Technologia inżynierii rolniczej ogrodnictwa szklarniowegoOpublikowano 14 października 2022 r. o godz. 17:30 w Pekinie

Wraz z ciągłym wzrostem populacji na świecie, zapotrzebowanie na żywność rośnie z dnia na dzień, a wymagania dotyczące wartości odżywczych i bezpieczeństwa żywności rosną. Uprawa roślin o wysokiej wydajności i jakości jest ważnym sposobem na rozwiązanie problemów żywnościowych. Jednak tradycyjne metody hodowli wymagają długiego czasu na wyhodowanie doskonałych odmian, co ogranicza postęp w hodowli. W przypadku roślin jednorocznych samopylnych, od pierwszego skrzyżowania rodzica do wytworzenia nowej odmiany może upłynąć 10–15 lat. Dlatego, aby przyspieszyć postęp w hodowli roślin, pilnie konieczne jest zwiększenie efektywności hodowli i skrócenie czasu generacji.

Szybka hodowla oznacza maksymalizację tempa wzrostu roślin, przyspieszenie kwitnienia i owocowania oraz skrócenie cyklu hodowlanego poprzez kontrolę warunków środowiskowych w całkowicie zamkniętym, kontrolowanym pomieszczeniu wzrostowym. Fabryka roślin to system rolniczy, który może osiągnąć wysoką wydajność produkcji roślinnej dzięki precyzyjnej kontroli środowiska w obiektach i stanowi idealne środowisko do szybkiej hodowli. Warunki środowiska sadzenia, takie jak światło, temperatura, wilgotność i stężenie CO2 w fabryce, są stosunkowo łatwe do kontrolowania i nie są w niewielkim stopniu zależne od klimatu zewnętrznego. W kontrolowanych warunkach środowiskowych, optymalne natężenie światła, czas oświetlenia i temperatura mogą przyspieszyć różne procesy fizjologiczne roślin, zwłaszcza fotosyntezę i kwitnienie, skracając w ten sposób czas wzrostu roślin. Wykorzystując technologię fabryki roślin do kontrolowania wzrostu i rozwoju roślin, można zbierać owoce z wyprzedzeniem, o ile kilka nasion zdolnych do kiełkowania zaspokoi potrzeby hodowlane.

Fotoperiod, główny czynnik środowiskowy wpływający na cykl wzrostu roślin

Cykl świetlny odnosi się do naprzemiennego występowania okresów światła i ciemności w ciągu dnia. Cykl świetlny jest ważnym czynnikiem wpływającym na wzrost, rozwój, kwitnienie i owocowanie roślin uprawnych. Dzięki wyczuwaniu zmian cyklu świetlnego rośliny mogą przejść ze wzrostu wegetatywnego do wzrostu reprodukcyjnego, a następnie do pełnego kwitnienia i owocowania. Różne odmiany i genotypy roślin uprawnych wykazują odmienne reakcje fizjologiczne na zmiany fotoperiodu. Rośliny długo nasłonecznione, takie jak owies, pszenica i jęczmień, gdy czas nasłonecznienia przekroczy krytyczną długość okresu słonecznego, zwykle przyspieszają kwitnienie poprzez wydłużenie fotoperiodu. Rośliny neutralne, takie jak ryż, kukurydza i ogórek, zakwitną, niezależnie od fotoperiodu. Rośliny krótkodniowe, takie jak bawełna, soja i proso, potrzebują fotoperiodu krótszego niż krytyczna długość okresu słonecznego, aby zakwitnąć. ​​W sztucznych warunkach środowiskowych, przy 8 godzinach światła i temperaturze 30°C, czas kwitnienia szarłatu jest o ponad 40 dni wcześniejszy niż w warunkach polowych. Przy zastosowaniu cyklu świetlnego 16/8 h (światło/ciemność) wszystkie siedem genotypów jęczmienia zakwitło wcześniej: Franklin (36 dni), Gairdner (35 dni), Gimmett (33 dni), Commander (30 dni), Fleet (29 dni), Baudin (26 dni) i Lockyer (25 dni).

W sztucznym środowisku okres wzrostu pszenicy można skrócić, stosując hodowlę zarodków w celu uzyskania siewek, a następnie naświetlając je przez 16 godzin, co pozwala na uzyskanie 8 pokoleń rocznie. Okres wzrostu grochu został skrócony ze 143 dni w środowisku polowym do 67 dni w sztucznej szklarni z 16-godzinnym oświetleniem. Poprzez dalsze wydłużenie fotoperiodu do 20 godzin i połączenie go z temperaturą 21°C/16°C (dzień/noc), okres wzrostu grochu można skrócić do 68 dni, a wskaźnik zawiązywania nasion wynosi 97,8%. W warunkach kontrolowanego środowiska, po 20-godzinnym naświetlaniu, okres od siewu do kwitnienia wynosi 32 dni, a cały okres wzrostu wynosi 62-71 dni, czyli o ponad 30 dni krócej niż w warunkach polowych. W warunkach sztucznej szklarni z 22-godzinnym fotoperiodem, czas kwitnienia pszenicy, jęczmienia, rzepaku i ciecierzycy ulega skróceniu średnio o 22, 64, 73 i 33 dni. W połączeniu z wczesnym zbiorem nasion, wskaźniki kiełkowania wczesnych zbiorów mogą osiągnąć średnio odpowiednio 92%, 98%, 89% i 94%, co w pełni zaspokaja potrzeby hodowlane. Najszybsze odmiany mogą nieprzerwanie produkować 6 pokoleń (pszenica) i 7 pokoleń (pszenica). W warunkach 22-godzinnego fotoperiodu, czas kwitnienia owsa uległ skróceniu o 11 dni, a 21 dni po kwitnieniu można było zagwarantować co najmniej 5 żywotnych nasion, a pięć pokoleń można było nieprzerwanie rozmnażać każdego roku. W sztucznej szklarni z 22-godzinnym oświetleniem, okres wzrostu soczewicy ulega skróceniu do 115 dni, a rośliny mogą rozmnażać się przez 3-4 pokolenia rocznie. W warunkach ciągłego oświetlenia przez 24 godziny w sztucznej szklarni cykl wzrostu orzeszków ziemnych ulega skróceniu ze 145 do 89 dni, a w ciągu roku możliwe jest rozmnożenie 4 pokoleń.

Jakość światła

Światło odgrywa kluczową rolę we wzroście i rozwoju roślin. Światło może kontrolować kwitnienie poprzez oddziaływanie na wiele fotoreceptorów. Stosunek światła czerwonego (R) do światła niebieskiego (B) jest bardzo ważny dla kwitnienia roślin. Długość fali światła czerwonego wynosząca 600~700 nm zawiera pik absorpcji chlorofilu wynoszący 660 nm, który może skutecznie promować fotosyntezę. Długość fali światła niebieskiego wynosząca 400~500 nm wpływa na fototropizm roślin, otwieranie aparatów szparkowych i wzrost siewek. W przypadku pszenicy stosunek światła czerwonego do niebieskiego wynosi około 1, co może wywołać kwitnienie najwcześniej. 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 odżywcza uległy zmniejszeniu, ale plon nasion nie uległ zmianie, co pozwoliło na uzyskanie co najmniej jednego nasiona na roślinę. Średnia zdolność kiełkowania niedojrzałych nasion wyniosła 81,7%. Pod wpływem 10-godzinnego oświetlenia i dodatku światła niebieskiego rośliny soi stały się niskie i silne, zakwitły 23 dni po siewie, dojrzały w ciągu 77 dni i mogły rozmnażać się przez 5 pokoleń w ciągu jednego roku.

Stosunek światła czerwonego do dalekiej czerwieni (FR) wpływa również na kwitnienie roślin. Pigmenty światłoczułe występują w dwóch formach: absorpcji światła dalekiej czerwieni (Pfr) i absorpcji światła czerwonego (Pr). Przy niskim stosunku R:FR pigmenty światłoczułe przekształcają się z Pfr do Pr, co prowadzi do kwitnienia roślin dnia długiego. Stosowanie oświetlenia LED do regulacji odpowiedniego R:FR (0,66~1,07) może zwiększyć wysokość rośliny, promować kwitnienie roślin dnia długiego (takich jak powój i lwia paszcza) i hamować kwitnienie roślin dnia krótkiego (takich jak nagietek). Gdy R:FR jest większe niż 3,1, czas kwitnienia soczewicy jest opóźniony. Zmniejszenie R:FR do 1,9 może dać najlepszy efekt kwitnienia, a roślina może zakwitnąć 31. dnia po siewie. Wpływ światła czerwonego na hamowanie kwitnienia jest pośredniczony przez pigment światłoczuły Pr. Badania wykazały, że gdy R:FR jest wyższy niż 3,5, okres kwitnienia pięciu roślin strączkowych (grochu, ciecierzycy, bobu, soczewicy i łubinu) ulega opóźnieniu. W niektórych genotypach szarłatu i ryżu, światło dalekiej czerwieni jest stosowane do przyspieszenia kwitnienia odpowiednio o 10 i 20 dni.

Nawóz CO₂

CO₂jest głównym źródłem węgla w procesie fotosyntezy. Wysokie stężenie CO₂może zazwyczaj wspomagać wzrost i reprodukcję roślin jednorocznych C3, podczas gdy niskie stężenie CO₂Może zmniejszyć plon wzrostu i reprodukcji z powodu ograniczenia węgla. Na przykład, wydajność fotosyntezy roślin C3, takich jak ryż i pszenica, wzrasta wraz ze wzrostem stężenia CO2.₂poziom, co skutkuje wzrostem biomasy i wcześniejszym kwitnieniem. Aby zrealizować pozytywny wpływ CO₂Wzrost stężenia może wymagać optymalizacji podaży wody i składników odżywczych. Dlatego, przy nieograniczonych nakładach inwestycyjnych, hydroponika może w pełni wykorzystać potencjał wzrostu roślin. Niska emisja CO2₂stężenie CO2 opóźniło czas kwitnienia Arabidopsis thaliana, podczas gdy wysokie stężenie CO2₂Koncentracja przyspieszyła kwitnienie ryżu, skróciła okres wzrostu ryżu do 3 miesięcy i rozmnażała 4 pokolenia rocznie. Dzięki dodatkowi CO₂do 785,7 μmol/mol w sztucznym zbiorniku wzrostu, cykl hodowlany soi odmiany „Enrei” został skrócony do 70 dni, co pozwoliło na wyhodowanie 5 pokoleń w ciągu roku. Gdy CO₂Po zwiększeniu stężenia do 550 μmol/mol, kwitnienie Cajanus cajan zostało opóźnione o 8–9 dni, a zawiązywanie i dojrzewanie owoców również opóźniło się o 9 dni. Cajanus cajan gromadził nierozpuszczalny cukier w wysokich temperaturach.₂stężenie, które może wpływać na transmisję sygnału przez rośliny i opóźniać kwitnienie. Ponadto w pomieszczeniu uprawowym o zwiększonym stężeniu CO₂, liczba i jakość kwiatów soi wzrasta, co sprzyja krzyżowaniu, a jej wskaźnik krzyżowania jest znacznie wyższy niż w przypadku soi uprawianej w polu.

Perspektywy na przyszłość

Współczesne rolnictwo może przyspieszyć proces hodowli roślin uprawnych poprzez hodowlę alternatywną i hodowlę w warunkach naturalnych. Metody te mają jednak pewne wady, takie jak surowe wymagania geograficzne, kosztowne zarządzanie siłą roboczą i niestabilne warunki naturalne, które nie gwarantują udanego zbioru nasion. Hodowla w warunkach naturalnych jest uzależniona od warunków klimatycznych, a czas na dodanie generacji jest ograniczony. Hodowla markerów molekularnych jedynie przyspiesza selekcję i określanie docelowych cech hodowlanych. Obecnie technologie szybkiej hodowli są stosowane w uprawach traw, roślin strączkowych, krzyżowych i innych. Jednak hodowla w warunkach naturalnych całkowicie eliminuje wpływ warunków klimatycznych i może regulować środowisko wzrostu zgodnie z potrzebami wzrostu i rozwoju roślin. Łącząc technologię szybkiej hodowli roślin z hodowlą tradycyjną, hodowlą markerów molekularnych i innymi metodami hodowlanymi, w warunkach szybkiej hodowli, czas potrzebny do uzyskania linii homozygotycznych po hybrydyzacji może zostać skrócony, a jednocześnie wczesne pokolenia mogą zostać wyselekcjonowane w celu skrócenia czasu potrzebnego do uzyskania idealnych cech i pokoleń hodowlanych.

Głównym ograniczeniem technologii szybkiej hodowli roślin w fabrykach jest to, że warunki środowiskowe wymagane do wzrostu i rozwoju różnych upraw są bardzo zróżnicowane, a uzyskanie warunków środowiskowych do szybkiej hodowli roślin docelowych zajmuje dużo czasu. Jednocześnie, ze względu na wysokie koszty budowy i eksploatacji fabryk roślin, trudno jest przeprowadzać eksperymenty z hodowlą addytywną na dużą skalę, co często prowadzi do ograniczonych plonów nasion, co może ograniczać późniejszą ocenę cech polowych. Dzięki stopniowemu ulepszaniu i udoskonalaniu sprzętu i technologii w fabrykach roślin, koszty budowy i eksploatacji fabryk roślin są stopniowo obniżane. Możliwa jest dalsza optymalizacja technologii szybkiej hodowli i skrócenie cyklu hodowlanego poprzez efektywne połączenie technologii szybkiej hodowli w fabrykach roślin z innymi technikami hodowlanymi.

KONIEC

Cytowane informacje

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Postęp badań nad technologią szybkiej hodowli roślin w fabrykach [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022,42(22):46-49.