Tehnologija kmetijskega inženiringa v rastlinjakihObjavljeno ob 17:30 dne 14. oktobra 2022 v Pekingu

Z nenehnim naraščanjem svetovnega prebivalstva se povpraševanje ljudi po hrani iz dneva v dan povečuje, zato se postavljajo višje zahteve glede hranilne vrednosti in varnosti hrane. Gojenje visoko donosnih in visokokakovostnih pridelkov je pomembno sredstvo za reševanje prehranskih težav. Vendar pa tradicionalne metode žlahtnjenja zahtevajo veliko časa za vzgojo odličnih sort, kar omejuje napredek žlahtnjenja. Pri enoletnih samoopraševalnih pridelkih lahko od začetnega križanja staršev do pridelave nove sorte traja 10–15 let. Zato je za pospešitev napredka žlahtnjenja pridelkov nujno izboljšati učinkovitost žlahtnjenja in skrajšati čas generacije.

Hitra vzreja pomeni maksimiranje stopnje rasti rastlin, pospešitev cvetenja in plodovanja ter skrajšanje cikla vzreje z nadzorovanjem okoljskih pogojev v popolnoma zaprtem rastnem prostoru z nadzorovanim okoljem. Rastlinska tovarna je kmetijski sistem, ki lahko doseže visoko učinkovito pridelavo poljščin z visoko natančnim nadzorom okolja v obratih in je idealno okolje za hitro vzrejo. Pogoji sajenja, kot so svetloba, temperatura, vlažnost in koncentracija CO2 v tovarni, so relativno nadzorovani in nanje zunanje podnebje ne vpliva ali pa nanje manj vpliva. V nadzorovanih okoljskih pogojih lahko najboljša intenzivnost svetlobe, čas osvetlitve in temperatura pospešijo različne fiziološke procese rastlin, zlasti fotosintezo in cvetenje, s čimer se skrajša čas rasti pridelka. Z uporabo tehnologije rastlinskih tovarn za nadzor rasti in razvoja pridelka se plodovi pobirajo vnaprej, dokler nekaj semen s sposobnostjo kalitve lahko zadovolji potrebe vzreje.

Fotoperioda, glavni okoljski dejavnik, ki vpliva na rastni cikel pridelkov

Svetlobni cikel se nanaša na menjavanje svetlobnega in temnega obdobja v dnevu. Svetlobni cikel je pomemben dejavnik, ki vpliva na rast, razvoj, cvetenje in plodovanje poljščin. Z zaznavanjem spremembe svetlobnega cikla lahko poljščine preidejo iz vegetativne rasti v reproduktivno rast ter popolno cvetenje in plodovanje. Različne sorte in genotipi poljščin imajo različne fiziološke odzive na spremembe fotoperiode. Rastline z dolgim ​​sončnim obsevanjem, ko sončni čas preseže kritično dolžino sončnega obsevanja, običajno pospešijo čas cvetenja s podaljšanjem fotoperiode, na primer oves, pšenica in ječmen. Nevtralne rastline, ne glede na fotoperiodo, bodo cvetele, na primer riž, koruza in kumare. Rastline s kratkim dnevom, kot so bombaž, soja in proso, potrebujejo fotoperiodo, krajšo od kritične dolžine sončnega obsevanja, da zacvetijo. V umetnih okoljskih pogojih z 8 urami svetlobe in visoko temperaturo 30 ℃ je čas cvetenja amaranta več kot 40 dni prej kot na polju. Pri tretiranju s 16/8-urnim svetlobnim ciklom (svetloba/tema) je vseh sedem genotipov ječmena zacvetelo zgodaj: Franklin (36 dni), Gairdner (35 dni), Gimmett (33 dni), Commander (30 dni), Fleet (29 dni), Baudin (26 dni) in Lockyer (25 dni).

V umetnem okolju se lahko rastna doba pšenice skrajša z uporabo embrionalne kulture za pridobitev sadik in nato z obsevanjem 16 ur, s čimer se lahko proizvede 8 generacij letno. Rastna doba graha se je skrajšala s 143 dni na polju na 67 dni v umetnem rastlinjaku s 16-urno svetlobo. Z nadaljnjim podaljšanjem fotoperiode na 20 ur in kombinacijo 21 °C/16 °C (dan/noč) se lahko rastna doba graha skrajša na 68 dni, stopnja kaljenja semen pa je 97,8 %. V kontroliranem okolju po 20-urni fotoperiodi od setve do cvetenja traja 32 dni, celotno obdobje rasti pa je 62–71 dni, kar je za več kot 30 dni krajše kot na polju. V umetnem rastlinjaku z 22-urno fotoperiodo se čas cvetenja pšenice, ječmena, oljne repice in čičerike v povprečju skrajša za 22, 64, 73 oziroma 33 dni. V kombinaciji z zgodnjo žetvijo semen lahko stopnja kalivosti zgodnjih semen v povprečju doseže 92 %, 98 %, 89 % oziroma 94 %, kar lahko v celoti zadovolji potrebe žlahtnjenja. Najhitrejše sorte lahko neprekinjeno proizvedejo 6 generacij (pšenica) oziroma 7 generacij (pšenica). Ob 22-urni fotoperiodi se je čas cvetenja ovsa skrajšal za 11 dni, 21 dni po cvetenju pa je bilo zagotovljenih vsaj 5 sposobnih semen, vsako leto pa se je lahko neprekinjeno razmnoževalo pet generacij. V umetnem rastlinjaku z 22-urno osvetlitvijo se rastna doba leče skrajša na 115 dni in se lahko razmnožuje 3-4 generacije na leto. Ob 24-urni neprekinjeni osvetlitvi v umetnem rastlinjaku se rastni cikel arašidov skrajša s 145 dni na 89 dni in se lahko razmnožuje 4 generacije v enem letu.

Kakovost svetlobe

Svetloba igra ključno vlogo pri rasti in razvoju rastlin. Svetloba lahko nadzoruje cvetenje z vplivom na številne fotoreceptorje. Razmerje med rdečo svetlobo (R) in modro svetlobo (B) je zelo pomembno za cvetenje rastlin. Valovna dolžina rdeče svetlobe 600–700 nm vsebuje absorpcijski vrh klorofila 660 nm, ki lahko učinkovito spodbuja fotosintezo. Valovna dolžina modre svetlobe 400–500 nm bo vplivala na fototropizem rastlin, odpiranje listnih rež in rast sadik. Pri pšenici je razmerje med rdečo in modro svetlobo približno 1, kar lahko povzroči cvetenje že v zgodnejši fazi. Pri kakovosti svetlobe R:B=4:1 se je obdobje rasti srednje in pozno dozorelih sort soje skrajšalo s 120 dni na 63 dni, višina rastline in hranilna biomasa pa sta se zmanjšali, vendar pridelek semen ni bil prizadet, kar je lahko zadovoljilo vsaj eno seme na rastlino, povprečna stopnja kalivosti nezrelih semen pa je bila 81,7 %. Pod pogojem 10-urne osvetlitve in dodatka modre svetlobe so rastline soje postale kratke in močne, zacvetele so 23 dni po setvi, dozorele v 77 dneh in se lahko razmnoževale 5 generacij v enem letu.

Razmerje med rdečo in daljno rdečo svetlobo (FR) vpliva tudi na cvetenje rastlin. Fotosenzitivni pigmenti obstajajo v dveh oblikah: absorpcija daljne rdeče svetlobe (Pfr) in absorpcija rdeče svetlobe (Pr). Pri nizkem razmerju R:FR se fotosenzitivni pigmenti pretvorijo iz Pfr v Pr, kar vodi do cvetenja dolgodnevnih rastlin. Uporaba LED luči za uravnavanje ustreznega R:FR (0,66~1,07) lahko poveča višino rastline, spodbudi cvetenje dolgodnevnih rastlin (kot sta jutranja slava in šnjurček) in zavre cvetenje kratkodnevnih rastlin (kot je ognjič). Ko je R:FR večji od 3,1, se čas cvetenja leče zavleče. Z zmanjšanjem R:FR na 1,9 se lahko doseže najboljši učinek cvetenja, ki lahko zacveti 31. dan po setvi. Učinek rdeče svetlobe na zaviranje cvetenja posreduje fotosenzitivni pigment Pr. Študije so pokazale, da se pri razmerju R:FR nad 3,5 čas cvetenja petih stročnic (grah, čičerika, bob, leča in volčji bob) zavleče. Pri nekaterih genotipih amaranta in riža se za pospešitev cvetenja za 10 oziroma 20 dni uporablja daljna rdeča svetloba.

Gnojilo CO₂

CO₂je glavni vir ogljika pri fotosintezi. Visoka koncentracija CO2₂običajno lahko spodbuja rast in razmnoževanje enoletnic C3, medtem ko nizka koncentracija CO2₂lahko zmanjša rast in razmnoževanje zaradi omejitve ogljika. Na primer, fotosintetska učinkovitost rastlin C3, kot sta riž in pšenica, se povečuje z naraščanjem CO2.₂raven, kar ima za posledico povečanje biomase in zgodnje cvetenje. Da bi dosegli pozitiven vpliv CO₂povečanje koncentracije bo morda potrebno optimizirati oskrbo z vodo in hranili. Zato lahko hidroponika pod pogojem neomejenih naložb v celoti sprosti rastni potencial rastlin. Nizka vsebnost CO2₂koncentracija je zavlekla čas cvetenja Arabidopsis thaliana, medtem ko je visoka koncentracija CO2₂koncentracija je pospešila čas cvetenja riža, skrajšala obdobje rasti riža na 3 mesece in razmnoževala 4 generacije na leto. Z dodajanjem CO2₂na 785,7 μmol/mol v umetnem rastnem prostoru se je cikel razmnoževanja sorte soje 'Enrei' skrajšal na 70 dni, v enem letu pa se je lahko razmnožila 5 generacij. Ko je CO₂Ko se je koncentracija povečala na 550 μmol/mol, se je cvetenje Cajanus cajan zavleklo za 8–9 dni, čas nastajanja in zorenja plodov pa se je prav tako zavlekel za 9 dni. Cajanus cajan je pri visoki koncentraciji CO2 kopičil netopni sladkor.₂koncentracija, kar lahko vpliva na prenos signala rastlin in odloži cvetenje. Poleg tega v rastnem prostoru s povečano koncentracijo CO₂, število in kakovost sojinih cvetov se povečata, kar je ugodno za hibridizacijo, stopnja hibridizacije pa je veliko višja kot pri soji, gojeni na polju.

Prihodnje možnosti

Sodobno kmetijstvo lahko pospeši proces žlahtnjenja poljščin z alternativnim in objektnim žlahtnjenjem. Vendar pa imajo te metode nekatere pomanjkljivosti, kot so stroge geografske zahteve, drago upravljanje delovne sile in nestabilne naravne razmere, ki ne morejo zagotoviti uspešnega pridelave semen. Na objektno žlahtnjenje vplivajo podnebne razmere, čas za dodajanje generacij pa je omejen. Vendar pa molekularno-markersko žlahtnjenje le pospeši izbor in določanje ciljnih lastnosti žlahtnjenja. Trenutno se tehnologija hitrega žlahtnjenja uporablja za žitarice, stročnice, križnice in druge poljščine. Vendar pa tovarniško hitro generacijsko žlahtnjenje popolnoma odpravi vpliv podnebnih razmer in lahko uravnava rastno okolje glede na potrebe rasti in razvoja rastlin. Z učinkovito kombinacijo tovarniško hitrega žlahtnjenja s tradicionalnim žlahtnjenjem, molekularno-markerskimi žlahtnjenji in drugimi metodami žlahtnjenja se lahko pod pogojem hitrega žlahtnjenja skrajša čas, potreben za pridobitev homozigotnih linij po hibridizaciji, hkrati pa se lahko izberejo zgodnje generacije, da se skrajša čas, potreben za pridobitev idealnih lastnosti in generacij za vzrejo.

Ključna omejitev tehnologije hitrega gojenja rastlin v tovarnah je, da so okoljski pogoji, potrebni za rast in razvoj različnih poljščin, precej različni in da je za doseganje okoljskih pogojev za hitro gojenje ciljnih poljščin potrebno veliko časa. Hkrati je zaradi visokih stroškov gradnje in delovanja tovarn težko izvajati obsežne poskuse aditivnega gojenja, kar pogosto vodi do omejenega pridelka semen, kar lahko omeji nadaljnjo oceno lastnosti na polju. S postopnim izboljševanjem opreme in tehnologije tovarn se stroški gradnje in delovanja tovarn postopoma zmanjšujejo. Tehnologijo hitrega gojenja je mogoče dodatno optimizirati in skrajšati cikel gojenja z učinkovito kombinacijo tehnologije hitrega gojenja v tovarnah rastlin z drugimi tehnikami gojenja.

KONEC

Citirane informacije

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Raziskovalni napredek tehnologije hitrega gojenja rastlin v tovarnah [J]. Kmetijska inženirska tehnologija, 2022, 42(22): 46–49.