Drivhushavebrugsteknologi til landbrugsteknikUdgivet kl. 17:30 den 14. oktober 2022 i Beijing

Med den kontinuerlige stigning i den globale befolkning stiger folks efterspørgsel efter fødevarer dag for dag, og der stilles højere krav til fødevareernæring og -sikkerhed. Dyrkning af afgrøder med højt udbytte og høj kvalitet er et vigtigt middel til at løse fødevareproblemer. Den traditionelle avlsmetode tager dog lang tid at dyrke fremragende sorter, hvilket begrænser avlsfremskridtet. For etårige selvbestøvende afgrøder kan det tage 10-15 år fra den første forældrekrydsning til produktionen af ​​en ny sort. For at fremskynde avlsfremskridtet er det derfor presserende at forbedre avlseffektiviteten og forkorte generationstiden.

Hurtig avl betyder at maksimere planters væksthastighed, accelerere blomstring og frugtsætning og forkorte avlscyklussen ved at kontrollere miljøforholdene i et fuldt lukket, kontrolleret vækstrum. Plantefabrik er et landbrugssystem, der kan opnå højeffektiv afgrødeproduktion gennem højpræcisionsmiljøkontrol i faciliteter, og det er et ideelt miljø for hurtig avl. Plantemiljøforholdene såsom lys, temperatur, fugtighed og CO2-koncentration i fabrikken er relativt kontrollerbare og påvirkes ikke eller mindre af det eksterne klima. Under kontrollerede miljøforhold kan den bedste lysintensitet, lystid og temperatur accelerere forskellige fysiologiske processer hos planter, især fotosyntese og blomstring, og dermed forkorte genereringstiden for afgrødevækst. Ved at bruge plantefabriksteknologi til at kontrollere afgrødevækst og -udvikling høstes frugterne på forhånd, så længe et par frø med spireevne kan opfylde avlsbehovene.

Fotoperiode, den vigtigste miljøfaktor, der påvirker afgrøders vækstcyklus

Lyscyklus refererer til vekslen mellem lysperiode og mørkeperiode på en dag. Lyscyklus er en vigtig faktor, der påvirker afgrøders vækst, udvikling, blomstring og frugtsætning. Ved at registrere ændringer i lyscyklussen kan afgrøder skifte fra vegetativ vækst til reproduktiv vækst og fuld blomstring og frugtsætning. Forskellige afgrødesorter og genotyper har forskellige fysiologiske reaktioner på ændringer i fotoperioden. Planter med lang solskin, når solskinstiden overstiger den kritiske solskinslængde, accelereres blomstringstiden normalt ved at forlænge fotoperioden, såsom havre, hvede og byg. Neutrale planter, uanset fotoperiode, vil blomstre, såsom ris, majs og agurk. Kortdagsplanter, såsom bomuld, sojabønne og hirse, har brug for en fotoperiode, der er kortere end den kritiske solskinslængde for at blomstre. Under kunstige miljøforhold med 8 timers lys og 30 ℃ høj temperatur er amarants blomstringstid mere end 40 dage tidligere end i markmiljøet. Under behandling med en 16/8 timers lyscyklus (lys/mørke) blomstrede alle syv byggenotyper tidligt: ​​Franklin (36 dage), Gairdner (35 dage), Gimmett (33 dage), Commander (30 dage), Fleet (29 dage), Baudin (26 dage) og Lockyer (25 dage).

I kunstige miljøer kan hvedes vækstperiode forkortes ved at bruge embryokultur til at få kimplanter og derefter bestråle dem i 16 timer, hvorved der kan produceres 8 generationer hvert år. Ærters vækstperiode blev forkortet fra 143 dage i markmiljø til 67 dage i kunstigt drivhus med 16 timers lys. Ved yderligere at forlænge fotoperioden til 20 timer og kombinere den med 21°C/16°C (dag/nat) kan ærternes vækstperiode forkortes til 68 dage, og frøsætningshastigheden er 97,8%. Under kontrollerede forhold, efter 20 timers fotoperiodebehandling, tager det 32 ​​dage fra såning til blomstring, og den samlede vækstperiode er 62-71 dage, hvilket er mere end 30 dage kortere end i markforhold. Under kunstige drivhuse med 22 timers fotoperiode forkortes blomstringstiden for hvede, byg, raps og kikærter med henholdsvis 22, 64, 73 og 33 dage i gennemsnit. Kombineret med tidlig høst af frø kan spireevnen for tidligt høstede frø nå op på henholdsvis 92%, 98%, 89% og 94% i gennemsnit, hvilket fuldt ud kan opfylde forædlingsbehovene. De hurtigste sorter kan kontinuerligt producere 6 generationer (hvede) og 7 generationer (hvede). Under en 22-timers fotoperiode blev havreblomstringstiden reduceret med 11 dage, og 21 dage efter blomstring kunne mindst 5 levedygtige frø garanteres, og fem generationer kunne kontinuerligt formeres hvert år. I det kunstige drivhus med 22-timers belysning forkortes linsers vækstperiode til 115 dage, og de kan formere sig i 3-4 generationer om året. Under en 24-timers kontinuerlig belysning i et kunstigt drivhus reduceres jordnødders vækstcyklus fra 145 dage til 89 dage, og de kan formeres i 4 generationer på et år.

Lyskvalitet

Lys spiller en afgørende rolle i planters vækst og udvikling. Lys kan kontrollere blomstring ved at påvirke mange fotoreceptorer. Forholdet mellem rødt lys (R) og blåt lys (B) er meget vigtigt for afgrøders blomstring. Den røde lysbølgelængde på 600~700 nm indeholder en absorptionstoppe for klorofyl på 660 nm, som effektivt kan fremme fotosyntese. Den blå lysbølgelængde på 400~500 nm vil påvirke plantens fototropisme, spalteåbning og kimplantevækst. I hvede er forholdet mellem rødt lys og blåt lys omkring 1, hvilket kan fremkalde blomstring tidligst. Ved lyskvaliteten R:B=4:1 blev vækstperioden for mellem- og sent modne sojabønnesorter forkortet fra 120 dage til 63 dage, og plantens højde og næringsbiomasse blev reduceret, men frøudbyttet blev ikke påvirket, hvilket kunne tilfredsstille mindst ét ​​frø pr. plante, og den gennemsnitlige spireevne for umodne frø var 81,7%. Under 10 timers belysning og blåt lystilskud blev sojabønneplanterne korte og stærke, blomstrede 23 dage efter såning, modnede inden for 77 dage og kunne formere sig i 5 generationer på et år.

Forholdet mellem rødt lys og fjernt rødt lys (FR) påvirker også planters blomstring. Lysfølsomme pigmenter findes i to former: absorption af fjernt rødt lys (Pfr) og absorption af rødt lys (Pr). Ved et lavt R:FR-forhold omdannes lysfølsomme pigmenter fra Pfr til Pr, hvilket fører til blomstring af langdagsplanter. Brug af LED-lys til at regulere den passende R:FR (0,66~1,07) kan øge plantehøjden, fremme blomstringen af ​​langdagsplanter (såsom morgenfrue og løvemund) og hæmme blomstringen af ​​kortdagsplanter (såsom morgenfrue). Når R:FR er større end 3,1, forsinkes linsers blomstringstid. Ved at reducere R:FR til 1,9 kan man opnå den bedste blomstringseffekt, og den kan blomstre på den 31. dag efter såning. Effekten af ​​rødt lys på blomstringshæmning medieres af det lysfølsomme pigment Pr. Studier har vist, at når R:FR er højere end 3,5, vil blomstringstiden for fem bælgplanter (ært, kikært, hestebønne, linser og lupin) blive forsinket. I nogle genotyper af amarant og ris bruges fjernrødt lys til at fremskynde blomstringen med henholdsvis 10 dage og 20 dage.

Gødning CO₂

CO₂er den primære kulstofkilde i fotosyntese. Høj koncentration af CO₂kan normalt fremme vækst og reproduktion af C3-enårige planter, mens lav koncentration af CO₂kan reducere vækst- og reproduktionsudbyttet på grund af kulstofbegrænsning. For eksempel øges fotosynteseeffektiviteten hos C3-planter, såsom ris og hvede, med stigende CO2-indhold₂niveau, hvilket resulterer i en stigning i biomasse og tidlig blomstring. For at realisere den positive effekt af CO₂Ved øget koncentration kan det være nødvendigt at optimere vand- og næringsstofforsyningen. Derfor kan hydroponik fuldt ud frigøre planternes vækstpotentiale under forudsætning af ubegrænsede investeringer. Lav CO2₂koncentrationen forsinkede blomstringstiden for Arabidopsis thaliana, mens høj CO₂koncentrationen fremskyndede risens blomstringstid, forkortede risens vækstperiode til 3 måneder og formerede sig i 4 generationer om året. Ved at supplere CO₂til 785,7 μmol/mol i den kunstige vækstkasse, blev avlscyklussen for sojabønnesorten 'Enrei' forkortet til 70 dage, og den kunne avle 5 generationer på et år. Da CO₂Da koncentrationen steg til 550 μmol/mol, blev blomstringen af ​​Cajanus cajan forsinket i 8~9 dage, og frugtsætningen og modningstiden blev også forsinket i 9 dage. Cajanus cajan akkumulerede uopløseligt sukker ved høj CO2-koncentration.₂koncentration, hvilket kan påvirke planternes signaltransmission og forsinke blomstringen. Derudover i vækstrummet med øget CO₂, antallet og kvaliteten af ​​sojabønneblomster øges, hvilket er befordrende for hybridisering, og dens hybridiseringsrate er meget højere end for sojabønner dyrket på marken.

Fremtidsudsigter

Moderne landbrug kan fremskynde processen med afgrødeforædling ved hjælp af alternativ forædling og facilitetsforædling. Der er dog nogle mangler ved disse metoder, såsom strenge geografiske krav, dyr arbejdskraftstyring og ustabile naturlige forhold, som ikke kan garantere en vellykket frøhøst. Facilitetsforædling påvirkes af klimatiske forhold, og tiden for generationstilføjelse er begrænset. Molekylær markørforædling fremskynder dog kun udvælgelsen og bestemmelsen af ​​​​avlsmålegenskaber. I øjeblikket er hurtig forædlingsteknologi blevet anvendt på Gramineae, Leguminosae, Cruciferae og andre afgrøder. Fabriksbaseret hurtiggenerationsforædling fjerner dog fuldstændigt indflydelsen fra klimatiske forhold og kan regulere vækstmiljøet i henhold til planternes vækst og udvikling. Ved effektivt at kombinere fabrikksbaseret hurtigforædlingsteknologi med traditionel forædling, molekylær markørforædling og andre forædlingsmetoder kan den tid, der kræves for at opnå homozygote linjer efter hybridisering, reduceres under forudsætning af hurtig forædling, og samtidig kan de tidlige generationer udvælges for at forkorte den tid, der kræves for at opnå ideelle egenskaber og forædlingsgenerationer.

Den største begrænsning ved hurtig avlsteknologi for planter i fabrikker er, at de miljøforhold, der kræves for vækst og udvikling af forskellige afgrøder, er ret forskellige, og det tager lang tid at opnå de miljømæssige betingelser for hurtig avl af målafgrøder. Samtidig er det på grund af de høje omkostninger ved konstruktion og drift af fabrikker vanskeligt at udføre storstilet additiv avlsforsøg, hvilket ofte fører til begrænset frøudbytte, hvilket kan begrænse den opfølgende markkaraktervurdering. Med den gradvise forbedring af udstyr og teknologi for fabrikker reduceres konstruktions- og driftsomkostningerne for fabrikker gradvist. Det er muligt yderligere at optimere hurtig avlsteknologien og forkorte avlscyklussen ved effektivt at kombinere hurtig avlsteknologi for fabrikker med andre avlsteknikker.

ENDE

Citerede oplysninger

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Forskningsfremskridt inden for hurtig forædlingsteknologi i plantefabrikker [J]. Landbrugsteknik, 2022, 42(22): 46-49.