《Frontiers in Plant Science》：Small-statured tomato plants for automating greenhouse production: opportunities, constraints, and research priorities
编辑推荐：
基于矮生植株的系统可能为未来自动化番茄生产做出贡献，但需要在栽培、作物管理、植物生理学、育种、机器人学和建模方面采取综合方法。温室番茄通常采用高架系统种植，在一个生产周期内植株茎长可达10米或更长。该系统已服务于产业约50年，可实现近乎连续的周年生产、高产和良
基于矮生植株的系统可能为未来自动化番茄生产做出贡献，但需要在栽培、作物管理、植物生理学、育种、机器人学和建模方面采取综合方法。温室番茄通常采用高架系统种植，在一个生产周期内植株茎长可达10米或更长。该系统已服务于产业约50年，可实现近乎连续的周年生产、高产和良好的果实品质。然而，该系统劳动密集，需要人工采收果实、修剪侧枝和叶片，以及将茎蔓缠绕在支撑绳上。如今，高架栽培的可行性正受到高劳动力成本和工人短缺的挑战。在这篇观点性论文中，研究人员提出了两种替代番茄生产系统：矮生番茄和有限果穗番茄（LTT）。两者均产生株型矮小、栽培周期短的番茄植株，这可能提高与自动化生产的兼容性。研究人员基于产量、光能利用效率、果实品质和劳动需求对这两种生产系统进行了评估和比较。此外，还提出了面向创新番茄生产的研究与产业未来方向。
论文解读文章
1. 研究背景与问题提出
当前全球温室番茄生产普遍采用高架系统，植株茎长在一个生产周期内可超过10米，连续生产约11个月，单季产量极高。尽管该系统在过去50年间通过精准环境控制、补光技术和品种改良实现了产量的大幅提升，但其劳动密集型特征日益成为制约因素。在高架系统中，每周需进行落蔓、绕蔓、摘叶、去侧枝和果实采收等大量人工操作，劳动力成本平均占荷兰温室总成本的31%，且近十五年来单位面积所需工时未见下降。随着劳动力成本持续上升和可用劳动力减少，现有系统的可持续性面临严峻挑战。虽然已有商业化的老叶去除机器人和实验性的果实采收机器人被开发出来，但由于高架系统冠层高大且持续变化，自动化实施仍十分困难。因此，亟需探索能够减少人工劳动、便于机器人化的替代生产系统。
2. 研究目的与方法概述
针对上述问题，研究人员提出并系统比较了两种基于矮生植株的替代番茄生产系统：矮生番茄系统和有限果穗番茄系统。矮生番茄携带控制有限生长的SELF-PRUNING基因隐性突变和影响节间伸长的DWARF突变，株高通常在40厘米以下，生命周期短（70–100天），果实集中成熟，适合机械化采收和垂直农业。有限果穗番茄则是在主茎第一或前几穗花上方摘心，使植株仅保留少数果穗，从而简化植株形态，便于标准化处理和机器人作业。研究人员主要通过文献数据整合与分析，从产量、光能利用效率（LUE）、果实品质（以可溶性固形物°Bx衡量）和劳动需求四个维度对三种系统进行定量比较。关键参数包括种植密度、单产、年化产量、光能利用效率、收获指数及单位面积和单位产量的工时投入。
3. 研究结果
高架系统
- •
产量：荷兰大型果高架番茄年产量从过去40年的30 kg·m-2增至目前的72 kg·m-2，使用LED补光后可达111 kg·m-2；樱桃番茄补光条件下年产量仅为34 kg·m-2。高产量源于高生物量积累和高收获指数（约0.7）。
- •
光能利用效率：大型果和樱桃番茄的LUE分别为12 g果实鲜重·mol-1入射光子和4 g果实鲜重·mol-1入射光子，按干重计分别约为0.5和0.4 g果实干重·mol-1入射光子。
- •
果实品质：大型果番茄可溶性固形物（°Bx）一般为4–6，樱桃番茄为6–9，高糖品种可达14。
- •
劳动需求：荷兰大型果高架番茄年劳动需求约7500 h·ha-1，折合0.4 min·kg-1；樱桃番茄则高达17000 h·ha-1和3.0 min·kg-1。
矮生番茄
- •
产量：在自主温室挑战赛中，补光条件下矮生番茄的年化产量估计为30–45 kg·m-2，采用动态种植密度，平均约30株·m-2。收获指数为0.5–0.6，低于高架系统。
- •
光能利用效率：LUE为7–11 g果实鲜重·mol-1入射光子，按干重计为0.7–1.1 g果实干重·mol-1入射光子。增加种植密度可提高基于入射光的LUE，但光截获在叶面积指数达到3–4时趋于饱和。
- •
果实品质：°Bx值范围为5–7，受品种和生长条件影响。动态种植密度可维持较高°Bx值（8.9–9.4），而恒定高密度（100株·m-2）会导致°Bx降至6.6。
- •
劳动需求：由于无需落蔓、绕蔓、摘叶等高架系统中的繁重任务，以盆栽凤梨科植物为参照估算的劳动需求为4000 h·ha-1·yr-1，折合约0.5–0.8 min·kg-1，低于高架系统。
有限果穗番茄
- •
产量：单个生长周期产量为3–15 kg·m-2，最大种植密度14.3株·m-2。以三个月为一个生长周期（不含育苗期），每年可完成四轮，预估最高年产量达60 kg·m-2。收获指数为0.4–0.6。
- •
光能利用效率：LUE较低，为3–5 g果实鲜重·mol-1入射光子，主要因果穗数少导致收获指数低。
- •
果实品质：与高架系统所用品种差异不大，但可通过在果实转色期施加盐胁迫（EC 8 dS·m-1）将°Bx从6.1提升至7.1而不显著减产。
- •
劳动需求：以矮生番茄劳动需求为基准，加上额外修剪和采收工时，估算年劳动需求为5400–5900 h·ha-1，折合约0.54–0.59 min·kg-1。
4. 讨论与结论
讨论：高架系统凭借其高产优势和成熟的管理体系，短期内仍将主导全球番茄生产，但在劳动力昂贵且短缺的地区（如荷兰和日本），其高劳动强度已成为推动自动化的关键瓶颈。矮生番茄和有限果穗番茄通过紧凑株型和简化农艺管理，为自动化提供了更有利的基础。两者均实现了营养生长与生殖生长在时间上的部分分离，从而允许分阶段优化环境控制。目前矮生番茄主要用于室内盆栽观赏而非商业化果实生产，若转向商业化种植，可采用更高且动态变化的种植密度以提升产量和LUE。对于有限果穗番茄，提高收获指数至关重要，研究发现保留两片叶和一至两穗果可获得最佳产量效益，但三穗果因坐果率降低而增产不显著。此外，培育少侧枝或无侧枝品种、降低种子/种苗成本以及更新过时的劳动数据是其商业化应用前亟待解决的关键问题。未来的全自动生产场景设想采用可移动槽式系统，将植株移至固定工位由工人或机器人进行操作，结合多分区环境控制、传感器监测和功能-结构植物模型，实现精确高效甚至自主化的生产过程管理。
结论：自主化生产将是未来食品生产系统的重要组成部分。当前标准的番茄生产系统——高架系统限制了自动化的实现。矮生植株，如矮生番茄和有限果穗番茄，可以简化作物架构，实现更标准化的作物处理和生长阶段特异的环境控制。研究人员得出结论，矮生番茄系统代表了迈向完全自动化的一个有前景的方向，这需要植物生理学研究、育种、机器人学和建模等多学科协作。为使这些系统具备商业可行性，还需要进一步研究以提高产量、降低劳动成本和优化作物架构。
