Технология за оранжерийно градинарство и селскостопанско инженерствоПубликувано в 17:30 на 14 октомври 2022 г. в Пекин

С непрекъснатото нарастване на световното население, търсенето на храна от страна на хората се увеличава с всеки изминал ден и се поставят по-високи изисквания за хранителност и безопасност на храните. Отглеждането на високодобивни и висококачествени култури е важно средство за решаване на хранителните проблеми. Традиционният метод на селекция обаче отнема много време за култивиране на отлични сортове, което ограничава напредъка на селекцията. При едногодишните самоопрашващи се култури може да са необходими 10~15 години от първоначалното кръстосване на родителите до производството на нов сорт. Следователно, за да се ускори напредъкът в селекцията на културите, е спешно да се подобри ефективността на селекцията и да се съкрати времето за генериране.

Бързото размножаване означава максимизиране на скоростта на растеж на растенията, ускоряване на цъфтежа и плододаването и скъсяване на цикъла на размножаване чрез контролиране на условията на околната среда в напълно затворена контролирана среда за растеж. Растителна фабрика е селскостопанска система, която може да постигне високоефективно производство на култури чрез високопрецизен контрол на околната среда в съоръженията и е идеална среда за бързо размножаване. Условията на средата за засаждане, като светлина, температура, влажност и концентрация на CO2 във фабриката, са относително контролируеми и не се влияят или се влияят по-малко от външния климат. При контролирани условия на околната среда, най-добрият интензитет на светлината, време на осветление и температура могат да ускорят различни физиологични процеси на растенията, особено фотосинтезата и цъфтежа, като по този начин съкратят времето за генериране на растеж на културите. Използвайки технология на растителна фабрика за контрол на растежа и развитието на културите, плодовете се събират предварително, стига няколко семена с кълняемост да могат да задоволят нуждите на размножаването.

Фотопериодът, основният фактор на околната среда, влияещ върху цикъла на растеж на културите

Светлинният цикъл се отнася до редуването на светлинен период и тъмен период през деня. Светлинният цикъл е важен фактор, който влияе върху растежа, развитието, цъфтежа и плододаването на културите. Чрез усещане на промяната в светлинния цикъл, културите могат да преминат от вегетативен растеж към репродуктивен растеж и да завършат цъфтежа и плододаването. Различните сортове и генотипове култури имат различни физиологични реакции към промените в фотопериода. При растенията с дългосрочно слънцегреене, след като слънчевото време надвиши критичната продължителност на слънчевото греене, времето на цъфтеж обикновено се ускорява чрез удължаване на фотопериода, като например овес, пшеница и ечемик. Неутралните растения, независимо от фотопериода, ще цъфтят, като например ориз, царевица и краставица. Растенията с къс ден, като например памук, соя и просо, се нуждаят от фотопериод, по-кратък от критичната продължителност на слънчевото греене, за да цъфтят. При условия на изкуствена среда от 8 часа светлина и висока температура от 30℃, времето на цъфтеж на амаранта е повече от 40 дни по-рано от това в полевата среда. При третиране със светлинен цикъл 16/8 часа (светлина/тъмнина), всичките седем генотипа ечемик цъфтят рано: Franklin (36 дни), Gairdner (35 дни), Gimmett (33 дни), Commander (30 дни), Fleet (29 дни), Baudin (26 дни) и Lockyer (25 дни).

В изкуствена среда, периодът на растеж на пшеницата може да бъде съкратен чрез използване на ембрионална култура за получаване на разсад и след това облъчване в продължение на 16 часа, като всяка година могат да се произвеждат 8 поколения. Периодът на растеж на граха е съкратен от 143 дни в полева среда до 67 дни в изкуствена оранжерия с 16-часова светлина. Чрез допълнително удължаване на фотопериода до 20 часа и комбинирането му с 21°C/16°C (ден/нощ), периодът на растеж на граха може да бъде съкратен до 68 дни, а процентът на зараждане на семената е 97,8%. В контролирана среда, след 20-часово фотопериодно третиране, от засяването до цъфтежа са необходими 32 дни, а целият период на растеж е 62-71 дни, което е по-кратко от това в полски условия с повече от 30 дни. В изкуствена оранжерия с 22-часов фотопериод, времето на цъфтеж на пшеницата, ечемика, рапицата и нахута се съкращава средно съответно с 22, 64, 73 и 33 дни. В комбинация с ранното събиране на семената, степента на покълване на ранно прибраните семена може да достигне средно 92%, 98%, 89% и 94%, съответно, което може напълно да отговори на нуждите на селекцията. Най-бързите сортове могат непрекъснато да произвеждат 6 поколения (пшеница) и 7 поколения (пшеница). При условие на 22-часов фотопериод, времето на цъфтеж на овеса е намалено с 11 дни, а 21 дни след цъфтежа могат да се гарантират поне 5 жизнеспособни семена и пет поколения могат да се размножават непрекъснато всяка година. В изкуствена оранжерия с 22-часово осветление, периодът на растеж на лещата се съкращава до 115 дни и те могат да се размножават в продължение на 3-4 поколения годишно. При условие на 24-часово непрекъснато осветление в изкуствена оранжерия, цикълът на растеж на фъстъците се намалява от 145 дни на 89 дни и те могат да се размножават в продължение на 4 поколения за една година.

Качество на светлината

Светлината играе жизненоважна роля в растежа и развитието на растенията. Светлината може да контролира цъфтежа, като влияе върху много фоторецептори. Съотношението червена светлина (R) към синя светлина (B) е много важно за цъфтежа на културите. Дължината на вълната на червената светлина от 600~700nm съдържа пика на абсорбция на хлорофил от 660nm, което може ефективно да стимулира фотосинтезата. Дължината на вълната на синята светлина от 400~500nm ще повлияе на фототропизма на растенията, отварянето на устицата и растежа на разсада. При пшеницата съотношението червена светлина към синя светлина е около 1, което може да предизвика цъфтеж най-рано. При качество на светлината R:B=4:1, периодът на растеж на среднозрелите и къснозрели сортове соя е съкратен от 120 дни на 63 дни, а височината на растенията и хранителната биомаса са намалени, но добивът на семена не е засегнат, което може да задоволи поне едно семе на растение, а средната кълняемост на незрелите семена е 81,7%. При условие на 10-часово осветление и добавка на синя светлина, соевите растения стават ниски и силни, цъфтят 23 дни след засяването, узряват в рамките на 77 дни и могат да се размножават в продължение на 5 поколения за една година.

Съотношението червена светлина към далечна червена светлина (FR) също влияе върху цъфтежа на растенията. Фоточувствителните пигменти съществуват в две форми: абсорбция на далечна червена светлина (Pfr) и абсорбция на червена светлина (Pr). При ниско съотношение R:FR, фоточувствителните пигменти се превръщат от Pfr в Pr, което води до цъфтеж на дългодневните растения. Използването на LED светлини за регулиране на подходящото R:FR (0.66~1.07) може да увеличи височината на растенията, да насърчи цъфтежа на дългодневните растения (като ипомея и щука) и да потисне цъфтежа на краткодневните растения (като невен). Когато R:FR е по-голямо от 3.1, времето на цъфтеж на лещата се забавя. Намаляването на R:FR до 1.9 може да постигне най-добър ефект на цъфтеж и тя може да цъфти на 31-ия ден след засяването. Ефектът на червената светлина върху инхибирането на цъфтежа се медиира от фоточувствителния пигмент Pr. Проучванията показват, че когато R:FR е по-високо от 3,5, времето на цъфтеж на пет бобови растения (грах, нахут, бакла, леща и лупина) ще се забави. При някои генотипове амарант и ориз, далечната червена светлина се използва за ускоряване на цъфтежа съответно с 10 и 20 дни.

Тор CO₂

CO₂е основният източник на въглерод при фотосинтезата. Висока концентрация на CO₂обикновено може да насърчи растежа и размножаването на едногодишни C3 растения, докато ниската концентрация на CO₂може да намали растежа и добива от размножаване поради ограничението на въглерода. Например, фотосинтетичната ефективност на C3 растенията, като ориз и пшеница, се увеличава с увеличаването на CO2.₂ниво, което води до увеличаване на биомасата и ранен цъфтеж. За да се реализира положителното въздействие на CO₂увеличаване на концентрацията, може да се наложи оптимизиране на снабдяването с вода и хранителни вещества. Следователно, при условие на неограничени инвестиции, хидропониката може напълно да освободи потенциала за растеж на растенията. Ниско съдържание на CO2₂концентрацията забави времето на цъфтеж на Arabidopsis thaliana, докато високата концентрация на CO2₂концентрацията ускори времето на цъфтеж на ориза, съкрати периода на растеж на ориза до 3 месеца и размножи 4 поколения годишно. Чрез добавяне на CO2₂до 785,7 μmol/mol в кутията за изкуствен растеж, цикълът на размножаване на сорта соя „Enrei“ е съкратен до 70 дни и той може да се размножи 5 поколения за една година. Когато CO₂концентрацията се увеличи до 550μmol/mol, цъфтежът на Cajanus cajan се забави с 8~9 дни, а времето за завръзване и зреене на плодовете също се забави с 9 дни. Cajanus cajan натрупа неразтворима захар при високо съдържание на CO2.₂концентрация, което може да повлияе на предаването на сигнала на растенията и да забави цъфтежа. Освен това, в помещението за отглеждане с повишен CO₂, броят и качеството на цветовете на соята се увеличават, което е благоприятно за хибридизация, а степента на хибридизация е много по-висока от тази на соята, отглеждана на полето.

Бъдещи перспективи

Съвременното земеделие може да ускори процеса на селекция на култури чрез алтернативно селекция и селекция в съоръжения. Тези методи обаче имат някои недостатъци, като например строги географски изисквания, скъпо управление на труда и нестабилни природни условия, които не могат да гарантират успешна реколта от семена. Селекцията в съоръжения се влияе от климатичните условия и времето за добавяне на поколения е ограничено. Молекулярното маркерно селекциониране обаче само ускорява селекцията и определянето на целевите характеристики за селекция. В момента технологията за бързо селекциониране се прилага при Gramineae, Leguminosae, Cruciferae и други култури. Фабричното бързо генерационно селекциониране във фабрики за растения обаче напълно елиминира влиянието на климатичните условия и може да регулира средата за растеж според нуждите на растежа и развитието на растенията. Комбинирането на технологията за бързо селекциониране във фабрики за растения с традиционното селекциониране, молекулярното маркерно селекциониране и други методи за селекция ефективно, при условията на бързо селекциониране, времето, необходимо за получаване на хомозиготни линии след хибридизация, може да бъде намалено, а същевременно могат да бъдат селектирани ранните поколения, за да се съкрати времето, необходимо за получаване на идеални характеристики и поколения за селекция.

Основното ограничение на технологията за бързо размножаване на растения във фабриките е, че условията на околната среда, необходими за растежа и развитието на различните култури, са доста различни и отнема много време, за да се получат условията на околната среда за бързо размножаване на целевите култури. Същевременно, поради високата цена на изграждането и експлоатацията на фабриките, е трудно да се проведат мащабни експерименти с адитивно размножаване, което често води до ограничен добив на семена, което може да ограничи последващата оценка на характеристиките на полето. С постепенното усъвършенстване и подобряване на оборудването и технологиите на фабриките, разходите за изграждане и експлоатация на фабриката постепенно намаляват. Възможно е допълнително оптимизиране на технологията за бързо размножаване и съкращаване на цикъла на размножаване чрез ефективно комбиниране на технологията за бързо размножаване във фабриките с други техники за размножаване.

КРАЙ

Цитирана информация

Лиу Кайдже, Лиу Хоученг. Напредък в изследванията на технологията за бързо размножаване на растения във фабрики [J]. Технологии за земеделско инженерство, 2022,42(22):46-49.