الملخص: تُعدّ شتلات الخضراوات الخطوة الأولى في إنتاج الخضراوات، وتُعتبر جودتها بالغة الأهمية لمحصول وجودة الخضراوات بعد الزراعة. ومع التطور المستمر في تقسيم العمل في قطاع الخضراوات، شكّلت شتلات الخضراوات تدريجيًا سلسلة صناعية مستقلة تخدم إنتاج الخضراوات. ونظرًا لتأثرها بسوء الأحوال الجوية، تواجه طرق زراعة الشتلات التقليدية العديد من التحديات، مثل بطء نمو الشتلات، وطولها المفرط، وانتشار الآفات والأمراض. ولمعالجة مشكلة طول الشتلات، يلجأ العديد من المزارعين التجاريين إلى استخدام منظمات النمو. ومع ذلك، ينطوي استخدام هذه المنظمات على مخاطر تتعلق بتصلب الشتلات، وسلامة الغذاء، وتلوث البيئة. وبالإضافة إلى طرق المكافحة الكيميائية، ورغم أن التحفيز الميكانيكي والتحكم في درجة الحرارة والماء قد يُسهمان في منع طول الشتلات المفرط، إلا أنهما أقل ملاءمة وفعالية. وفي ظل جائحة كوفيد-19 العالمية، برزت بشكل أكبر مشاكل صعوبات إدارة الإنتاج الناجمة عن نقص العمالة وارتفاع تكاليفها في قطاع زراعة الشتلات.

مع تطور تقنيات الإضاءة، يتميز استخدام الإضاءة الاصطناعية في زراعة شتلات الخضراوات بمزايا عديدة، منها كفاءة عالية في إنتاج الشتلات، وانخفاض معدل الإصابة بالآفات والأمراض، وسهولة توحيد المعايير. وبالمقارنة مع مصادر الإضاءة التقليدية، تتميز مصابيح LED من الجيل الجديد بكفاءة عالية في استهلاك الطاقة، وعمر افتراضي طويل، وملاءمة للبيئة، ومتانة، وصغر الحجم، وانخفاض الإشعاع الحراري، وقصر نطاق الطول الموجي. ويمكنها توفير طيف ضوئي مناسب وفقًا لاحتياجات نمو وتطور الشتلات في بيئة البيوت المحمية، والتحكم بدقة في العمليات الفسيولوجية والأيضية للشتلات، مما يساهم في إنتاج شتلات خضراوات نظيفة وموحدة وسريعة، ويختصر دورة نمو الشتلات. في جنوب الصين، تستغرق زراعة شتلات الفلفل والطماطم (3-4 أوراق حقيقية) في البيوت البلاستيكية حوالي 60 يومًا، بينما تستغرق زراعة شتلات الخيار (3-5 أوراق حقيقية) حوالي 35 يومًا. في ظل ظروف الزراعة في المصانع النباتية، تستغرق زراعة شتلات الطماطم 17 يومًا فقط، بينما تستغرق زراعة شتلات الفلفل 25 يومًا، وذلك في ظل فترة إضاءة 20 ساعة وكثافة ضوئية تتراوح بين 200 و300 ميكرومول/م²·ث. وبالمقارنة مع طريقة زراعة الشتلات التقليدية في البيوت الزجاجية، فإن استخدام طريقة الزراعة في المصانع النباتية باستخدام مصابيح LED قلل بشكل ملحوظ من دورة نمو الخيار بمقدار 15-30 يومًا، وزاد عدد الأزهار المؤنثة والثمار لكل نبتة بنسبة 33.8% و37.3% على التوالي، كما ارتفع أعلى محصول بنسبة 71.44%.

من حيث كفاءة استخدام الطاقة، تتفوق كفاءة استخدام الطاقة في المصانع النباتية على نظيرتها في البيوت الزجاجية من نوع فينلو عند نفس خط العرض. فعلى سبيل المثال، يتطلب إنتاج كيلوغرام واحد من الخس الجاف في مصنع نباتي سويدي 1411 ميغا جول، بينما يتطلب إنتاج كيلوغرام واحد من الخس الجاف 1699 ميغا جول. ومع ذلك، عند حساب كمية الكهرباء اللازمة لكل كيلوغرام من الخس الجاف، نجد أن المصنع النباتي يحتاج إلى 247 كيلوواط ساعة لإنتاج كيلوغرام واحد من الخس الجاف، بينما تحتاج البيوت الزجاجية في السويد وهولندا والإمارات العربية المتحدة إلى 182 كيلوواط ساعة و70 كيلوواط ساعة و111 كيلوواط ساعة على التوالي.

في الوقت نفسه، في مصانع الشتلات، يُمكن استخدام الحواسيب والمعدات الآلية والذكاء الاصطناعي وغيرها من التقنيات للتحكم بدقة في الظروف البيئية الملائمة لزراعة الشتلات، والتغلب على قيود الظروف البيئية الطبيعية، وتحقيق إنتاج ذكي وآلي ومستقر للشتلات على مدار العام. في السنوات الأخيرة، استُخدمت شتلات مصانع الشتلات في الإنتاج التجاري للخضراوات الورقية والفواكه وغيرها من المحاصيل الاقتصادية في اليابان وكوريا الجنوبية وأوروبا والولايات المتحدة وغيرها من الدول. لا تزال التكاليف التشغيلية المرتفعة واستهلاك الطاقة الهائل في مصانع الشتلات تشكل عوائق تحد من انتشار تقنية زراعة الشتلات في مصانع الشتلات الصينية. لذلك، من الضروري مراعاة متطلبات الإنتاجية العالية وتوفير الطاقة من خلال استراتيجيات إدارة الإضاءة، وإنشاء نماذج نمو الخضراوات، وتطوير معدات الأتمتة لتحسين الجدوى الاقتصادية.

في هذه المقالة، تمت مراجعة تأثير بيئة إضاءة LED على نمو وتطور شتلات الخضراوات في المصانع النباتية في السنوات الأخيرة، مع نظرة مستقبلية لاتجاه البحث في تنظيم إضاءة شتلات الخضراوات في المصانع النباتية.

1. تأثير بيئة الضوء على نمو وتطور شتلات الخضراوات

يُعدّ الضوء أحد العوامل البيئية الأساسية لنمو النبات وتطوره، فهو ليس مجرد مصدر طاقة لعملية التمثيل الضوئي، بل إشارة رئيسية تؤثر على عملية التطور الضوئي للنبات. تستشعر النباتات اتجاه الضوء وطاقته وجودته عبر نظام الإشارات الضوئية، وتنظم نموها وتطورها، وتستجيب لوجود الضوء أو غيابه، وطول موجته، وشدته، ومدته. تشمل مستقبلات الضوء النباتية المعروفة حاليًا ثلاث فئات على الأقل: الفيتوكرومات (PHYA-PHYE) التي تستشعر الضوء الأحمر والأحمر البعيد (FR)، والكريبتوكرومات (CRY1 وCRY2) التي تستشعر الضوء الأزرق والأشعة فوق البنفسجية A، والعناصر (Phot1 وPhot2)، ومستقبل الأشعة فوق البنفسجية B (UVR8) الذي يستشعر الأشعة فوق البنفسجية B. تشارك هذه المستقبلات الضوئية في تنظيم التعبير الجيني للجينات ذات الصلة، ومن ثم تنظم الأنشطة الحيوية مثل إنبات بذور النبات، والتطور الضوئي، ووقت الإزهار، وتخليق وتراكم المستقلبات الثانوية، وتحمل الإجهادات الحيوية وغير الحيوية.

2. تأثير بيئة إضاءة LED على التكوين الضوئي لشتلات الخضراوات

2.1 تأثير جودة الضوء المختلفة على التطور الضوئي لشتلات الخضراوات

تتميز منطقتا الضوء الأحمر والأزرق في الطيف بكفاءة كمية عالية لعملية التمثيل الضوئي في أوراق النبات. مع ذلك، فإن تعريض أوراق الخيار للضوء الأحمر النقي لفترات طويلة يُلحق الضرر بالنظام الضوئي، مما يؤدي إلى ظاهرة "متلازمة الضوء الأحمر" التي تشمل توقف استجابة الثغور، وانخفاض القدرة على التمثيل الضوئي، وكفاءة استخدام النيتروجين، وتأخر النمو. في ظل ظروف شدة إضاءة منخفضة (100±5 ميكرومول/(م²•ث))، يُمكن للضوء الأحمر النقي أن يُلحق الضرر بالبلاستيدات الخضراء في كل من الأوراق الصغيرة والناضجة للخيار، ولكن البلاستيدات الخضراء المتضررة تعافت بعد تغيير الإضاءة من الضوء الأحمر النقي إلى مزيج من الضوء الأحمر والأزرق (نسبة الأحمر إلى الأزرق 7:3). على النقيض من ذلك، عندما انتقلت نباتات الخيار من بيئة الضوء الأحمر والأزرق إلى بيئة الضوء الأحمر النقي، لم تنخفض كفاءة التمثيل الضوئي بشكل ملحوظ، مما يُظهر قدرتها على التكيف مع بيئة الضوء الأحمر. من خلال تحليل بنية أوراق شتلات الخيار المصابة بـ"متلازمة الضوء الأحمر" باستخدام المجهر الإلكتروني، وجد الباحثون أن عدد البلاستيدات الخضراء، وحجم حبيبات النشا، وسماكة حبيبات الجرانا في الأوراق المعرضة للضوء الأحمر النقي كانت أقل بكثير من تلك المعرضة للضوء الأبيض. وقد حسّن استخدام الضوء الأزرق البنية الدقيقة وخصائص التمثيل الضوئي للبلاستيدات الخضراء في الخيار، وقلل من تراكم العناصر الغذائية الزائدة. وبالمقارنة مع الضوء الأبيض والضوء الأحمر والأزرق، عزز الضوء الأحمر النقي استطالة السويقة الجنينية وتوسع الفلقتين في شتلات الطماطم، وزاد بشكل ملحوظ من طول النبات ومساحة الورقة، ولكنه قلل بشكل ملحوظ من قدرة التمثيل الضوئي، وخفض محتوى إنزيم روبيسكو وكفاءته الكيميائية الضوئية، وزاد بشكل ملحوظ من تبديد الحرارة. ويتضح أن أنواع النباتات المختلفة تستجيب بشكل مختلف لنفس جودة الضوء، ولكن بالمقارنة مع الضوء أحادي اللون، تتمتع النباتات بكفاءة تمثيل ضوئي أعلى ونمو أقوى في بيئة الضوء المختلط.

أجرى الباحثون دراساتٍ مكثفةً حول تحسين تركيبة جودة الضوء لشتلات الخضراوات. ففي ظلّ شدة إضاءةٍ ثابتة، ومع زيادة نسبة الضوء الأحمر، تحسّن طول نباتات الطماطم والخيار ووزنها الطازج بشكلٍ ملحوظ، وكان للمعاملة بنسبة 3:1 من الضوء الأحمر إلى الأزرق أفضل النتائج. في المقابل، أدّت النسبة العالية من الضوء الأزرق إلى تثبيط نموّ شتلات الطماطم والخيار، حيث أصبحت قصيرةً ومتكدّسة، ولكنّها زادت من محتوى المادة الجافة والكلوروفيل في براعمها. وقد لوحظت أنماطٌ مماثلةٌ في محاصيل أخرى، مثل الفلفل والبطيخ. إضافةً إلى ذلك، بالمقارنة مع الضوء الأبيض، لم يُحسّن الضوء الأحمر والأزرق (بنسبة 3:1) سُمك الأوراق ومحتوى الكلوروفيل وكفاءة التمثيل الضوئي وكفاءة نقل الإلكترون في شتلات الطماطم فحسب، بل حسّن أيضًا بشكلٍ ملحوظٍ مستويات التعبير عن الإنزيمات المرتبطة بدورة كالفن، ومحتوى النباتات، وتراكم الكربوهيدرات. بمقارنة نسبتي الضوء الأحمر والأزرق (2:1 و4:1)، تبين أن النسبة الأعلى من الضوء الأزرق تُحفز تكوين الأزهار الأنثوية في شتلات الخيار وتُسرّع من موعد إزهارها. وعلى الرغم من أن النسب المختلفة للضوء الأحمر والأزرق لم تُؤثر بشكلٍ ملحوظ على وزن شتلات الكرنب والجرجير والخردل الطازج، إلا أن النسبة العالية من الضوء الأزرق (30%) قللت بشكلٍ ملحوظ من طول السويقة الجنينية ومساحة الفلقتين في شتلات الكرنب والخردل، بينما ازداد لون الفلقتين قتامةً. لذا، في إنتاج الشتلات، يُمكن لزيادة نسبة الضوء الأزرق بشكلٍ مناسب أن تُقلل بشكلٍ ملحوظ من المسافة بين العقد ومساحة الأوراق في شتلات الخضراوات، وتُعزز نموها الجانبي، وتُحسّن من مؤشر قوتها، مما يُساعد على إنتاج شتلات قوية. في ظل ثبات شدة الإضاءة، أدى رفع نسبة الضوء الأخضر ضمن الضوء الأحمر والأزرق إلى تحسين ملحوظ في الوزن الطازج ومساحة الأوراق وطول شتلات الفلفل الحلو. وبالمقارنة مع مصباح الفلورسنت الأبيض التقليدي، في ظل ظروف الإضاءة الحمراء-الخضراء-الزرقاء (R3:G2:B5)، تحسنت قيم Y[II] وqP وETR لشتلات طماطم "أوكاجي رقم 1" بشكل ملحوظ. كما أدى إضافة ضوء فوق بنفسجي (100 ميكرومول/(م2.ثانية) ضوء أزرق + 7% UV-A) إلى الضوء الأزرق النقي إلى تقليل سرعة استطالة ساق الجرجير والخردل بشكل ملحوظ، بينما كان تأثير إضافة الضوء الأحمر البعيد عكس ذلك. وهذا يدل أيضًا على أن خصائص الضوء الأخرى، بالإضافة إلى الضوء الأحمر والأزرق، تلعب دورًا هامًا في عملية نمو النبات وتطوره. وعلى الرغم من أن الضوء فوق البنفسجي والضوء الأحمر البعيد ليسا مصدر الطاقة لعملية التمثيل الضوئي، إلا أنهما يشاركان في عملية التكوين الضوئي للنبات. يُعدّ الضوء فوق البنفسجي عالي الكثافة ضارًا بالحمض النووي والبروتينات النباتية، وغيرها. مع ذلك، يُحفّز هذا الضوء استجابات الإجهاد الخلوي، مُسببًا تغييرات في نمو النبات وشكله وتطوره للتكيف مع التغيرات البيئية. وقد أظهرت الدراسات أن انخفاض نسبة الضوء الأحمر إلى الضوء الأحمر البعيد (R/FR) يُحفّز استجابات تجنب الظل في النباتات، مما يؤدي إلى تغييرات شكلية، مثل استطالة الساق، وترقق الأوراق، وانخفاض إنتاج المادة الجافة. ولا يُعدّ الساق النحيل سمة نمو جيدة لإنتاج شتلات قوية. أما بالنسبة لشتلات الخضراوات الورقية والثمرية عمومًا، فإن الشتلات المتماسكة والمضغوطة والمرنة لا تُعاني من مشاكل أثناء النقل والزراعة.

يمكن للأشعة فوق البنفسجية من النوع A أن تجعل شتلات الخيار أقصر وأكثر كثافة، ولا يختلف المحصول بعد الزراعة اختلافًا كبيرًا عن المجموعة الضابطة؛ بينما يكون للأشعة فوق البنفسجية من النوع B تأثير مثبط أكبر، وتأثيرها على انخفاض المحصول بعد الزراعة غير ملحوظ. أشارت دراسات سابقة إلى أن الأشعة فوق البنفسجية من النوع A تثبط نمو النبات وتجعله متقزمًا. ولكن هناك أدلة متزايدة على أن وجود الأشعة فوق البنفسجية من النوع A، بدلًا من تثبيط الكتلة الحيوية للمحصول، يعززها في الواقع. بالمقارنة مع الضوء الأحمر والأبيض الأساسي (R:W=2:3، PPFD 250 ميكرومول/(م2·ث))، فإن شدة الضوء التكميلية في الضوء الأحمر والأبيض هي 10 واط/م2 (حوالي 10 ميكرومول/(م2·ث)). أدت الأشعة فوق البنفسجية من النوع A للكرنب إلى زيادة ملحوظة في الكتلة الحيوية، وطول السلاميات، وقطر الساق، وعرض مظلة النبات لشتلات الكرنب، ولكن تأثير التحفيز ضعف عندما تجاوزت شدة الأشعة فوق البنفسجية 10 واط/م2. قد يؤدي التعرض اليومي للأشعة فوق البنفسجية من النوع A لمدة ساعتين (0.45 جول/م²•ثانية) إلى زيادة ملحوظة في طول النبات، ومساحة الفلقتين، والوزن الطازج لشتلات طماطم "أوكس هارت"، مع تقليل محتوى بيروكسيد الهيدروجين في هذه الشتلات. ويُلاحظ أن المحاصيل المختلفة تستجيب بشكل متباين للأشعة فوق البنفسجية، وهو ما قد يرتبط بحساسية هذه المحاصيل لها.

لزراعة الشتلات المطعمة، ينبغي زيادة طول الساق بشكل مناسب لتسهيل عملية التطعيم. وقد أظهرت شدة الأشعة تحت الحمراء تأثيرات متباينة على نمو شتلات الطماطم والفلفل والخيار والقرع والبطيخ. أدى استخدام 18.9 ميكرومول/م²·ث من الأشعة تحت الحمراء في ضوء أبيض بارد إلى زيادة ملحوظة في طول السويقة الجنينية وقطر ساق شتلات الطماطم والفلفل؛ بينما كان لشدة 34.1 ميكرومول/م²·ث من الأشعة تحت الحمراء التأثير الأمثل على زيادة طول السويقة الجنينية وقطر ساق شتلات الخيار والقرع والبطيخ؛ أما شدة الأشعة تحت الحمراء العالية (53.4 ميكرومول/م²·ث) فقد كان لها التأثير الأمثل على هذه الخضراوات الخمس. بعد ذلك، لم يعد طول السويقة الجنينية وقطر ساق الشتلات يزدادان بشكل ملحوظ، بل بدآ في الانخفاض. انخفض الوزن الطازج لشتلات الفلفل بشكل ملحوظ، مما يشير إلى أن قيم تشبع الأشعة تحت الحمراء البعيدة (FR) لشتلات الخضراوات الخمس كانت جميعها أقل من 53.4 ميكرومول/(م²•ث)، وأن قيمة FR كانت أقل بكثير من قيمة FR. كما أن تأثيرات ذلك على نمو شتلات الخضراوات المختلفة تختلف.

2.2 تأثيرات تكامل ضوء النهار المختلف على التكوين الضوئي لشتلات الخضراوات

يمثل التكامل الضوئي النهاري (DLI) إجمالي كمية الفوتونات الضوئية التي تتلقاها سطح النبات خلال اليوم، وهو مرتبط بشدة الضوء ومدة التعرض له. صيغة الحساب هي: DLI (مول/م²/يوم) = شدة الضوء [ميكرومول/(م²•ثانية)] × مدة التعرض الضوئي اليومية (ساعة) × 3600 × 10⁻⁶. في بيئة ذات شدة إضاءة منخفضة، تستجيب النباتات بانخفاض الإضاءة عن طريق استطالة الساق وطول السلاميات، وزيادة ارتفاع النبات، وطول أعناق الأوراق، ومساحة الأوراق، وتقليل سمك الأوراق ومعدل التمثيل الضوئي الصافي. مع زيادة شدة الضوء، باستثناء الخردل، انخفض طول السويقة الجنينية واستطالة ساق شتلات الجرجير والملفوف والكرنب بشكل ملحوظ تحت نفس جودة الضوء. يتضح أن تأثير الضوء على نمو النبات وتكوينه مرتبط بشدة الضوء ونوع النبات. مع زيادة شدة الإضاءة اليومية (8.64-28.8 مول/م²/يوم)، أصبحت شتلات الخيار قصيرة وقوية ومتراصة، وانخفض وزن الأوراق ومحتوى الكلوروفيل تدريجيًا. بعد 6-16 يومًا من زراعة شتلات الخيار، جفت الأوراق والجذور، وازداد وزنها تدريجيًا، وتسارع معدل نموها، ولكن بعد 16-21 يومًا من الزراعة، انخفض معدل نمو الأوراق والجذور بشكل ملحوظ. عززت زيادة شدة الإضاءة اليومية معدل التمثيل الضوئي الصافي لشتلات الخيار، ولكن بعد قيمة معينة، بدأ معدل التمثيل الضوئي الصافي في الانخفاض. لذلك، يمكن تقليل استهلاك الطاقة عن طريق اختيار شدة الإضاءة اليومية المناسبة واعتماد استراتيجيات إضاءة تكميلية مختلفة في مراحل نمو الشتلات المختلفة. ازداد محتوى السكر الذائب وإنزيم SOD في شتلات الخيار والطماطم مع زيادة شدة الإضاءة اليومية. عندما زادت شدة الإضاءة اليومية من 7.47 مول/م²/يوم إلى 11.26 مول/م²/يوم، ارتفع محتوى السكر الذائب وإنزيم SOD في شتلات الخيار بنسبة 81.03% و55.5% على التوالي. في ظل نفس ظروف الإضاءة اليومية، ومع زيادة شدة الإضاءة وتقصير مدة التعرض لها، انخفض نشاط النظام الضوئي الثاني (PSII) في شتلات الطماطم والخيار، وكان اختيار استراتيجية إضاءة تكميلية ذات شدة إضاءة منخفضة ومدة طويلة أكثر ملاءمة لزراعة شتلات ذات مؤشر نمو عالٍ وكفاءة ضوئية عالية في الخيار والطماطم.

في إنتاج الشتلات المطعمة، قد يؤدي انخفاض الإضاءة إلى انخفاض جودة الشتلات وزيادة مدة التئامها. لا تُحسّن شدة الإضاءة المناسبة قدرة التئام موقع التطعيم فحسب، بل تُحسّن أيضًا مؤشر قوة الشتلات، وتقلل من تباعد عقد الأزهار الأنثوية، وتزيد من عددها. في المشاتل، كانت شدة الإضاءة اليومية (DLI) من 2.5 إلى 7.5 مول/م²/يوم كافية لتلبية احتياجات التئام شتلات الطماطم المطعمة. وقد زادت كثافة أوراق شتلات الطماطم المطعمة وسمكها بشكل ملحوظ مع زيادة شدة الإضاءة اليومية. يدل هذا على أن الشتلات المطعمة لا تتطلب شدة إضاءة عالية للتئامها. لذا، مع مراعاة استهلاك الطاقة وبيئة الزراعة، يُسهم اختيار شدة إضاءة مناسبة في تحسين الجدوى الاقتصادية.

3. تأثير بيئة إضاءة LED على مقاومة شتلات الخضراوات للإجهاد

تستقبل النباتات إشارات الضوء الخارجية عبر مستقبلات ضوئية، مما يحفز تخليق وتراكم جزيئات الإشارة داخل النبات، وبالتالي يُغير نمو ووظائف أعضاء النبات، ويُحسّن في نهاية المطاف مقاومته للإجهاد. تؤثر جودة الضوء المختلفة بشكل إيجابي على تحسين تحمل الشتلات للبرد والملوحة. على سبيل المثال، عند تعريض شتلات الطماطم للضوء لمدة 4 ساعات ليلاً، مقارنةً بالشتلات التي لم تتعرض للضوء، فإن الضوء الأبيض، والضوء الأحمر، والضوء الأزرق، والضوء الأحمر والأزرق معاً، تُقلل من نفاذية الإلكتروليتات ومحتوى MDA في شتلات الطماطم، وتُحسّن تحملها للبرد. كانت أنشطة إنزيمات SOD وPOD وCAT في شتلات الطماطم التي عولجت بنسبة 8:2 من الضوء الأحمر إلى الأزرق أعلى بكثير من مثيلاتها في المعاملات الأخرى، كما تميزت بقدرة أعلى على مضادات الأكسدة وتحمل أكبر للبرد.

يتمثل تأثير الأشعة فوق البنفسجية من النوع B على نمو جذور فول الصويا بشكل رئيسي في تحسين مقاومة النبات للإجهاد عن طريق زيادة محتوى أكسيد النيتريك (NO) وأنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) في الجذور، بما في ذلك جزيئات الإشارة الهرمونية مثل حمض الأبسيسيك (ABA) وحمض الساليسيليك (SA) وحمض الجاسمونيك (JA)، وتثبيط نمو الجذور عن طريق تقليل محتوى حمض الإندول أسيتيك (IAA) والسيتوكيناز (CTK) والجبريلين (GA). لا يقتصر دور مستقبل الأشعة فوق البنفسجية من النوع B، UVR8، على تنظيم التطور الضوئي فحسب، بل يلعب أيضًا دورًا رئيسيًا في مقاومة الإجهاد الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية من النوع B. في شتلات الطماطم، يتوسط UVR8 في تخليق وتراكم الأنثوسيانين، وتُحسّن شتلات الطماطم البرية المتأقلمة مع الأشعة فوق البنفسجية قدرتها على تحمل الإجهاد الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية من النوع B عالية الشدة. ومع ذلك، فإن تكيف نبات الرشاد (Arabidopsis) مع إجهاد الجفاف الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية من النوع B لا يعتمد على مسار UVR8، مما يشير إلى أن الأشعة فوق البنفسجية من النوع B تعمل كاستجابة متبادلة مُحفزة بالإشارة لآليات الدفاع النباتية، بحيث تشارك مجموعة متنوعة من الهرمونات بشكل مشترك في مقاومة إجهاد الجفاف، مما يزيد من قدرة النبات على التخلص من أنواع الأكسجين التفاعلية.

يُنظّم كلٌّ من استطالة السويقة الجنينية أو الساق النباتية الناتجة عن الأشعة تحت الحمراء البعيدة، وتكيّف النباتات مع الإجهاد البارد، بواسطة الهرمونات النباتية. لذا، يرتبط "تأثير تجنّب الظل" الناتج عن الأشعة تحت الحمراء البعيدة بتكيّف النباتات مع البرد. قام الباحثون بتعريض شتلات الشعير، بعد 18 يومًا من الإنبات، لدرجة حرارة 15 درجة مئوية لمدة 10 أيام، ثم تبريدها إلى 5 درجات مئوية مع استمرار تعريضها للأشعة تحت الحمراء البعيدة لمدة 7 أيام، ووجدوا أن الأشعة تحت الحمراء البعيدة، مقارنةً بالمعالجة بالضوء الأبيض، عززت مقاومة شتلات الشعير للصقيع. وترافق هذه العملية مع زيادة محتوى حمض الأبسيسيك (ABA) وحمض الإندول أسيتيك (IAA) في شتلات الشعير. أدى نقل شتلات الشعير المعالجة مسبقًا بالأشعة تحت الحمراء البعيدة عند درجة حرارة 15 درجة مئوية إلى درجة حرارة 5 درجات مئوية، مع استمرار تعريضها للأشعة تحت الحمراء البعيدة لمدة 7 أيام، إلى نتائج مماثلة للمعالجتين السابقتين، ولكن مع انخفاض استجابة حمض الأبسيسيك. تتحكم النباتات ذات نسب الضوء الأحمر إلى الأشعة تحت الحمراء المختلفة في التخليق الحيوي للهرمونات النباتية (الجبريلين، وحمض الإندول أسيتيك، والسيتوكينازول، وحمض الأبسيسيك)، والتي تُسهم أيضًا في تحمّل النبات للملوحة. في ظل الإجهاد الملحي، يمكن لبيئة الإضاءة ذات النسبة المنخفضة بين الضوء الأحمر والضوء الأحمر البعيد (R:FR) أن تُحسّن قدرة شتلات الطماطم على مقاومة الأكسدة والتمثيل الضوئي، وتقلل من إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) ومالونديالدهيد (MDA) في الشتلات، وتُحسّن تحملها للملوحة. وقد أدى كل من الإجهاد الملحي وانخفاض نسبة R:FR (R:FR=0.8) إلى تثبيط التخليق الحيوي للكلوروفيل، وهو ما قد يرتبط بتعطيل تحويل الفيتوكرومات (PBG) إلى يورو3 (UroIII) في مسار تخليق الكلوروفيل. في حين أن بيئة الإضاءة ذات النسبة المنخفضة من R:FR تُخفف بشكل فعال من ضعف تخليق الكلوروفيل الناتج عن الإجهاد الملحي. تشير هذه النتائج إلى وجود ارتباط وثيق بين الفيتوكرومات وتحمل الملوحة.

بالإضافة إلى بيئة الإضاءة، تؤثر عوامل بيئية أخرى على نمو وجودة شتلات الخضراوات. فعلى سبيل المثال، تؤدي زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون إلى زيادة قيمة التشبع الضوئي القصوى (Pnmax)، وتقليل نقطة تعويض الضوء، وتحسين كفاءة استخدام الضوء. كما تُسهم زيادة شدة الضوء وتركيز ثاني أكسيد الكربون في تحسين محتوى أصباغ التمثيل الضوئي، وكفاءة استخدام الماء، ونشاط الإنزيمات المرتبطة بدورة كالفن، مما يُحقق في النهاية كفاءة تمثيل ضوئي أعلى وتراكمًا أكبر للكتلة الحيوية في شتلات الطماطم. وقد وُجد ارتباط إيجابي بين الوزن الجاف وكثافة شتلات الطماطم والفلفل وكثافة الضوء اليومية (DLI)، كما أثر تغير درجة الحرارة على النمو في ظل نفس مستوى كثافة الضوء اليومية. وتُعد بيئة تتراوح درجة حرارتها بين 23 و25 درجة مئوية أكثر ملاءمة لنمو شتلات الطماطم. وبناءً على ظروف درجة الحرارة والإضاءة، طور الباحثون طريقة للتنبؤ بمعدل النمو النسبي للفلفل استنادًا إلى نموذج توزيع بيت، مما يُمكن أن يُوفر إرشادات علمية للتنظيم البيئي لإنتاج شتلات الفلفل المُطعّمة.

لذلك، عند تصميم مخطط تنظيم الضوء في الإنتاج، لا ينبغي فقط مراعاة عوامل بيئة الضوء وأنواع النباتات، ولكن أيضًا عوامل الزراعة والإدارة مثل تغذية الشتلات وإدارة المياه، وبيئة الغاز، ودرجة الحرارة، ومرحلة نمو الشتلات.

4. المشاكل والتوقعات

أولاً، يُعدّ تنظيم إضاءة شتلات الخضراوات عملية معقدة، ويتطلب الأمر تحليلاً دقيقاً لتأثيرات ظروف الإضاءة المختلفة على أنواع الشتلات المختلفة في بيئة المشتل. وهذا يعني أنه لتحقيق هدف إنتاج شتلات عالية الكفاءة والجودة، يلزم إجراء بحث مستمر لإنشاء نظام تقني متكامل.

ثانيًا، على الرغم من أن معدل استهلاك الطاقة لمصدر إضاءة LED مرتفع نسبيًا، إلا أن استهلاك الطاقة لإضاءة النباتات يمثل الاستهلاك الرئيسي للطاقة في زراعة الشتلات باستخدام الإضاءة الاصطناعية. ولا يزال الاستهلاك الهائل للطاقة في مزارع النباتات يشكل عائقًا رئيسيًا أمام تطويرها.

أخيرًا، مع التوسع في استخدام إضاءة النباتات في الزراعة، يُتوقع انخفاض تكلفة مصابيح LED المخصصة للنباتات بشكل كبير في المستقبل؛ في المقابل، من المؤكد أن ارتفاع تكاليف العمالة، لا سيما في مرحلة ما بعد الجائحة، ونقص العمالة، سيُسهم في تعزيز عملية ميكنة وأتمتة الإنتاج. في المستقبل، ستصبح نماذج التحكم القائمة على الذكاء الاصطناعي ومعدات الإنتاج الذكية من التقنيات الأساسية لإنتاج شتلات الخضراوات، وستواصل دعم تطوير تقنية إنتاج الشتلات في المصانع النباتية.

المؤلفون: جيهوي تان، هوتشنغ ليو
مصدر المقال: حساب WeChat الخاص بتكنولوجيا الهندسة الزراعية (زراعة البيوت المحمية)