Drivhushagebruk landbruksteknikkteknologiPublisert kl. 17:30 den 14. oktober 2022 i Beijing

Med den kontinuerlige økningen i verdens befolkning øker folks etterspørsel etter mat dag for dag, og det stilles høyere krav til matnæring og -trygghet. Dyrking av avlinger med høy avkastning og høy kvalitet er et viktig middel for å løse matproblemer. Den tradisjonelle avlsmetoden tar imidlertid lang tid å dyrke frem gode varianter, noe som begrenser fremdriften i avl. For ettårige selvbestøvende avlinger kan det ta 10–15 år fra den første foreldrekryssingen til produksjonen av en ny variant. For å få fart på fremdriften i avlingsprosessen er det derfor viktig å forbedre avlseffektiviteten og forkorte generasjonstiden.

Hurtigforedling betyr å maksimere vekstraten til planter, akselerere blomstring og frukting, og forkorte foredlingssyklusen ved å kontrollere miljøforholdene i et fullstendig lukket kontrollert miljøvekstrom. Plantefabrikk er et landbrukssystem som kan oppnå høy effektiv planteproduksjon gjennom høypresisjons miljøkontroll i anlegg, og det er et ideelt miljø for rask foredling. Plantemiljøforhold som lys, temperatur, fuktighet og CO2-konsentrasjon i fabrikken er relativt kontrollerbare og påvirkes ikke eller mindre av det ytre klimaet. Under kontrollerte miljøforhold kan den beste lysintensiteten, lystiden og temperaturen akselerere ulike fysiologiske prosesser hos planter, spesielt fotosyntese og blomstring, og dermed forkorte generasjonstiden for avlingsvekst. Bruk av plantefabrikkteknologi for å kontrollere avlingsvekst og utvikling, høst frukt på forhånd, så lenge noen få frø med spireevne kan dekke foredlingsbehovene.

Fotoperiode, den viktigste miljøfaktoren som påvirker avlingens vekstsyklus

Lyssyklus refererer til vekslingen mellom lysperiode og mørkeperiode i løpet av en dag. Lyssyklusen er en viktig faktor som påvirker vekst, utvikling, blomstring og fruktsetting av avlinger. Ved å registrere endringen i lyssyklusen kan avlinger gå fra vegetativ vekst til reproduktiv vekst og full blomstring og fruktsetting. Ulike avlingssorter og genotyper har forskjellige fysiologiske responser på endringer i fotoperioden. Planter med lang solskinn, når solskinnstiden overstiger den kritiske solskinnslengden, akselereres vanligvis blomstringstiden ved å forlenge fotoperioden, for eksempel havre, hvete og bygg. Nøytrale planter, uavhengig av fotoperiode, vil blomstre, for eksempel ris, mais og agurk. Kortdagsplanter, som bomull, soyabønner og hirse, trenger en fotoperiode som er kortere enn den kritiske solskinnslengden for å blomstre. Under kunstige miljøforhold med 8 timer lys og 30 ℃ høy temperatur, er blomstringstiden for amarant mer enn 40 dager tidligere enn i åkermiljøet. Under behandling med en 16/8 timers lyssyklus (lys/mørke) blomstret alle sju bygggenotypene tidlig: Franklin (36 dager), Gairdner (35 dager), Gimmett (33 dager), Commander (30 dager), Fleet (29 dager), Baudin (26 dager) og Lockyer (25 dager).

I kunstige omgivelser kan vekstperioden for hvete forkortes ved å bruke embryokultur for å få frøplanter, og deretter bestråle dem i 16 timer, slik at 8 generasjoner kan produseres hvert år. Vekstperioden for erter ble forkortet fra 143 dager i feltmiljø til 67 dager i kunstig drivhus med 16 timers lys. Ved å forlenge fotoperioden ytterligere til 20 timer og kombinere den med 21 °C/16 °C (dag/natt), kan vekstperioden for erter forkortes til 68 dager, og frøsettingshastigheten er 97,8 %. Under kontrollerte forhold, etter 20 timers fotoperiodebehandling, tar det 32 ​​dager fra såing til blomstring, og hele vekstperioden er 62–71 dager, noe som er kortere enn i feltforhold med mer enn 30 dager. Under kunstige drivhusforhold med 22 timers fotoperiode forkortes blomstringstiden for hvete, bygg, raps og kikerter med henholdsvis 22, 64, 73 og 33 dager i gjennomsnitt. Kombinert med tidlig høsting av frø kan spirehastigheten for tidlig høstede frø nå henholdsvis 92 %, 98 %, 89 % og 94 % i gjennomsnitt, noe som fullt ut kan dekke behovene for foredling. De raskeste variantene kan kontinuerlig produsere 6 generasjoner (hvete) og 7 generasjoner (hvete). Under en 22-timers fotoperiode ble blomstringstiden for havre redusert med 11 dager, og 21 dager etter blomstring kunne minst 5 levedyktige frø garanteres, og fem generasjoner kunne formeres kontinuerlig hvert år. I et kunstig drivhus med 22-timers belysning forkortes vekstperioden for linser til 115 dager, og de kan formere seg i 3–4 generasjoner i året. Under en 24-timers kontinuerlig belysning i et kunstig drivhus reduseres vekstsyklusen for peanøtter fra 145 dager til 89 dager, og de kan formeres i 4 generasjoner i løpet av ett år.

Lyskvalitet

Lys spiller en viktig rolle i planters vekst og utvikling. Lys kan kontrollere blomstring ved å påvirke mange fotoreseptorer. Forholdet mellom rødt lys (R) og blått lys (B) er svært viktig for avlingens blomstring. Den røde lysbølgelengden på 600~700 nm inneholder en absorpsjonstopp for klorofyll på 660 nm, som effektivt kan fremme fotosyntese. Den blå lysbølgelengden på 400~500 nm vil påvirke plantens fototropisme, stomatalåpning og frøplantevekst. Hos hvete er forholdet mellom rødt lys og blått lys omtrent 1, noe som kan indusere blomstring tidligst. Under lyskvaliteten R:B=4:1 ble vekstperioden for mellom- og sentmodne soyabønnesorter forkortet fra 120 dager til 63 dager, og plantehøyden og næringsbiomassen ble redusert, men frøutbyttet ble ikke påvirket, noe som kunne tilfredsstille minst ett frø per plante, og den gjennomsnittlige spirehastigheten for umodne frø var 81,7 %. Under 10 timers belysning og blått lystilskudd ble soyabønneplanter korte og sterke, blomstret 23 dager etter såing, modnet innen 77 dager og kunne formere seg i 5 generasjoner på ett år.

Forholdet mellom rødt lys og fjernt rødt lys (FR) påvirker også blomstringen til planter. Lysfølsomme pigmenter finnes i to former: fjernt rødt lysabsorpsjon (Pfr) og rødt lysabsorpsjon (Pr). Ved et lavt R:FR-forhold omdannes lysfølsomme pigmenter fra Pfr til Pr, noe som fører til blomstring hos planter med lang dag. Bruk av LED-lys for å regulere riktig R:FR (0,66~1,07) kan øke plantehøyden, fremme blomstringen hos planter med lang dag (som morgenfrue og løvenud) og hemme blomstringen hos kortdagsplanter (som ringblomst). Når R:FR er større enn 3,1, forsinkes blomstringstiden til linser. Å redusere R:FR til 1,9 kan oppnå best mulig blomstringseffekt, og den kan blomstre den 31. dagen etter såing. Effekten av rødt lys på blomstringshemming formidles av det lysfølsomme pigmentet Pr. Studier har pekt på at når R:FR er høyere enn 3,5, vil blomstringstiden for fem belgfrukter (ert, kikert, hestebønne, linse og lupin) bli forsinket. I noen genotyper av amarant og ris brukes langt rødt lys til å fremskynde blomstringen med henholdsvis 10 dager og 20 dager.

Gjødsel CO₂

CO₂er den viktigste karbonkilden for fotosyntese. Høy konsentrasjon av CO₂kan vanligvis fremme vekst og reproduksjon av C3-etårige planter, mens lav konsentrasjon av CO₂kan redusere vekst og reproduksjonsutbytte på grunn av karbonbegrensning. For eksempel øker fotosynteseeffektiviteten til C3-planter, som ris og hvete, med økningen av CO₂nivå, noe som resulterer i økning av biomasse og tidlig blomstring. For å realisere den positive effekten av CO₂Ved økning i konsentrasjonen kan det være nødvendig å optimalisere vann- og næringstilførselen. Derfor kan hydroponikk, under forutsetning av ubegrensede investeringer, utløse plantenes vekstpotensial fullt ut. Lav CO₂₂konsentrasjonen forsinket blomstringstiden til Arabidopsis thaliana, mens høy CO₂konsentrasjonen akselererte blomstringstiden til ris, forkortet vekstperioden til 3 måneder og forplantet seg i 4 generasjoner i året. Ved å supplere CO₂til 785,7 μmol/mol i den kunstige vekstkassen, ble avlssyklusen til soyabønnesorten 'Enrei' forkortet til 70 dager, og den kunne avle 5 generasjoner på ett år. Da CO₂Da konsentrasjonen økte til 550 μmol/mol, ble blomstringen til Cajanus cajan forsinket i 8–9 dager, og fruktsettingen og modningstiden ble også forsinket i 9 dager. Cajanus cajan akkumulerte uløselig sukker ved høy CO₂₂konsentrasjon, noe som kan påvirke plantenes signaloverføring og forsinke blomstringen. I tillegg, i vekstrommet med økt CO₂, antallet og kvaliteten på soyabønneblomster øker, noe som bidrar til hybridisering, og hybridiseringsraten er mye høyere enn for soyabønner dyrket i åkeren.

Fremtidsutsikter

Moderne landbruk kan fremskynde prosessen med avlingsprosesser ved hjelp av alternativ avl og anleggsbasert avl. Det er imidlertid noen mangler ved disse metodene, som strenge geografiske krav, dyr arbeidskraft og ustabile naturforhold, som ikke kan garantere vellykket frøhøsting. Anleggsbasert avl påvirkes av klimatiske forhold, og tiden for generasjonstilføyelse er begrenset. Molekylær markøravl akselererer imidlertid bare utvelgelsen og bestemmelsen av avlsmålegenskaper. For tiden har hurtigavlsteknologi blitt brukt på Gramineae, Leguminosae, Cruciferae og andre avlinger. Imidlertid fjerner rask generasjonsavl fra plantefabrikk fullstendig påvirkningen av klimatiske forhold, og kan regulere vekstmiljøet i henhold til behovene til plantevekst og utvikling. Ved å kombinere hurtigavlsteknologi fra plantefabrikk med tradisjonell avl, molekylær markøravl og andre avlsmetoder effektivt, under forutsetning av rask avl, kan tiden som kreves for å oppnå homozygote linjer etter hybridisering reduseres, og samtidig kan de tidlige generasjonene velges for å forkorte tiden som kreves for å oppnå ideelle egenskaper og avlsgenerasjoner.

Hovedbegrensningen ved hurtigforedlingsteknologi for planter i fabrikker er at miljøforholdene som kreves for vekst og utvikling av forskjellige avlinger er ganske forskjellige, og det tar lang tid å oppnå miljøforholdene for rask foredling av målavlinger. Samtidig, på grunn av de høye kostnadene ved bygging og drift av fabrikker, er det vanskelig å gjennomføre storskala additiv foredlingseksperimenter, noe som ofte fører til begrenset frøutbytte, noe som kan begrense oppfølging av feltkaraktervurderinger. Med gradvis forbedring og forbedring av utstyr og teknologi for fabrikker, reduseres bygge- og driftskostnadene for fabrikker gradvis. Det er mulig å optimalisere hurtigforedlingsteknologien ytterligere og forkorte foredlingssyklusen ved å effektivt kombinere hurtigforedlingsteknologien for fabrikker med andre foredlingsteknikker.

SLUTT

Sitert informasjon

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Forskningsfremgang innen hurtigforedlingsteknologi i plantefabrikker [J]. Landbruksteknologi, 2022, 42(22): 46–49.