Tehnologija kmetijskega inženiringa v rastlinjakihObjavljeno 14. oktobra 2022 ob 17.30 v Pekingu

Z nenehnim naraščanjem svetovnega prebivalstva se povpraševanje ljudi po hrani povečuje iz dneva v dan, zato so postavljene višje zahteve glede hranilne vrednosti in varnosti hrane.Gojenje visoko donosnih in visokokakovostnih pridelkov je pomembno sredstvo za reševanje težav s hrano.Tradicionalna metoda žlahtnjenja pa zahteva dolgo časa za vzgojo odličnih sort, kar omejuje napredek žlahtnjenja.Pri enoletnih samoprašnih posevkih lahko traja 10–15 let od začetnega križanja staršev do pridelave nove sorte.Zato je za pospešitev napredka žlahtnjenja pridelkov nujno izboljšati učinkovitost žlahtnjenja in skrajšati čas generacije.

Hitro žlahtnjenje pomeni povečati stopnjo rasti rastlin, pospešiti cvetenje in plodove ter skrajšati cikel žlahtnjenja z nadzorom okoljskih pogojev v popolnoma zaprti sobi za rast v nadzorovanem okolju.Tovarna rastlin je kmetijski sistem, ki lahko doseže visoko učinkovito pridelavo pridelkov z visoko natančnim nadzorom okolja v obratih in je idealno okolje za hitro razmnoževanje.Pogoji okolja sajenja, kot so svetloba, temperatura, vlaga in koncentracija CO2 v tovarni, so razmeroma nadzorovani in nanje zunanja klima ne vpliva ali pa manj vpliva.Pod nadzorovanimi okoljskimi pogoji lahko najboljša svetlobna intenzivnost, svetlobni čas in temperatura pospešijo različne fiziološke procese rastlin, zlasti fotosintezo in cvetenje, s čimer skrajšajo generacijski čas rasti pridelkov.Uporaba tehnologije tovarne rastlin za nadzor rasti in razvoja pridelka, vnaprejšnje obiranje plodov, dokler lahko nekaj semen s sposobnostjo kalivosti zadosti potrebam vzreje.

Fotoperiod, glavni okoljski dejavnik, ki vpliva na cikel rasti pridelka

Cikel svetlobe se nanaša na menjavo svetlega in temnega obdobja v dnevu.Svetlobni cikel je pomemben dejavnik, ki vpliva na rast, razvoj, cvetenje in plodnost pridelkov.Z zaznavanjem spremembe svetlobnega cikla lahko pridelki preidejo iz vegetativne rasti v reproduktivno rast ter dokončajo cvetenje in plodove.Različne sorte poljščin in genotipi imajo različne fiziološke odzive na spremembe fotoperiode.Dolgo sončne rastline, ko čas sončnega obsevanja preseže kritično dolžino sončnega obsevanja, se čas cvetenja običajno pospeši s podaljšanjem fotoobdobja, kot so oves, pšenica in ječmen.Nevtralne rastline, ne glede na fotoobdobje, bodo cvetele, kot so riž, koruza in kumare.Rastline kratkega dneva, kot so bombaž, soja in proso, za cvetenje potrebujejo fotoperiod, ki je nižji od kritične dolžine sonca.V pogojih umetnega okolja z 8-urno svetlobo in visoko temperaturo 30 ℃ je čas cvetenja amaranta več kot 40 dni prej kot v poljskem okolju.Pri obdelavi 16/8 urnega svetlobnega cikla (svetlo/temno) je vseh sedem genotipov ječmena zgodaj zacvetelo: 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 obdobje rasti pšenice skrajša z uporabo embriokulture za pridobivanje sadik in nato obsevanjem 16 ur, vsako leto pa se lahko proizvede 8 generacij.Rastno dobo graha smo skrajšali s 143 dni v poljskem okolju na 67 dni v umetnem rastlinjaku s 16-urno svetlobo.Z nadaljnjim podaljšanjem fotoperiode na 20h in kombiniranjem z 21°C/16°C (dan/noč) se lahko obdobje rasti graha skrajša na 68 dni, stopnja vezave semena pa je 97,8 %.V pogojih kontroliranega okolja po 20-urnem fotoperiodičnem tretiranju preteče 32 dni od setve do cvetenja, celotna rastna doba pa je 62-71 dni, kar je za več kot 30 dni krajše kot v poljskih razmerah.V pogojih umetnega rastlinjaka z 22-urno fotoperiodo se čas cvetenja pšenice, ječmena, ogrščice in čičerike v povprečju skrajša za 22, 64, 73 oziroma 33 dni.V kombinaciji z zgodnjo žetvijo semen lahko stopnja kalivosti semen zgodnje žetve v povprečju doseže 92%, 98%, 89% oziroma 94%, kar lahko v celoti zadovolji potrebe vzreje.Najhitrejše sorte lahko neprekinjeno proizvajajo 6 generacij (pšenica) in 7 generacij (pšenica).Pod pogojem 22-urne fotoperiode se je čas cvetenja ovsa skrajšal za 11 dni, 21 dni po cvetenju pa je bilo mogoče zagotoviti vsaj 5 živih semen in vsako leto neprekinjeno razmnoževati pet generacij.V umetnem rastlinjaku z 22-urno osvetlitvijo se rastna doba leče skrajša na 115 dni, na leto pa lahko razmnožuje 3-4 generacije.Pod pogojem 24-urne neprekinjene osvetlitve v umetnem rastlinjaku se rastni cikel arašidov skrajša s 145 dni na 89 dni, v enem letu pa se lahko razmnožuje za 4 generacije.

Kakovost svetlobe

Svetloba igra ključno vlogo pri rasti in razvoju rastlin.Svetloba lahko nadzoruje cvetenje tako, da vpliva na številne fotoreceptorje.Razmerje med rdečo svetlobo (R) in modro svetlobo (B) je zelo pomembno za cvetenje pridelka.Valovna dolžina rdeče svetlobe 600 ~ 700 nm vsebuje vrh absorpcije klorofila 660 nm, kar lahko učinkovito spodbuja fotosintezo.Valovna dolžina modre svetlobe 400 ~ 500 nm bo vplivala na fototropizem rastline, odpiranje stomatov in rast sadik.Pri pšenici je razmerje med rdečo in modro svetlobo približno 1, kar lahko sproži cvetenje že prej.Pri svetlobni kakovosti R:B=4:1 se je obdobje rasti srednjih in poznih sort soje skrajšalo s 120 dni na 63 dni, zmanjšala sta se višina rastline in hranilna biomasa, vendar to ni vplivalo na pridelek semena. , ki je lahko zadovoljilo vsaj eno seme na rastlino, povprečna kalivost nezrelih semen pa je bila 81,7 %.V pogojih 10-urne osvetlitve in dodatka modre svetlobe so rastline soje postale nizke in močne, zacvetele 23 dni po setvi, dozorele v 77 dneh in se lahko v enem letu razmnoževale 5 generacij.

Na cvetenje rastlin vpliva tudi razmerje med rdečo in daleč rdečo svetlobo (FR).Fotosenzitivni pigmenti obstajajo v dveh oblikah: absorpcija daleč rdeče svetlobe (Pfr) in absorpcija rdeče svetlobe (Pr).Pri nizkem razmerju R:FR se fotoobčutljivi pigmenti pretvorijo iz Pfr v Pr, kar povzroči cvetenje rastlin dolgega dne.Uporaba LED luči za uravnavanje ustreznega R:FR(0,66~1,07) lahko poveča višino rastline, spodbuja cvetenje rastlin z dolgim ​​dnem (kot sta jutranja slava in snapdragon) in zavira cvetenje rastlin s kratkim dnem (kot je ognjič). ).Ko je R:FR večji od 3,1, se čas cvetenja leče zamakne.Zmanjšanje R:FR na 1,9 lahko doseže najboljši učinek cvetenja in lahko cveti 31. dan po setvi.Učinek rdeče svetlobe na zaviranje cvetenja posreduje fotosenzibilni pigment Pr.Študije so pokazale, da se bo čas cvetenja petih stročnic (grah, čičerika, bob, leča in volčji bob) podaljšal, ko je R:FR višji od 3,5.Pri nekaterih genotipih amaranta in riža se daljno rdeča svetloba uporablja za pospešitev cvetenja za 10 oziroma 20 dni.

Gnojilo CO₂

CO₂je glavni vir ogljika pri fotosintezi.Visoka koncentracija CO₂običajno lahko spodbuja rast in razmnoževanje enoletnic C3, medtem ko nizka koncentracija CO₂lahko zmanjša donos rasti in razmnoževanja zaradi omejitve ogljika.Na primer, fotosintetska učinkovitost rastlin C3, kot sta riž in pšenica, se poveča s povečanjem CO₂ravni, kar ima za posledico povečanje biomase in zgodnje cvetenje.Da bi spoznali pozitiven vpliv CO₂povečanje koncentracije, bo morda treba optimizirati oskrbo z vodo in hranili.Zato lahko hidroponika pod pogojem neomejenega vlaganja v celoti sprosti rastni potencial rastlin.Nizek CO₂koncentracija je odložila čas cvetenja Arabidopsis thaliana, medtem ko je visok CO₂koncentracija je pospešila čas cvetenja riža, skrajšala rastno obdobje riža na 3 mesece in razmnožila 4 generacije na leto.Z dopolnitvijo CO₂na 785,7μmol/mol v škatli za umetno rast, se je cikel razmnoževanja sorte soje 'Enrei' skrajšal na 70 dni in je lahko vzgojila 5 generacij v enem letu.Ko je CO₂koncentracija se je povečala na 550 μmol/mol, cvetenje Cajanus cajan je bilo odloženo za 8 ~ 9 dni, nastavitev in čas zorenja plodov pa sta bila prav tako odložena za 9 dni.Cajanus cajan je kopičil netopen sladkor pri visokem CO₂koncentracijo, ki lahko vpliva na prenos signala rastlin in zakasni cvetenje.Poleg tega v sobi za rast s povečanim CO₂, povečata se število in kakovost cvetov soje, kar je ugodno za hibridizacijo, njena stopnja hibridizacije pa je veliko višja kot pri soji, pridelani na polju.

Obeti za prihodnost

Sodobno kmetijstvo lahko pospeši proces žlahtnjenja poljščin z alternativno žlahtnjenjem in žlahtnjenjem v objektih.Vendar pa obstajajo nekatere pomanjkljivosti teh metod, kot so stroge geografske zahteve, drago upravljanje z delovno silo in nestabilni naravni pogoji, ki ne morejo zagotoviti uspešnega pridelka semen.Na objektno vzrejo vplivajo podnebne razmere, čas za dodajanje generacij pa je omejen.Vendar pa žlahtnjenje z molekularnimi markerji le pospeši selekcijo in določanje ciljnih lastnosti za vzrejo.Trenutno se tehnologija hitrega žlahtnjenja uporablja za Gramineae, Leguminosae, Cruciferae in druge pridelke.Vendar pa se hitro razmnoževanje v tovarni rastlin popolnoma znebi vpliva podnebnih razmer in lahko uravnava rastno okolje glede na potrebe rasti in razvoja rastlin.Kombinacija tehnologije hitrega žlahtnjenja v rastlinskih tovarnah s tradicionalnim žlahtnjenjem, žlahtnjenjem z molekularnimi markerji in drugimi metodami žlahtnjenja se lahko pod pogojem hitrega žlahtnjenja skrajša čas, potreben za pridobitev homozigotnih linij po hibridizaciji, hkrati pa se lahko zgodnje generacije izbrani za skrajšanje časa, potrebnega za pridobitev idealnih lastnosti in razmnoževanje generacij.

Ključna omejitev tehnologije hitrega žlahtnjenja rastlin v tovarnah je, da so okoljski pogoji, potrebni za rast in razvoj različnih poljščin, precej različni in je potrebno dolgo časa, da se pridobijo okoljski pogoji za hitro gojenje ciljnih poljščin.Hkrati je zaradi visokih stroškov gradnje in obratovanja tovarne rastlin težko izvesti obsežne poskuse aditivne vzreje, kar pogosto vodi do omejenega pridelka semen, kar lahko omeji nadaljnjo oceno lastnosti polja.S postopnim izboljšanjem in izboljšanjem tovarniške opreme in tehnologije se stroški gradnje in delovanja tovarne postopoma zmanjšujejo.Možno je dodatno optimizirati tehnologijo hitrega žlahtnjenja in skrajšati cikel žlahtnjenja z učinkovito kombinacijo tehnologije hitrega žlahtnjenja v tovarni rastlin z drugimi tehnikami žlahtnjenja.

KONEC

Citirane informacije

Liu Kaizhe, Liu Houcheng.Napredek raziskav tehnologije hitrega žlahtnjenja v tovarni [J].Tehnologija kmetijske tehnike, 2022,42(22):46-49.