem Rot-Blau-Verhältnis von 8:2 behandelt wurden, signifikant höher als in den anderen Behandlungsgruppen. Diese Sämlinge wiesen eine höhere antioxidative Kapazität und Kältetoleranz auf.

Die Wirkung von UV-B auf das Wurzelwachstum von Sojabohnen besteht hauptsächlich in der Verbesserung der Stressresistenz der Pflanze durch Erhöhung des Gehalts an NO und ROS in den Wurzeln, einschließlich Hormonsignalmolekülen wie ABA, SA und JA, und in der Hemmung der Wurzelentwicklung durch Reduzierung des Gehalts an IAA, CTK und GA. Der Photorezeptor für UV-B, UVR8, ist nicht nur an der Regulation der Photomorphogenese beteiligt, sondern spielt auch eine Schlüsselrolle bei UV-B-Stress. In Tomatensämlingen vermittelt UVR8 die Synthese und Akkumulation von Anthocyanen, und UV-akklimatisierte Wildtomatensämlinge verbessern ihre Fähigkeit, mit hochintensivem UV-B-Stress umzugehen. Die Anpassung von Arabidopsis an UV-B-induzierten Trockenstress ist jedoch nicht vom UVR8-Signalweg abhängig, was darauf hindeutet, dass UV-B als signalinduzierte Kreuzantwort pflanzlicher Abwehrmechanismen wirkt, sodass verschiedene Hormone gemeinsam an der Trockenstressresistenz beteiligt sind und die Fähigkeit zur ROS-Beseitigung erhöhen.

Sowohl die durch Rotlicht (FR) hervorgerufene Streckung des Hypokotyls bzw. des Sprosses als auch die Anpassung von Pflanzen an Kältestress werden durch Pflanzenhormone reguliert. Daher steht der durch FR hervorgerufene „Schattenvermeidungseffekt“ in Zusammenhang mit der Kälteanpassung von Pflanzen. Die Experimentatoren behandelten Gerstenkeimlinge 18 Tage nach der Keimung 10 Tage lang bei 15 °C, kühlten sie anschließend auf 5 °C ab und behandelten sie weitere 7 Tage mit FR. Dabei stellten sie fest, dass FR im Vergleich zur Weißlichtbehandlung die Frostresistenz der Gerstenkeimlinge erhöhte. Dieser Prozess ging mit einem Anstieg des ABA- und IAA-Gehalts in den Gerstenkeimlingen einher. Die anschließende Überführung der bei 15 °C mit FR vorbehandelten Gerstenkeimlinge auf 5 °C und die fortgesetzte FR-Behandlung über 7 Tage führten zu ähnlichen Ergebnissen wie die beiden vorherigen Behandlungen, jedoch mit einer reduzierten ABA-Reaktion. Pflanzen mit unterschiedlichen Rotlicht-Fernrotlicht-Verhältnissen (R:FR) regulieren die Biosynthese von Phytohormonen (GA, IAA, CTK und ABA), die auch an der Salztoleranz der Pflanzen beteiligt sind. Unter Salzstress kann ein niedriges Rot/Fernrot-Verhältnis (R:FR) die antioxidative und photosynthetische Kapazität von Tomatensämlingen verbessern, die Produktion von ROS und MDA in den Sämlingen reduzieren und die Salztoleranz erhöhen. Sowohl Salzstress als auch ein niedriges R:FR-Verhältnis (R:FR = 0,8) hemmten die Chlorophyllbiosynthese, was möglicherweise mit der blockierten Umwandlung von PBG zu UroIII im Chlorophyllsyntheseweg zusammenhängt. Gleichzeitig kann ein niedriges R:FR-Verhältnis die durch Salzstress bedingte Beeinträchtigung der Chlorophyllsynthese wirksam abmildern. Diese Ergebnisse deuten auf einen signifikanten Zusammenhang zwischen Phytochromen und Salztoleranz hin.

Neben der Lichtumgebung beeinflussen auch andere Umweltfaktoren das Wachstum und die Qualität von Gemüsepflanzen. So erhöht beispielsweise eine höhere CO₂-Konzentration den maximalen Sättigungswert Pn (Pnmax), senkt den Lichtkompensationspunkt und verbessert die Lichtausbeute. Eine höhere Lichtintensität und CO₂-Konzentration tragen zu einem höheren Gehalt an Photosynthesepigmenten, einer effizienteren Wassernutzung und einer gesteigerten Aktivität von Enzymen des Calvin-Zyklus bei und führen letztendlich zu einer höheren Photosyntheseleistung und Biomasseakkumulation bei Tomatenpflanzen. Trockengewicht und Kompaktheit von Tomaten- und Paprikapflanzen korrelierten positiv mit der Lichtintensität (DLI), und auch Temperaturänderungen beeinflussten das Wachstum bei gleicher DLI-Behandlung. Eine Umgebungstemperatur von 23–25 °C erwies sich für das Wachstum von Tomatenpflanzen als optimal. Basierend auf Temperatur- und Lichtbedingungen entwickelten die Forscher eine Methode zur Vorhersage der relativen Wachstumsrate von Paprika mithilfe des Bate-Verteilungsmodells. Dieses Modell kann eine wissenschaftliche Grundlage für die Umweltregulierung der Produktion von veredelten Paprikapflanzen bieten.

Bei der Entwicklung eines Lichtregulierungssystems für die Produktion sollten daher nicht nur die Lichtverhältnisse und die Pflanzenart berücksichtigt werden, sondern auch Anbau- und Managementfaktoren wie Sämlingsernährung und Wassermanagement, Gasumgebung, Temperatur und Sämlingswachstumsstadium.

4. Probleme und Ausblick

Erstens ist die Lichtregulierung von Gemüsepflanzen ein komplexer Prozess, und die Auswirkungen unterschiedlicher Lichtverhältnisse auf verschiedene Pflanzenarten in der Pflanzenfabrik müssen detailliert analysiert werden. Um das Ziel einer hocheffizienten und qualitativ hochwertigen Pflanzenproduktion zu erreichen, ist daher kontinuierliche Forschung erforderlich, um ein ausgereiftes technisches System zu etablieren.

Zweitens ist der Stromverbrauch für die Pflanzenbeleuchtung trotz des relativ hohen Wirkungsgrads der LED-Lichtquelle der Hauptenergiefaktor bei der Anzucht von Setzlingen mit künstlichem Licht. Der enorme Energieverbrauch von Pflanzenfabriken stellt nach wie vor das größte Hindernis für deren Entwicklung dar.

Schließlich wird mit der zunehmenden Verbreitung von Pflanzenbeleuchtung in der Landwirtschaft ein deutlicher Kostenrückgang bei LED-Pflanzenlampen in Zukunft erwartet. Gleichzeitig wird der Anstieg der Lohnkosten, insbesondere nach der Pandemie, und der damit einhergehende Arbeitskräftemangel die Mechanisierung und Automatisierung der Produktion vorantreiben. Zukünftig werden KI-basierte Steuerungsmodelle und intelligente Produktionsanlagen zu den Kerntechnologien der Gemüsepflanzenanzucht gehören und die Entwicklung der Pflanzenfabrik-Technologie weiter fördern.

Autoren: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Artikelquelle: WeChat-Konto für Agrartechnik (Gewächshausgartenbau)