Технологія агротехніки тепличного садівництваОпубліковано о 17:30 14 жовтня 2022 року в Пекіні

Зі зростанням населення світу попит людей на продукти харчування зростає з кожним днем, а також висуваються вищі вимоги до їхньої поживності та безпеки. Вирощування високоврожайних та високоякісних культур є важливим засобом вирішення продовольчих проблем. Однак традиційний метод селекції потребує багато часу для вирощування чудових сортів, що обмежує прогрес селекції. Для однорічних самозапильних культур може знадобитися 10-15 років від першого схрещування батьківських гілок до отримання нового сорту. Тому, щоб пришвидшити прогрес селекції сільськогосподарських культур, терміново необхідно підвищити ефективність селекції та скоротити час генерації.

Швидка селекція означає максимізацію темпів росту рослин, прискорення цвітіння та плодоношення, а також скорочення циклу селекції шляхом контролю умов навколишнього середовища в повністю закритому приміщенні з контрольованим середовищем вирощування. Рослинна фабрика - це сільськогосподарська система, яка може досягти високоефективного виробництва сільськогосподарських культур завдяки високоточному контролю навколишнього середовища в приміщеннях, і це ідеальне середовище для швидкої селекції. Умови середовища посадки, такі як освітлення, температура, вологість та концентрація CO2 на фабриці, є відносно контрольованими та не залежать або менше залежать від зовнішнього клімату. За контрольованих умов навколишнього середовища найкраща інтенсивність світла, тривалість освітлення та температура можуть прискорити різні фізіологічні процеси рослин, особливо фотосинтез та цвітіння, тим самим скорочуючи час росту врожаю. Використовуючи технологію рослинної фабрики для контролю росту та розвитку врожаю, збирайте плоди заздалегідь, доки кілька насінин зі здатністю до проростання можуть задовольнити потреби селекції.

Фотоперіод, основний фактор навколишнього середовища, що впливає на цикл росту сільськогосподарських культур

Світловий цикл стосується чергування світлового та темного періодів протягом доби. Світловий цикл є важливим фактором, який впливає на ріст, розвиток, цвітіння та плодоношення сільськогосподарських культур. Відчуваючи зміну світлового циклу, сільськогосподарські культури можуть переходити від вегетативного росту до репродуктивного росту та повного цвітіння та плодоношення. Різні сорти та генотипи сільськогосподарських культур мають різні фізіологічні реакції на зміни фотоперіоду. У рослин, що потребують тривалого сонячного світла, як тільки тривалість сонячного світла перевищує критичну тривалість, час цвітіння зазвичай прискорюється завдяки подовженню фотоперіоду, наприклад, у овес, пшениці та ячменю. Нейтральні рослини, незалежно від фотоперіоду, цвітуть, такі як рис, кукурудза та огірок. Рослинам короткого дня, таким як бавовна, соя та просо, потрібен фотоперіод, менший за критичну тривалість сонячного світла, для цвітіння. В умовах штучного середовища з 8-годинним освітленням та високою температурою 30℃ час цвітіння амаранту настає більш ніж на 40 днів раніше, ніж у польових умовах. За умови обробки світловим циклом 16/8 годин (світло/темрява) всі сім генотипів ячменю зацвіли рано: Франклін (36 днів), Герднер (35 днів), Гімметт (33 дні), Командер (30 днів), Фліт (29 днів), Боден (26 днів) та Лок'єр (25 днів).

У штучному середовищі період росту пшениці можна скоротити, використовуючи культуру ембріонів для отримання розсади, а потім опромінюючи її протягом 16 годин, що дозволяє отримувати 8 поколінь щороку. Період росту гороху скоротився зі 143 днів у польових умовах до 67 днів у штучній теплиці з 16-годинним світлом. Подальше збільшення фотоперіоду до 20 годин та поєднання його з 21°C/16°C (день/ніч) дозволяє скоротити період росту гороху до 68 днів, а швидкість проростання насіння становить 97,8%. В умовах контрольованого середовища після 20-годинної обробки фотоперіодом від посіву до цвітіння проходить 32 дні, а весь період росту становить 62-71 день, що коротше, ніж у польових умовах, більш ніж на 30 днів. В умовах штучної теплиці з 22-годинним фотоперіодом час цвітіння пшениці, ячменю, ріпаку та нуту скорочується в середньому на 22, 64, 73 та 33 дні відповідно. У поєднанні з раннім збором насіння, схожість раннього врожаю може досягати в середньому 92%, 98%, 89% та 94% відповідно, що повністю задовольняє потреби селекції. Найшвидші сорти можуть безперервно давати 6 поколінь (пшениця) та 7 поколінь (пшениця). За умови 22-годинного фотоперіоду час цвітіння вівса скорочується на 11 днів, а через 21 день після цвітіння гарантується щонайменше 5 життєздатних насінин, і щороку можна безперервно розмножувати п'ять поколінь. У штучній теплиці з 22-годинним освітленням період росту сочевиці скорочується до 115 днів, і вона може розмножуватися протягом 3-4 поколінь на рік. За умови 24-годинного безперервного освітлення в штучній теплиці цикл росту арахісу скорочується зі 145 днів до 89 днів, і його можна розмножувати протягом 4 поколінь протягом одного року.

Якість світла

Світло відіграє життєво важливу роль у рості та розвитку рослин. Світло може контролювати цвітіння, впливаючи на багато фоторецепторів. Співвідношення червоного світла (R) до синього світла (B) дуже важливе для цвітіння сільськогосподарських культур. Довжина хвилі червоного світла 600~700 нм містить пік поглинання хлорофілу 660 нм, що може ефективно сприяти фотосинтезу. Довжина хвилі синього світла 400~500 нм впливає на фототропізм рослин, відкриття продихів та ріст розсади. У пшениці співвідношення червоного світла до синього світла становить приблизно 1, що може викликати цвітіння якомога раніше. За якості світла R:B=4:1 період росту середньо- та пізньостиглих сортів сої скоротився зі 120 днів до 63 днів, а висота рослин та поживна біомаса зменшилися, але врожайність насіння не змінилася, що дозволило задовольнити потреби щонайменше одного насіння на рослину, а середній коефіцієнт проростання незрілого насіння становив 81,7%. За умови 10-годинного освітлення та додаткового випромінювання синього світла рослини сої ставали короткими та міцними, цвіли через 23 дні після посіву, дозрівали протягом 77 днів та могли розмножуватися протягом 5 поколінь протягом одного року.

Співвідношення червоного світла до далекого червоного світла (FR) також впливає на цвітіння рослин. Фоточутливі пігменти існують у двох формах: поглинання далекого червоного світла (Pfr) та поглинання червоного світла (Pr). При низькому співвідношенні R:FR фоточутливі пігменти перетворюються з Pfr на Pr, що призводить до цвітіння рослин довгого дня. Використання світлодіодних ламп для регулювання відповідного R:FR (0,66~1,07) може збільшити висоту рослин, сприяти цвітінню рослин довгого дня (таких як іпомея та лев'ячий зів) та пригнічувати цвітіння рослин короткого дня (таких як чорнобривці). Коли R:FR більше 3,1, час цвітіння сочевиці затримується. Зменшення R:FR до 1,9 може отримати найкращий ефект цвітіння, і вона може зацвісти на 31-й день після посіву. Вплив червоного світла на пригнічення цвітіння опосередковується фоточутливим пігментом Pr. Дослідження показали, що коли R:FR перевищує 3,5, час цвітіння п'яти бобових рослин (гороху, нуту, бобів, сочевиці та люпину) затримується. У деяких генотипів амаранту та рису дальне червоне світло використовується для прискорення цвітіння на 10 та 20 днів відповідно.

Добриво CO₂

CO₂є основним джерелом вуглецю для фотосинтезу. Висока концентрація CO₂зазвичай може сприяти росту та розмноженню однорічних рослин C3, тоді як низька концентрація CO₂може знизити ріст та врожайність через обмеження вуглецю. Наприклад, фотосинтетична ефективність рослин C3, таких як рис та пшениця, зростає зі збільшенням CO2.₂рівень, що призводить до збільшення біомаси та раннього цвітіння. Щоб реалізувати позитивний вплив CO₂збільшення концентрації може знадобитися оптимізувати постачання води та поживних речовин. Таким чином, за умови необмежених інвестицій, гідропоніка може повністю розкрити потенціал росту рослин. Низький рівень CO2₂концентрація затримувала час цвітіння Arabidopsis thaliana, тоді як висока концентрація CO2₂концентрація прискорила час цвітіння рису, скоротила період росту рису до 3 місяців та розмножувала його 4 покоління на рік. Завдяки додаванню CO2₂до 785,7 мкмоль/моль у штучному боксі для вирощування, цикл розмноження сорту сої «Енрей» скоротився до 70 днів, і вона могла розмножуватися 5 поколінь за один рік. Коли CO₂концентрація збільшилася до 550 мкмоль/моль, цвітіння Cajanus cajan затрималося на 8~9 днів, а час зав'язування та дозрівання плодів також затримався на 9 днів. Cajanus cajan накопичував нерозчинний цукор при високому рівні CO2.₂концентрація, що може вплинути на передачу сигналу рослинами та затримати цвітіння. Крім того, у кімнаті для вирощування зі збільшеним вмістом CO₂, кількість та якість квіток сої збільшуються, що сприяє гібридизації, а коефіцієнт її гібридизації набагато вищий, ніж у сої, вирощеної в полі.

Майбутні перспективи

Сучасне сільське господарство може пришвидшити процес селекції сільськогосподарських культур за допомогою альтернативної селекції та селекції на базі обладнання. Однак ці методи мають деякі недоліки, такі як суворі географічні вимоги, дороге управління робочою силою та нестабільні природні умови, які не можуть гарантувати успішний збір врожаю насіння. Селекція на базі обладнання залежить від кліматичних умов, а час додавання поколінь обмежений. Однак молекулярна маркерна селекція лише прискорює відбір та визначення цільових ознак для селекції. Наразі технологія швидкої селекції застосовується до злакових, бобових, хрестоцвітих та інших культур. Однак заводська швидка генераційна селекція повністю позбавляється впливу кліматичних умов і може регулювати середовище росту відповідно до потреб росту та розвитку рослин. Поєднання заводської технології швидкої селекції з традиційною селекцією, молекулярною маркерною селекцією та іншими методами селекції ефективно, за умови швидкої селекції, може скоротити час, необхідний для отримання гомозиготних ліній після гібридизації, і водночас можна відібрати ранні покоління, щоб скоротити час, необхідний для отримання ідеальних ознак та селекційних поколінь.

Ключовим обмеженням технології швидкої селекції рослин на заводах є те, що умови навколишнього середовища, необхідні для росту та розвитку різних сільськогосподарських культур, досить різні, і для досягнення екологічних умов для швидкої селекції цільових культур потрібен тривалий час. Водночас, через високу вартість будівництва та експлуатації заводу, важко проводити масштабні експерименти з адитивної селекції, що часто призводить до обмеженого врожаю насіння, що може обмежити подальшу оцінку характеристик поля. З поступовим удосконаленням обладнання та технологій заводу, вартість будівництва та експлуатації заводу поступово знижується. Можна ще більше оптимізувати технологію швидкої селекції та скоротити цикл селекції, ефективно поєднуючи технологію швидкої селекції на заводі з іншими методами селекції.

КІНЕЦЬ

Цитована інформація

Лю Кайчже, Лю Хоучен. Дослідницький прогрес технології швидкого розмноження рослин на заводах [J]. Сільськогосподарські технології машинобудування, 2022, 42 (22): 46-49.