Växthusträdgårdsodling jordbruksteknikPublicerad kl. 17:30 den 14 oktober 2022 i Peking

Med den kontinuerliga ökningen av världens befolkning ökar människors efterfrågan på mat dag för dag, och högre krav ställs på livsmedelsnäring och livsmedelssäkerhet. Att odla högavkastande och högkvalitativa grödor är ett viktigt sätt att lösa livsmedelsproblem. Den traditionella förädlingsmetoden tar dock lång tid att odla utmärkta sorter, vilket begränsar förädlingens framsteg. För ettåriga självpollinerande grödor kan det ta 10–15 år från den första korsningen av föräldrarna till produktionen av en ny sort. För att påskynda förädlingens framsteg är det därför angeläget att förbättra förädlingseffektiviteten och förkorta generationstiden.

Snabbförädling innebär att maximera växternas tillväxthastighet, accelerera blomning och fruktsättning och förkorta förädlingscykeln genom att kontrollera miljöförhållandena i ett helt slutet, kontrollerat miljörum. Växtfabrik är ett jordbrukssystem som kan uppnå högeffektiv grödoproduktion genom högprecisionsmiljökontroll i anläggningar, och det är en idealisk miljö för snabb förädling. Planteringsmiljöförhållandena som ljus, temperatur, fuktighet och CO2-koncentration i fabriken är relativt kontrollerbara och påverkas inte eller mindre av det yttre klimatet. Under kontrollerade miljöförhållanden kan den bästa ljusintensiteten, ljustiden och temperaturen accelerera olika fysiologiska processer hos växter, särskilt fotosyntes och blomning, och därmed förkorta genereringstiden för grödans tillväxt. Med hjälp av växtfabriksteknik för att kontrollera grödornas tillväxt och utveckling, skörda frukter i förväg, så länge ett fåtal frön med groningsförmåga kan möta förädlingsbehoven.

Fotoperiod, den viktigaste miljöfaktorn som påverkar grödors tillväxtcykel

Ljuscykel avser växlingen mellan ljusperiod och mörkerperiod under en dag. Ljuscykeln är en viktig faktor som påverkar grödors tillväxt, utveckling, blomning och fruktsättning. Genom att känna av förändringen i ljuscykeln kan grödor övergå från vegetativ tillväxt till reproduktiv tillväxt och fullständig blomning och fruktsättning. Olika grödsorter och genotyper har olika fysiologiska reaktioner på förändringar i fotoperioden. Växter med långt solsken, när solskenstiden överstiger den kritiska solskenslängden, accelereras vanligtvis blomningstiden genom att fotoperioden förlängs, såsom havre, vete och korn. Neutrala växter, oavsett fotoperiod, kommer att blomma, såsom ris, majs och gurka. Kortdagsväxter, såsom bomull, sojabönor och hirs, behöver en fotoperiod som är kortare än den kritiska solskenslängden för att blomma. Under artificiella miljöförhållanden med 8 timmars ljus och 30 ℃ hög temperatur är amarants blomningstid mer än 40 dagar tidigare än i fältmiljö. Under behandling med en ljuscykel på 16/8 timmar (ljus/mörker) blommade alla sju korngenotyper tidigt: Franklin (36 dagar), Gairdner (35 dagar), Gimmett (33 dagar), Commander (30 dagar), Fleet (29 dagar), Baudin (26 dagar) och Lockyer (25 dagar).

I en artificiell miljö kan vetets tillväxtperiod förkortas genom att använda embryodling för att få plantor, och sedan bestråla dem i 16 timmar, vilket ger 8 generationer varje år. Ärtornas tillväxtperiod förkortades från 143 dagar i fältmiljö till 67 dagar i artificiellt växthus med 16 timmars ljus. Genom att ytterligare förlänga fotoperioden till 20 timmar och kombinera den med 21°C/16°C (dag/natt) kan ärtornas tillväxtperiod förkortas till 68 dagar, och frösättningshastigheten är 97,8%. I en kontrollerad miljö, efter 20 timmars fotoperiodbehandling, tar det 32 ​​dagar från sådd till blomning, och hela tillväxtperioden är 62–71 dagar, vilket är mer än 30 dagar kortare än i fältförhållanden. I ett artificiellt växthus med en fotoperiod på 22 timmar förkortas blomningstiden för vete, korn, raps och kikärter med i genomsnitt 22, 64, 73 respektive 33 dagar. Kombinerat med tidig skörd av frön kan groningsgraden för tidigt skördade frön nå i genomsnitt 92 %, 98 %, 89 % respektive 94 %, vilket fullt ut kan uppfylla förädlingsbehoven. De snabbaste sorterna kan kontinuerligt producera 6 generationer (vete) och 7 generationer (vete). Under en 22-timmars fotoperiod minskade havrens blomningstid med 11 dagar, och 21 dagar efter blomningen kunde minst 5 livskraftiga frön garanteras, och fem generationer kunde kontinuerligt förökas varje år. I det artificiella växthuset med 22-timmars belysning förkortas linsernas tillväxtperiod till 115 dagar, och de kan föröka sig i 3-4 generationer per år. Under en 24-timmars kontinuerlig belysning i det artificiella växthuset minskas jordnötternas tillväxtcykel från 145 dagar till 89 dagar, och de kan förökas i 4 generationer på ett år.

Ljuskvalitet

Ljus spelar en viktig roll i växters tillväxt och utveckling. Ljus kan kontrollera blomningen genom att påverka många fotoreceptorer. Förhållandet mellan rött ljus (R) och blått ljus (B) är mycket viktigt för grödans blomning. Den röda ljusvåglängden på 600~700 nm innehåller en absorptionstopp för klorofyll på 660 nm, vilket effektivt kan främja fotosyntes. Den blå ljusvåglängden på 400~500 nm påverkar växternas fototropism, klyvöppningar och planttillväxt. Hos vete är förhållandet mellan rött ljus och blått ljus cirka 1, vilket kan inducera blomning tidigast. Under ljuskvaliteten R:B=4:1 förkortades tillväxtperioden för medel- och senmognadssorter av sojabönor från 120 dagar till 63 dagar, och växthöjden och näringsbiomassan minskade, men fröutbytet påverkades inte, vilket kunde tillfredsställa minst ett frö per planta, och den genomsnittliga groningsgraden för omogna frön var 81,7 %. Under 10 timmars belysning och blått ljustillskott blev sojabönplantorna korta och starka, blommade 23 dagar efter sådd, mognade inom 77 dagar och kunde reproducera sig i 5 generationer på ett år.

Förhållandet mellan rött ljus och långt rött ljus (FR) påverkar också växternas blomning. Ljuskänsliga pigment finns i två former: absorption av långt rött ljus (Pfr) och absorption av rött ljus (Pr). Vid ett lågt R:FR-förhållande omvandlas ljuskänsliga pigment från Pfr till Pr, vilket leder till blomning hos långdagsväxter. Användning av LED-lampor för att reglera lämplig R:FR (0,66~1,07) kan öka växthöjden, främja blomningen hos långdagsväxter (som morgongloria och lejongap) och hämma blomningen hos kortdagsväxter (som ringblomma). När R:FR är större än 3,1 fördröjs blomningstiden för linser. Att minska R:FR till 1,9 kan få bästa blomningseffekt, och den kan blomma den 31:a dagen efter sådd. Effekten av rött ljus på blomningshämning medieras av det ljuskänsliga pigmentet Pr. Studier har visat att när R:FR är högre än 3,5, försenas blomningstiden för fem baljväxter (ärtor, kikärter, bondbönor, linser och lupin). I vissa genotyper av amarant och ris används långt rött ljus för att tidigarelägga blomningen med 10 respektive 20 dagar.

Gödselmedel CO₂

CO₂är den huvudsakliga kolkällan för fotosyntes. Hög koncentration av CO₂kan vanligtvis främja tillväxt och reproduktion av C3-annuella växter, medan låg koncentration av CO₂kan minska tillväxten och reproduktionsutbytet på grund av kolbegränsning. Till exempel ökar fotosyntetiska effektiviteten hos C3-växter, såsom ris och vete, med ökningen av CO₂nivå, vilket resulterar i ökning av biomassa och tidig blomning. För att realisera den positiva effekten av CO2₂Vid ökad koncentration kan det vara nödvändigt att optimera vatten- och näringstillförseln. Därför kan hydroponik, under förutsättning att obegränsade investeringar görs, helt frigöra växternas tillväxtpotential. Låg CO2-nivå₂koncentrationen fördröjde blomningstiden för Arabidopsis thaliana, medan hög CO₂koncentrationen accelererade risets blomningstid, förkortade risets tillväxtperiod till 3 månader och förökade sig i 4 generationer per år. Genom att komplettera CO₂till 785,7 μmol/mol i den artificiella odlingslådan, förkortades avelscykeln för sojabönsorten 'Enrei' till 70 dagar, och den kunde avla 5 generationer på ett år. När CO₂När koncentrationen ökade till 550 μmol/mol försenades blomningen hos Cajanus cajan med 8–9 dagar, och fruktsättningen och mogningstiden försenades också med 9 dagar. Cajanus cajan ackumulerade olösligt socker vid hög CO₂₂koncentration, vilket kan påverka växternas signalöverföring och fördröja blomningen. Dessutom, i odlingsrummet med ökad CO₂, antalet och kvaliteten på sojabönblommor ökar, vilket bidrar till hybridisering, och dess hybridiseringshastighet är mycket högre än för sojabönor som odlas på fältet.

Framtidsutsikter

Modernt jordbruk kan påskynda processen för grödoförädling genom alternativ förädling och anläggningars förädling. Det finns dock vissa brister med dessa metoder, såsom strikta geografiska krav, dyr arbetskraft och instabila naturförhållanden, vilket inte kan garantera en framgångsrik utsädesskörd. Anläggningsförädling påverkas av klimatförhållanden, och tiden för generationstillskott är begränsad. Molekylär markörförädling påskyndar dock bara urvalet och bestämningen av avelsmålegenskaper. För närvarande har snabbförädlingsteknik tillämpats på Gramineae, Leguminosae, Cruciferae och andra grödor. Snabbgenerationsförädling på växtfabriker eliminerar dock helt klimatförhållandenas inverkan och kan reglera tillväxtmiljön efter växternas tillväxt och utveckling. Genom att effektivt kombinera snabbförädlingsteknik på växtfabriker med traditionell förädling, molekylär markörförädling och andra förädlingsmetoder kan man, under förutsättning av snabb förädling, minska den tid som krävs för att erhålla homozygota linjer efter hybridisering, och samtidigt kan tidiga generationer väljas för att förkorta den tid som krävs för att erhålla ideala egenskaper och förädlingsgenerationer.

Den största begränsningen med snabbförädlingstekniken för växter i fabriker är att de miljöförhållanden som krävs för tillväxt och utveckling av olika grödor är helt olika, och det tar lång tid att uppnå de miljöförhållanden som krävs för snabb förädling av målgrödor. Samtidigt, på grund av de höga kostnaderna för byggnation och drift av växtfabriker, är det svårt att genomföra storskaliga additiva förädlingsexperiment, vilket ofta leder till begränsad utsäde, vilket kan begränsa uppföljande fältkaraktärsbedömning. Med den gradvisa förbättringen av växtfabrikernas utrustning och teknik minskar bygg- och driftskostnaderna för växtfabriker gradvis. Det är möjligt att ytterligare optimera snabbförädlingstekniken och förkorta förädlingscykeln genom att effektivt kombinera växtfabrikernas snabbförädlingsteknik med andra förädlingstekniker.

AVSLUTA

Citerad information

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Forskningsframsteg inom snabbförädlingsteknik i växtfabriker [J]. Jordbruksteknik, 2022, 42(22): 46-49.