Kasvihuoneviljelyn maataloustekniikkaJulkaistu klo 17.30 14. lokakuuta 2022 Pekingissä

Maailman väestön jatkuvan kasvun myötä ihmisten ruoan kysyntä kasvaa päivä päivältä, ja elintarvikkeiden ravitsemukselle ja turvallisuudelle asetetaan korkeampia vaatimuksia. Korkean sadon ja laadun viljelykasvien viljely on tärkeä keino ratkaista ruokaongelmia. Perinteinen jalostusmenetelmä vie kuitenkin kauan erinomaisten lajikkeiden viljelyyn, mikä rajoittaa jalostuksen edistymistä. Yksivuotisilla itsepölyttävillä kasveilla voi kestää 10–15 vuotta alkuperäisen emolajikkeen risteytyksestä uuden lajikkeen tuotantoon. Siksi viljelykasvien jalostuksen edistymisen nopeuttamiseksi on kiireellisesti parannettava jalostuksen tehokkuutta ja lyhennettävä sukupolven kestoa.

Nopea jalostus tarkoittaa kasvien kasvunopeuden maksimointia, kukinnan ja hedelmöityksen nopeuttamista sekä jalostussyklin lyhentämistä kontrolloimalla ympäristöolosuhteita täysin suljetussa kontrolloidussa kasvuhuoneessa. Kasvitehdas on maatalousjärjestelmä, joka voi saavuttaa tehokkaan sadontuotannon tarkan ympäristönhallinnan avulla laitoksissa, ja se on ihanteellinen ympäristö nopealle jalostukselle. Istutusympäristön olosuhteet, kuten valo, lämpötila, kosteus ja CO2-pitoisuus tehtaassa, ovat suhteellisen kontrolloitavissa, eivätkä ulkoiset ilmasto-olosuhteet vaikuta niihin lainkaan tai vain vähän. Kontrolloiduissa ympäristöolosuhteissa paras valon voimakkuus, valo-aika ja lämpötila voivat kiihdyttää kasvien erilaisia ​​fysiologisia prosesseja, erityisesti fotosynteesiä ja kukintaa, mikä lyhentää sadon kasvuaikaa. Kasvitehdasteknologiaa käytetään sadon kasvun ja kehityksen kontrollointiin, hedelmien korjaaminen etukäteen, kunhan vain muutama itämiskykyinen siemen voi täyttää jalostustarpeet.

Valojakso, tärkein kasvusykliin vaikuttava ympäristötekijä

Valosyklillä tarkoitetaan valo- ja pimeysjaksojen vuorottelua päivässä. Valosykli on tärkeä tekijä, joka vaikuttaa viljelykasvien kasvuun, kehitykseen, kukintaan ja hedelmöitykseen. Havaitsemalla valosyklin muutokset kasvit voivat siirtyä vegetatiivisesta kasvusta lisääntymiskasvuun ja täydelliseen kukintaan ja hedelmöitykseen. Eri viljelykasvilajikkeilla ja genotyypeillä on erilaiset fysiologiset reaktiot valojakson muutoksiin. Pitkäauringonpaisteisilla kasveilla, kun auringonpaisteaika ylittää kriittisen auringonpaisteen pituuden, kukinta-aika yleensä nopeutuu valojakson pidentymisen myötä, kuten kauralla, vehnällä ja ohralla. Neutraalit kasvit, kuten riisi, maissi ja kurkku, kukkivat valojaksosta riippumatta. Lyhytpäiväiset kasvit, kuten puuvilla, soijapapu ja hirssi, tarvitsevat kukintaan kriittistä auringonpaisteen pituutta lyhyemmän valojakson. Keinotekoisissa ympäristöolosuhteissa, joissa on 8 tuntia valoa ja 30 ℃ korkea lämpötila, amarantin kukinta-aika on yli 40 päivää aikaisempi kuin peltoympäristössä. 16/8 tunnin valosyklin (valoisa/pimeä) aikana kaikki seitsemän ohragenotyyppiä kukkivat aikaisin: Franklin (36 päivää), Gairdner (35 päivää), Gimmett (33 päivää), Commander (30 päivää), Fleet (29 päivää), Baudin (26 päivää) ja Lockyer (25 päivää).

Keinotekoisessa ympäristössä vehnän kasvuaikaa voidaan lyhentää käyttämällä alkioviljelyä taimien saamiseksi ja säteilyttämällä sitten 16 tuntia, jolloin voidaan tuottaa 8 sukupolvea vuodessa. Herneen kasvuaika lyheni 143 päivästä peltoympäristössä 67 päivään keinotekoisessa kasvihuoneessa, jossa on 16 tuntia valoa. Pidentämällä valojaksoa edelleen 20 tuntiin ja yhdistämällä se 21 °C/16 °C:een (päivä/yö) herneen kasvuaika voidaan lyhentää 68 päivään ja siementen sitoutumisnopeus on 97,8 %. Kontrolloidussa ympäristössä 20 tunnin valojaksokäsittelyn jälkeen kylvöstä kukintaan kuluu 32 päivää, ja koko kasvuaika on 62–71 päivää, mikä on yli 30 päivää lyhyempi kuin pelto-olosuhteissa. Keinotekoisessa kasvihuoneessa, jossa on 22 tunnin valojakso, vehnän, ohran, rapsin ja kikherneen kukinta-aika lyhenee keskimäärin 22, 64, 73 ja 33 päivällä. Yhdessä siementen varhaisen sadonkorjuun kanssa varhaisen sadonkorjuun siementen itävyysaste voi nousta keskimäärin 92 %:iin, 98 %:iin, 89 %:iin ja 94 %:iin, mikä voi täysin vastata jalostuksen tarpeisiin. Nopeimmat lajikkeet voivat tuottaa jatkuvasti 6 sukupolvea (vehnä) ja 7 sukupolvea (vehnä). 22 tunnin valoisan valojakson aikana kauran kukinta-aika lyheni 11 päivällä, ja 21 päivää kukinnan jälkeen voitiin taata vähintään 5 elinkelpoista siementä, ja viisi sukupolvea voitiin lisätä jatkuvasti vuosittain. Keinotekoisessa kasvihuoneessa, jossa on 22 tunnin valaistus, linssien kasvukausi lyhenee 115 päivään, ja ne voivat lisääntyä 3–4 sukupolvea vuodessa. Keinotekoisen kasvihuoneen 24 tunnin jatkuvan valaistuksen aikana maapähkinän kasvusykli lyhenee 145 päivästä 89 päivään, ja niitä voidaan lisätä 4 sukupolvea vuodessa.

Valon laatu

Valolla on tärkeä rooli kasvien kasvussa ja kehityksessä. Valo voi säädellä kukintaa vaikuttamalla moniin valoreseptoreihin. Punaisen valon (R) ja sinisen valon (B) suhde on erittäin tärkeä kasvien kukinnalle. Punaisen valon aallonpituus 600–700 nm sisältää klorofyllin absorptiopiikin 660 nm, mikä voi tehokkaasti edistää fotosynteesiä. Sinisen valon aallonpituus 400–500 nm vaikuttaa kasvien fototropismiin, ilmarakojen avautumiseen ja taimien kasvuun. Vehnässä punaisen valon ja sinisen valon suhde on noin 1, mikä voi käynnistää kukinnan aikaisimmillaan. Valonlaadulla R:B = 4:1 keski- ja myöhäisen kypsymisen soijapapulajikkeiden kasvukausi lyheni 120 päivästä 63 päivään, ja kasvien korkeus ja ravintomassa pienenivät, mutta siemensato ei muuttunut, mikä riitti tyydyttämään ainakin yhden siemenen kasvia kohden, ja epäkypsien siementen keskimääräinen itävyysaste oli 81,7 %. 10 tunnin valaistuksen ja sinisen valon lisäyksen olosuhteissa soijapavut kasvoivat lyhyiksi ja vahvoiksi, kukkivat 23 päivää kylvöstä, kypsyivät 77 päivän kuluessa ja kykenivät lisääntymään viiden sukupolven ajan vuodessa.

Punaisen ja kaukopunaisen valon suhde (FR) vaikuttaa myös kasvien kukintaan. Valoherkkiä pigmenttejä esiintyy kahdessa muodossa: kaukopunaisen valon absorptio (Pfr) ja punaisen valon absorptio (Pr). Alhaisella R:FR-suhteella valoherkät pigmentit muuttuvat Pfr-muodosta Pr-muodostumaksi, mikä johtaa pitkän päivän kasvien kukintaan. LED-valojen käyttö R:FR-suhteen (0,66–1,07) säätämiseen voi lisätä kasvien korkeutta, edistää pitkän päivän kasvien (kuten aamunkoiran ja leijonankidan) kukintaa ja estää lyhytpäivän kasvien (kuten samettikukkien) kukintaa. Kun R:FR on yli 3,1, linssien kukinta-aika viivästyy. R:FR-arvon pienentäminen arvoon 1,9 voi saada parhaan kukintavaikutuksen, ja ne voivat kukkia 31. päivänä kylvön jälkeen. Punaisen valon vaikutus kukinnan estoon välittyy valoherkän pigmentin Pr kautta. Tutkimukset ovat osoittaneet, että kun R:FR on yli 3,5, viiden palkokasvin (herne, kikherne, härkäpapu, linssi ja lupiini) kukinta-aika viivästyy. Joissakin amarantin ja riisin genotyypeissä kaukopunaista valoa käytetään kukinnan aikaistamiseen 10 ja 20 päivällä.

Lannoite CO₂

CO₂on fotosynteesin tärkein hiilenlähde. Korkea CO-pitoisuus₂voi yleensä edistää C3-yksivuotisten kasvien kasvua ja lisääntymistä, kun taas matala CO-pitoisuus₂voi vähentää kasvua ja lisääntymistä hiilidioksidin rajoittumisen vuoksi. Esimerkiksi C3-kasvien, kuten riisin ja vehnän, fotosynteesitehokkuus kasvaa CO2-pitoisuuden kasvaessa.₂tasolla, mikä johtaa biomassan kasvuun ja aikaisempaan kukintaan. CO2:n positiivisen vaikutuksen toteuttamiseksi₂pitoisuuden noustessa voi olla tarpeen optimoida veden ja ravinteiden saantia. Siksi rajattomilla investoinneilla vesiviljely voi vapauttaa kasvien kasvupotentiaalin täysimääräisesti. Alhainen CO2-pitoisuus₂pitoisuus viivästytti Arabidopsis thalianan kukinta-aikaa, kun taas korkea CO2-pitoisuus₂rikastaminen nopeutti riisin kukinta-aikaa, lyhensi riisin kasvukautta 3 kuukauteen ja edisti sitä 4 sukupolvea vuodessa. Täydentämällä CO2:ta₂785,7 μmol/mol keinotekoisessa kasvatuslaatikossa, soijapapulajikkeen 'Enrei' jalostussykli lyheni 70 päivään, ja se kykeni lisääntymään viisi sukupolvea vuodessa. Kun CO₂Kun CO₂-pitoisuus nousi 550 μmol/mol:iin, Cajanus cajanin kukinta viivästyi 8–9 päivällä ja hedelmien muodostuminen ja kypsyminen viivästyivät myös 9 päivällä. Cajanus cajan keräsi liukenematonta sokeria korkeassa CO₂-pitoisuudessa.₂pitoisuus, joka voi vaikuttaa kasvien signaalinvälitykseen ja viivästyttää kukintaa. Lisäksi kasvuhuoneessa, jossa on lisääntynyt CO2₂, soijapapujen kukkien määrä ja laatu kasvavat, mikä edistää hybridisaatiota, ja sen hybridisaatioaste on paljon korkeampi kuin pellolla kasvatetuilla soijapavuilla.

Tulevaisuudennäkymät

Nykyaikainen maatalous voi nopeuttaa viljelykasvien jalostusprosessia vaihtoehtoisten jalostuksen ja laitosjalostuksen avulla. Näissä menetelmissä on kuitenkin joitakin puutteita, kuten tiukat maantieteelliset vaatimukset, kallis työvoimanhallinta ja epävakaat luonnonolosuhteet, jotka eivät voi taata onnistunutta siementen satoa. Laitosjalostukseen vaikuttavat ilmasto-olosuhteet, ja sukupolvien lisäämiseen kuluva aika on rajallinen. Molekyylimarkkerijalostus kuitenkin vain nopeuttaa jalostuksen kohdeominaisuuksien valintaa ja määrittämistä. Tällä hetkellä nopeaa jalostusteknologiaa on sovellettu Gramineae-, Leguminosae-, Cruciferae- ja muihin viljelykasveihin. Tehdasjalostus poistaa kuitenkin täysin ilmasto-olosuhteiden vaikutuksen ja voi säädellä kasvuympäristöä kasvien kasvun ja kehityksen tarpeiden mukaan. Yhdistämällä tehdasjalostusteknologian perinteiseen jalostukseen, molekyylimarkkerijalostukseen ja muihin jalostusmenetelmiin tehokkaasti, nopean jalostuksen olosuhteissa voidaan lyhentää homotsygoottisten linjojen saamiseksi hybridisaation jälkeen kuluvaa aikaa, ja samalla voidaan valita varhaisia ​​sukupolvia, mikä lyhentää ihanteellisten ominaisuuksien ja jalostettujen sukupolvien saamiseksi kuluvaa aikaa.

Kasvien pikajalostusteknologian keskeinen rajoitus tehtaissa on se, että eri viljelykasvien kasvuun ja kehitykseen tarvittavat ympäristöolosuhteet ovat melko erilaiset, ja kohdekasvien nopeaan jalostukseen tarvittavien ympäristöolosuhteiden saavuttaminen vie kauan. Samaan aikaan tehtaan rakentamisen ja käytön korkeiden kustannusten vuoksi laajamittaisten lisäainejalostuskokeiden suorittaminen on vaikeaa, mikä johtaa usein rajalliseen siemensatoon ja voi rajoittaa kenttäominaisuuksien seurantaa. Tehdaslaitteiden ja -teknologian asteittaisen parantamisen ja kehittämisen myötä tehtaan rakennus- ja käyttökustannukset vähenevät vähitellen. Yhdistämällä tehtaan pikajalostusteknologia tehokkaasti muihin jalostustekniikoihin on mahdollista optimoida edelleen pikajalostusteknologiaa ja lyhentää jalostussykliä.

LOPPU

Viitatut tiedot

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Kasvitehtaan pikajalostusteknologian tutkimuksen edistyminen [J]. Maataloustekniikka, 2022,42(22):46-49.