Szklarnia ogrodnicza technologia inżynierii rolniczejOpublikowano o 17:30 w dniu 14 października 2022 r. w Pekinie

Wraz z ciągłym wzrostem światowej populacji zapotrzebowanie ludzi na żywność rośnie z dnia na dzień, a wymagania dotyczące żywienia i bezpieczeństwa żywności są coraz wyższe.Uprawa wysokowydajnych i wysokiej jakości roślin jest ważnym sposobem rozwiązywania problemów żywnościowych.Tradycyjna metoda hodowli wymaga jednak długiego czasu na wyhodowanie doskonałych odmian, co ogranicza postęp w hodowli.W przypadku jednorocznych upraw samozapylających może upłynąć 10–15 lat od początkowego krzyżowania rodzicielskiego do wyprodukowania nowej odmiany.Dlatego też, aby przyspieszyć postęp hodowli roślin uprawnych, należy pilnie poprawić efektywność hodowli i skrócić czas generacji.

Szybka hodowla oznacza maksymalizację tempa wzrostu roślin, przyspieszenie kwitnienia i owocowania oraz skrócenie cyklu hodowlanego poprzez kontrolowanie warunków środowiskowych w całkowicie zamkniętym pomieszczeniu do wzrostu w kontrolowanym środowisku.Fabryka roślin to system rolniczy, który może osiągnąć wysoką wydajność produkcji roślinnej dzięki precyzyjnej kontroli środowiska w obiektach i jest idealnym środowiskiem do szybkiej hodowli.Warunki środowiska sadzenia, takie jak światło, temperatura, wilgotność i stężenie CO2 w fabryce, można względnie kontrolować, a klimat zewnętrzny nie ma na nie wpływu lub w mniejszym stopniu.W kontrolowanych warunkach środowiskowych, najlepsze natężenie światła, czas świecenia i temperatura mogą przyspieszyć różne procesy fizjologiczne roślin, zwłaszcza fotosyntezę i kwitnienie, skracając w ten sposób czas generowania wzrostu roślin.Wykorzystanie technologii fabryki roślin do kontrolowania wzrostu i rozwoju upraw, wcześniejszego zbioru owoców, o ile kilka nasion o zdolności kiełkowania może zaspokoić potrzeby hodowlane.

Fotoperiod, główny czynnik środowiskowy wpływający na cykl wzrostu roślin

Cykl światła odnosi się do naprzemienności okresu światła i okresu ciemności w ciągu dnia.Cykl świetlny jest ważnym czynnikiem wpływającym na wzrost, rozwój, kwitnienie i owocowanie roślin uprawnych.Wyczuwając zmianę cyklu światła, rośliny uprawne mogą przechodzić od wzrostu wegetatywnego do wzrostu reprodukcyjnego oraz pełnego kwitnienia i owocowania.Różne odmiany upraw i genotypy mają różne reakcje fizjologiczne na zmiany fotoperiodu.Rośliny długo nasłonecznione, gdy czas nasłonecznienia przekroczy krytyczną długość nasłonecznienia, czas kwitnienia jest zwykle przyspieszany przez przedłużenie fotoperiodu, na przykład owies, pszenica i jęczmień.Niezależnie od fotoperiodu zakwitną rośliny neutralne, takie jak ryż, kukurydza i ogórek.Rośliny dnia krótkiego, takie jak bawełna, soja i proso, potrzebują do kwitnienia fotoperiodu krótszego niż krytyczna długość nasłonecznienia.W warunkach sztucznego środowiska 8 godzin światła i wysokiej temperatury 30 ℃ czas kwitnienia amarantusa jest o ponad 40 dni wcześniejszy niż w środowisku polowym.Przy zastosowaniu cyklu światła 16/8 h (jasno/ciemno) wszystkie siedem genotypów jęczmienia zakwitło wcześnie: Franklin (36 dni), Gairdner (35 dni), Gimmett (33 dni), Commander (30 dni), Fleet (29 dni). dni), Baudin (26 dni) i Lockyer (25 dni).

W sztucznym środowisku okres wzrostu pszenicy można skrócić, stosując hodowlę zarodkową w celu uzyskania sadzonek, a następnie napromieniowując przez 16 godzin, a co roku można wyprodukować 8 pokoleń.Okres wzrostu grochu został skrócony ze 143 dni w warunkach polowych do 67 dni w sztucznej szklarni przy 16-godzinnym świetle.Dzięki dalszemu wydłużeniu fotoperiodu do 20h i połączeniu go z 21°C/16°C (dzień/noc) okres wzrostu grochu można skrócić do 68 dni, a szybkość zawiązywania nasion wynosi 97,8%.W warunkach środowiska kontrolowanego po 20-godzinnym fotoperiodzie od siewu do kwitnienia mija 32 dni, a cały okres wzrostu wynosi 62-71 dni, czyli jest krótszy niż w warunkach polowych o ponad 30 dni.W warunkach sztucznej szklarni z 22-godzinnym fotoperiodem czas kwitnienia pszenicy, jęczmienia, rzepaku i ciecierzycy skraca się średnio odpowiednio o 22, 64, 73 i 33 dni.W połączeniu z wczesnym zbiorem nasion, szybkość kiełkowania nasion wczesnego zbioru może osiągnąć średnio odpowiednio 92%, 98%, 89% i 94%, co może w pełni zaspokoić potrzeby hodowlane.Najszybsze odmiany mogą w sposób ciągły produkować 6 pokoleń (pszenica) i 7 pokoleń (pszenica).W warunkach 22-godzinnego fotoperiodu czas kwitnienia owsa skrócił się o 11 dni, a 21 dni po kwitnieniu można było zagwarantować co najmniej 5 żywotnych nasion i nieprzerwanie rozmnażać pięć pokoleń rocznie.W sztucznej szklarni z 22-godzinnym oświetleniem okres wzrostu soczewicy skraca się do 115 dni i może ona rozmnażać się przez 3-4 pokolenia w roku.W warunkach 24-godzinnego ciągłego oświetlenia w sztucznej szklarni cykl wzrostu orzeszków ziemnych skraca się ze 145 dni do 89 dni i można go rozmnażać przez 4 pokolenia w ciągu jednego roku.

Jakość światła

Światło odgrywa kluczową rolę we wzroście i rozwoju roślin.Światło może kontrolować kwitnienie, wpływając na wiele fotoreceptorów.Stosunek światła czerwonego (R) do światła niebieskiego (B) jest bardzo ważny dla kwitnienia upraw.Długość fali światła czerwonego 600 ~ 700 nm zawiera pik absorpcji chlorofilu 660 nm, który może skutecznie promować fotosyntezę.Długość fali światła niebieskiego 400 ~ 500 nm wpłynie na fototropizm roślin, otwarcie aparatów szparkowych i wzrost sadzonek.W pszenicy stosunek światła czerwonego do światła niebieskiego wynosi około 1, co może najwcześniej wywołać kwitnienie.Przy jakości światła R:B=4:1 okres wzrostu średnio i późno dojrzewających odmian soi uległ skróceniu ze 120 dni do 63 dni, a wysokość roślin i biomasa pokarmowa uległy obniżeniu, ale nie wpłynęło to na plon nasion , które mogły zaspokoić co najmniej jedno ziarno na roślinę, a średni wskaźnik kiełkowania nasion niedojrzałych wyniósł 81,7%.W warunkach 10-godzinnego oświetlenia i doświetlenia światłem niebieskim rośliny soi stały się krótkie i mocne, zakwitły po 23 dniach od siewu, dojrzewały w ciągu 77 dni i mogły rozmnażać się przez 5 pokoleń w ciągu jednego roku.

Stosunek światła czerwonego do dalekiej czerwieni (FR) również wpływa na kwitnienie roślin.Pigmenty światłoczułe występują w dwóch postaciach: absorpcja światła dalekiej czerwieni (Pfr) i absorpcja światła czerwonego (Pr).Przy niskim stosunku R:FR światłoczułe pigmenty są przekształcane z Pfr w Pr, co prowadzi do kwitnienia roślin dnia długiego.Używanie diod LED do regulacji odpowiedniego współczynnika R:FR(0,66~1,07) może zwiększyć wysokość roślin, promować kwitnienie roślin dnia długiego (takich jak poranna chwała i lwia paszcza) oraz hamować kwitnienie roślin dnia krótkiego (takich jak nagietek) ).Kiedy R:FR jest większe niż 3,1, czas kwitnienia soczewicy jest opóźniony.Zmniejszenie R:FR do 1,9 pozwala uzyskać najlepszy efekt kwitnienia i może zakwitnąć 31 dnia po siewie.Wpływ światła czerwonego na hamowanie kwitnienia odbywa się za pośrednictwem światłoczułego pigmentu Pr.Badania wykazały, że gdy współczynnik R:FR jest wyższy niż 3,5, czas kwitnienia pięciu roślin strączkowych (groch, ciecierzyca, bób, soczewica i łubin) będzie opóźniony.W przypadku niektórych genotypów amarantusa i ryżu światło dalekiej czerwieni jest wykorzystywane do przyspieszenia kwitnienia odpowiednio o 10 i 20 dni.

Nawóz CO₂

CO₂jest głównym źródłem węgla w procesie fotosyntezy.Wysokie stężenie CO₂może zwykle sprzyjać wzrostowi i reprodukcji jednorocznych C3, podczas gdy niskie stężenie CO₂może zmniejszyć wydajność wzrostu i reprodukcji z powodu ograniczenia emisji dwutlenku węgla.Na przykład wydajność fotosyntezy roślin C3, takich jak ryż i pszenica, wzrasta wraz ze wzrostem CO₂poziomie, co skutkuje wzrostem biomasy i wczesnym kwitnieniem.Aby zdać sobie sprawę z pozytywnego wpływu CO₂wzrostu stężenia może być konieczna optymalizacja podaży wody i składników odżywczych.Dlatego pod warunkiem nieograniczonych inwestycji hydroponika może w pełni uwolnić potencjał wzrostowy roślin.Niski poziom CO₂koncentracja opóźniała czas kwitnienia Arabidopsis thaliana, natomiast wysoki poziom CO₂koncentracja przyspieszyła czas kwitnienia ryżu, skróciła okres wzrostu ryżu do 3 miesięcy i rozmnożyła 4 pokolenia w roku.Uzupełniając CO₂do 785,7 μmol/mol w sztucznym pojemniku, cykl hodowlany odmiany soi „Enrei” został skrócony do 70 dni i mogła ona rozmnażać 5 pokoleń w ciągu jednego roku.Kiedy CO₂stężenie wzrosło do 550 μmol / mol, kwitnienie Cajanus cajan zostało opóźnione o 8-9 dni, a czas wiązania i dojrzewania owoców również został opóźniony o 9 dni.Cajanus cajan gromadził nierozpuszczalny cukier przy wysokim stężeniu CO₂koncentracji, co może wpływać na przekazywanie sygnału przez rośliny i opóźniać kwitnienie.Dodatkowo w pomieszczeniu wzrostowym o podwyższonym CO₂, wzrasta liczba i jakość kwiatów soi, co sprzyja hybrydyzacji, a jej szybkość hybrydyzacji jest znacznie wyższa niż soi uprawianej w polu.

Perspektywy na przyszłość

Nowoczesne rolnictwo może przyspieszyć proces hodowli roślin uprawnych poprzez hodowlę alternatywną i hodowlę obiektową.Istnieją jednak pewne niedociągnięcia w tych metodach, takie jak surowe wymagania geograficzne, kosztowne zarządzanie siłą roboczą i niestabilne warunki naturalne, które nie mogą zagwarantować pomyślnego zbioru nasion.Na hodowlę obiektową mają wpływ warunki klimatyczne, a czas dodawania pokoleń jest ograniczony.Jednak hodowla markerów molekularnych przyspiesza jedynie selekcję i określenie docelowych cech hodowlanych.Obecnie technologię szybkiej hodowli stosuje się w przypadku Gramineae, Leguminosae, Cruciferae i innych upraw.Jednak hodowla fabryczna roślin z szybkim generowaniem całkowicie eliminuje wpływ warunków klimatycznych i może regulować środowisko wzrostu zgodnie z potrzebami wzrostu i rozwoju roślin.Łącząc technologię szybkiej hodowli roślin z tradycyjną hodowlą, hodowlą na markerach molekularnych i innymi metodami hodowlanymi skutecznie, pod warunkiem szybkiej hodowli, można skrócić czas potrzebny do uzyskania linii homozygotycznych po hybrydyzacji, a jednocześnie wczesne pokolenia mogą być dobrany tak, aby skrócić czas potrzebny do uzyskania idealnych cech i pokoleń hodowlanych.

Kluczowym ograniczeniem technologii szybkiej hodowli roślin w fabrykach jest to, że warunki środowiskowe wymagane do wzrostu i rozwoju różnych upraw są dość różne, a uzyskanie warunków środowiskowych do szybkiej hodowli docelowych upraw zajmuje dużo czasu.Jednocześnie ze względu na wysokie koszty budowy i eksploatacji fabryki roślin trudno jest przeprowadzić na dużą skalę eksperyment hodowli addytywnej, co często prowadzi do ograniczonego plonu nasion, co może ograniczać późniejszą ocenę charakteru pola.Wraz ze stopniowym ulepszaniem i ulepszaniem wyposażenia i technologii fabryki roślin, koszty budowy i eksploatacji fabryki roślin są stopniowo zmniejszane.Możliwa jest dalsza optymalizacja technologii szybkiego chowu i skrócenie cyklu hodowlanego poprzez efektywne łączenie technologii szybkiego chowu roślin z innymi technikami chowu.

KONIEC

Cytowane informacje

Liu Kaizhe, Liu Houcheng.Postęp badań technologii szybkiego rozmnażania roślin [J].Technologia inżynierii rolniczej, 2022,42(22):46-49.