Tehnologie de inginerie agricolă horticolă în serăPublicat la 17:30 pe 14 octombrie 2022 la Beijing

Odată cu creșterea continuă a populației globale, cererea oamenilor de alimente crește zi de zi, iar cerințele privind nutriția și siguranța alimentelor sunt tot mai mari. Cultivarea culturilor cu randament ridicat și de înaltă calitate este un mijloc important de a rezolva problemele alimentare. Cu toate acestea, metoda tradițională de ameliorare necesită mult timp pentru a cultiva soiuri excelente, ceea ce limitează progresul ameliorării. Pentru culturile autopolenizante anuale, pot dura 10-15 ani de la încrucișarea inițială a părinților până la producerea unui nou soi. Prin urmare, pentru a accelera progresul ameliorării culturilor, este urgent să se îmbunătățească eficiența ameliorării și să se scurteze timpul de generare.

Ameliorarea rapidă înseamnă maximizarea ratei de creștere a plantelor, accelerarea înfloririi și fructificării și scurtarea ciclului de reproducere prin controlul condițiilor de mediu într-o cameră de creștere complet închisă, cu mediu controlat. Fabrica de plante este un sistem agricol care poate realiza o producție de culturi de înaltă eficiență printr-un control de mediu de înaltă precizie în instalații și este un mediu ideal pentru reproducerea rapidă. Condițiile mediului de plantare, cum ar fi lumina, temperatura, umiditatea și concentrația de CO2 din fabrică, sunt relativ controlabile și nu sunt sau sunt mai puțin afectate de climatul extern. În condiții de mediu controlate, cea mai bună intensitate a luminii, timpul de iluminare și temperatura pot accelera diverse procese fiziologice ale plantelor, în special fotosinteza și înflorirea, scurtând astfel timpul de generare a creșterii culturilor. Folosind tehnologia fabricii de plante pentru a controla creșterea și dezvoltarea culturilor, recoltarea fructelor în avans, atâta timp cât câteva semințe cu capacitate de germinare pot satisface nevoile de reproducere.

Fotoperioada, principalul factor de mediu care afectează ciclul de creștere a culturilor

Ciclul de lumină se referă la alternarea perioadei de lumină cu perioada de întuneric pe parcursul unei zile. Ciclul de lumină este un factor important care afectează creșterea, dezvoltarea, înflorirea și fructificarea culturilor. Prin detectarea schimbării ciclului de lumină, culturile pot trece de la creșterea vegetativă la creșterea reproductivă și la înflorire și fructificare completă. Diferite soiuri și genotipuri de culturi au răspunsuri fiziologice diferite la schimbările de fotoperioadă. Plantele cu zile lungi de soare, odată ce timpul de strălucire depășește durata critică a soarelui, timpul de înflorire este de obicei accelerat de prelungirea fotoperioadei, cum ar fi ovăzul, grâul și orzul. Plantele neutre, indiferent de fotoperioadă, vor înflori, cum ar fi orezul, porumbul și castravetele. Plantele cu zile scurte, cum ar fi bumbacul, soia și meiul, au nevoie de o fotoperioadă mai mică decât durata critică a soarelui pentru a înflori. În condiții de mediu artificial de 8 ore de lumină și temperatură ridicată de 30 ℃, timpul de înflorire al amarantului este cu peste 40 de zile mai devreme decât cel din mediul de câmp. Sub tratamentul unui ciclu de lumină de 16/8 ore (lumină/întuneric), toate cele șapte genotipuri de orz au înflorit devreme: Franklin (36 de zile), Gairdner (35 de zile), Gimmett (33 de zile), Commander (30 de zile), Fleet (29 de zile), Baudin (26 de zile) și Lockyer (25 de zile).

În mediu artificial, perioada de creștere a grâului poate fi scurtată prin utilizarea culturilor de embrioni pentru obținerea răsadurilor, apoi prin iradiere timp de 16 ore, putând fi produse 8 generații în fiecare an. Perioada de creștere a mazărei a fost scurtată de la 143 de zile în câmp la 67 de zile în seră artificială cu 16 ore de lumină. Prin prelungirea suplimentară a fotoperioadei la 20 de ore și combinarea acesteia cu 21°C/16°C (zi/noapte), perioada de creștere a mazărei poate fi scurtată la 68 de zile, iar rata de legare a semințelor este de 97,8%. În condiții de mediu controlat, după un tratament cu fotoperioadă de 20 de ore, durează 32 de zile de la semănat până la înflorire, iar întreaga perioadă de creștere este de 62-71 de zile, ceea ce este mai scurt decât cea din câmp cu peste 30 de zile. În condiții de seră artificială cu fotoperioadă de 22 de ore, timpul de înflorire a grâului, orzului, rapiței și năutului este scurtat în medie cu 22, 64, 73 și, respectiv, 33 de zile. Combinată cu recoltarea timpurie a semințelor, ratele de germinare a semințelor recoltate timpuriu pot ajunge în medie la 92%, 98%, 89% și respectiv 94%, ceea ce poate satisface pe deplin nevoile de ameliorare. Cele mai rapide soiuri pot produce continuu 6 generații (grâu) și 7 generații (grâu). În condițiile unei fotoperioade de 22 de ore, timpul de înflorire al ovăzului a fost redus cu 11 zile, iar la 21 de zile după înflorire, s-au putut garanta cel puțin 5 semințe viabile, iar cinci generații au putut fi propagate continuu în fiecare an. În sera artificială cu iluminare 22 de ore, perioada de creștere a lintei este scurtată la 115 zile, iar aceasta se poate reproduce timp de 3-4 generații pe an. În condițiile iluminării continue 24 de ore din sera artificială, ciclul de creștere al arahidei este redus de la 145 de zile la 89 de zile, putând fi propagată timp de 4 generații într-un an.

Calitatea luminii

Lumina joacă un rol vital în creșterea și dezvoltarea plantelor. Lumina poate controla înflorirea prin afectarea multor fotoreceptori. Raportul dintre lumina roșie (R) și lumina albastră (B) este foarte important pentru înflorirea culturilor. Lungimea de undă a luminii roșii de 600~700nm conține vârful de absorbție al clorofilei de 660nm, care poate promova eficient fotosinteza. Lungimea de undă a luminii albastre de 400~500nm va afecta fototropismul plantelor, deschiderea stomatelor și creșterea răsadurilor. La grâu, raportul dintre lumina roșie și lumina albastră este de aproximativ 1, ceea ce poate induce înflorirea cel mai devreme. În condițiile unei calități a luminii R:B=4:1, perioada de creștere a soiurilor de soia cu maturare medie și târzie a fost scurtată de la 120 de zile la 63 de zile, iar înălțimea plantei și biomasa nutrițională au fost reduse, dar randamentul semințelor nu a fost afectat, ceea ce a putut satisface cel puțin o sămânță per plantă, iar rata medie de germinare a semințelor imature a fost de 81,7%. În condiții de iluminare de 10 ore și suplimentare cu lumină albastră, plantele de soia au devenit scurte și puternice, au înflorit la 23 de zile după semănat, au ajuns la maturitate în 77 de zile și s-au putut reproduce timp de 5 generații într-un an.

Raportul dintre lumina roșie și lumina roșie îndepărtată (FR) afectează, de asemenea, înflorirea plantelor. Pigmenții fotosensibili există în două forme: absorbția luminii roșii îndepărtate (Pfr) și absorbția luminii roșii (Pr). La un raport R:FR scăzut, pigmenții fotosensibili sunt convertiți din Pfr în Pr, ceea ce duce la înflorirea plantelor de zi lungă. Utilizarea luminilor LED pentru a regla R:FR adecvat (0,66~1,07) poate crește înălțimea plantei, poate promova înflorirea plantelor de zi lungă (cum ar fi gloria dimineții și gura-leului) și poate inhiba înflorirea plantelor de zi scurtă (cum ar fi gălbenelele). Când R:FR este mai mare de 3,1, timpul de înflorire al lintei este întârziat. Reducerea R:FR la 1,9 poate obține cel mai bun efect de înflorire, putând înflori în a 31-a zi după semănat. Efectul luminii roșii asupra inhibării înfloririi este mediat de pigmentul fotosensibil Pr. Studiile au arătat că atunci când R:FR este mai mare de 3,5, timpul de înflorire a cinci plante leguminoase (mazăre, năut, fasole lată, linte și lupin) va fi întârziat. La unele genotipuri de amarant și orez, lumina roșu îndepărtat este utilizată pentru a avansa înflorirea cu 10 zile, respectiv 20 de zile.

CO2 îngrășământ₂

CO₂este principala sursă de carbon a fotosintezei. Concentrație mare de CO₂poate de obicei promova creșterea și reproducerea plantelor anuale C3, în timp ce concentrația scăzută de CO2₂poate reduce randamentul de creștere și reproducere din cauza limitării carbonului. De exemplu, eficiența fotosintetică a plantelor C3, cum ar fi orezul și grâul, crește odată cu creșterea CO2₂nivel, rezultând creșterea biomasei și înflorirea timpurie. Pentru a realiza impactul pozitiv al CO2₂creșterea concentrației, poate fi necesară optimizarea aportului de apă și nutrienți. Prin urmare, în condițiile unor investiții nelimitate, hidroponica poate elibera pe deplin potențialul de creștere al plantelor. Emisii scăzute de CO2₂concentrația ridicată de CO2 a întârziat timpul de înflorire al Arabidopsis thaliana₂concentrația a accelerat perioada de înflorire a orezului, a scurtat perioada de creștere a orezului la 3 luni și a propagat 4 generații pe an. Prin suplimentarea cu CO2₂la 785,7 μmol/mol în cutia de creștere artificială, ciclul de reproducere al soiului de soia „Enrei” a fost scurtat la 70 de zile, putând reproduce 5 generații într-un an. Când CO₂concentrația a crescut la 550 μmol/mol, înflorirea Cajanus cajan a fost întârziată cu 8~9 zile, iar legarea și coacerea fructelor au fost, de asemenea, întârziate cu 9 zile. Cajanus cajan a acumulat zahăr insolubil la CO2 ridicat.₂concentrație, care poate afecta transmiterea semnalului plantelor și poate întârzia înflorirea. În plus, în camera de creștere cu CO2 crescut₂, numărul și calitatea florilor de soia cresc, ceea ce favorizează hibridizarea, iar rata de hibridizare a acesteia este mult mai mare decât cea a soiei cultivate în câmp.

Perspective de viitor

Agricultura modernă poate accelera procesul de ameliorare a culturilor prin intermediul ameliorării alternative și a ameliorării în instalații. Cu toate acestea, există unele deficiențe ale acestor metode, cum ar fi cerințele geografice stricte, managementul costisitor al forței de muncă și condițiile naturale instabile, care nu pot garanta recoltarea cu succes a semințelor. Ameliorarea în instalații este influențată de condițiile climatice, iar timpul pentru adăugarea generațiilor este limitat. Cu toate acestea, ameliorarea cu markeri moleculari accelerează doar selecția și determinarea trăsăturilor țintă de ameliorare. În prezent, tehnologia de ameliorare rapidă a fost aplicată la Gramineae, Leguminosae, Cruciferae și alte culturi. Cu toate acestea, ameliorarea rapidă prin generații în fabrici de plante elimină complet influența condițiilor climatice și poate regla mediul de creștere în funcție de nevoile creșterii și dezvoltării plantelor. Combinând tehnologia de ameliorare rapidă prin fabrici de plante cu ameliorarea tradițională, ameliorarea cu markeri moleculari și alte metode de ameliorare, în condițiile ameliorării rapide, se poate reduce timpul necesar pentru obținerea liniilor homozigote după hibridizare și, în același timp, se pot selecta generațiile timpurii pentru a scurta timpul necesar pentru obținerea trăsăturilor ideale și a generațiilor de ameliorare.

Principala limitare a tehnologiei de ameliorare rapidă a plantelor în fabrici este că există condiții de mediu diferite pentru creșterea și dezvoltarea diferitelor culturi, iar obținerea condițiilor de mediu pentru ameliorarea rapidă a culturilor țintă necesită mult timp. În același timp, din cauza costurilor ridicate de construcție și funcționare a fabricilor de plante, este dificil să se efectueze experimente de ameliorare aditivă la scară largă, ceea ce duce adesea la un randament limitat al semințelor, putând limita evaluarea ulterioară a caracteristicilor pe teren. Odată cu îmbunătățirea și perfecționarea treptată a echipamentelor și tehnologiei fabricilor de plante, costurile de construcție și funcționare ale acestora se reduc treptat. Este posibilă optimizarea în continuare a tehnologiei de ameliorare rapidă și scurtarea ciclului de ameliorare prin combinarea eficientă a tehnologiei de ameliorare rapidă a fabricilor de plante cu alte tehnici de ameliorare.

Sfârşit

Informații citate

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Progresul cercetării în tehnologia de reproducere rapidă a fabricilor de plante [J]. Tehnologia Ingineriei Agricole, 2022, 42(22): 46-49.