Технология сельскохозяйственной инженерии для тепличного садоводстваОпубликовано в 17:30 14 октября 2022 года в Пекине.

В условиях непрерывного роста населения планеты спрос на продовольствие растет с каждым днем, и предъявляются все более высокие требования к пищевой ценности и безопасности продуктов питания. Выращивание высокоурожайных и высококачественных культур является важным средством решения продовольственных проблем. Однако традиционные методы селекции требуют длительного времени для получения превосходных сортов, что ограничивает прогресс в селекции. Для однолетних самоопыляющихся культур от скрещивания с родительскими растениями до получения нового сорта может пройти 10-15 лет. Поэтому для ускорения прогресса в селекции сельскохозяйственных культур крайне важно повысить эффективность селекции и сократить время генерации.

Быстрое размножение означает максимизацию темпов роста растений, ускорение цветения и плодоношения, а также сокращение цикла размножения за счет контроля условий окружающей среды в полностью закрытой контролируемой камере для выращивания. Растительная фабрика — это сельскохозяйственная система, которая позволяет достичь высокоэффективного производства сельскохозяйственных культур благодаря высокоточному контролю окружающей среды в помещениях, и она является идеальной средой для быстрого размножения. Условия выращивания, такие как свет, температура, влажность и концентрация CO2 в фабрике, относительно контролируемы и не сильно зависят от внешнего климата. В контролируемых условиях окружающей среды оптимальная интенсивность света, продолжительность освещения и температура могут ускорить различные физиологические процессы растений, особенно фотосинтез и цветение, тем самым сокращая время роста урожая. Использование технологии растительной фабрики для контроля роста и развития растений, предварительный сбор урожая, а также наличие небольшого количества семян с достаточной всхожестью могут удовлетворить потребности селекции.

Фотопериод — основной фактор окружающей среды, влияющий на цикл роста сельскохозяйственных культур.

Световой цикл — это чередование светового и темного периодов в течение дня. Световой цикл является важным фактором, влияющим на рост, развитие, цветение и плодоношение сельскохозяйственных культур. Благодаря изменению светового цикла, растения могут переходить от вегетативного роста к репродуктивному, а также к цветению и плодоношению. Различные сорта и генотипы культур имеют разные физиологические реакции на изменения фотопериода. У растений, требующих длительного солнечного света, как только продолжительность солнечного сияния превышает критическую, время цветения обычно ускоряется за счет увеличения продолжительности солнечного сияния, например, у овса, пшеницы и ячменя. Нейтральные растения, независимо от продолжительности солнечного сияния, цветут, например, рис, кукуруза и огурец. Растениям короткого дня, таким как хлопок, соя и просо, для цветения требуется продолжительность солнечного сияния меньше критической. В условиях искусственной среды с 8-часовым световым днем ​​и высокой температурой 30℃ время цветения амаранта наступает более чем на 40 дней раньше, чем в полевых условиях. При световом цикле 16/8 часов (свет/темнота) все семь генотипов ячменя зацвели рано: Франклин (36 дней), Гэрднер (35 дней), Гимметт (33 дня), Коммандер (30 дней), Флит (29 дней), Боден (26 дней) и Локьер (25 дней).

В искусственных условиях период роста пшеницы можно сократить, используя зародышевую культуру для получения рассады, а затем облучая ее в течение 16 часов, что позволяет получать 8 поколений в год. Период роста гороха сократился со 143 дней в полевых условиях до 67 дней в искусственной теплице при 16-часовом освещении. Дальнейшее увеличение фотопериода до 20 часов в сочетании с температурой 21°C/16°C (день/ночь) позволяет сократить период роста гороха до 68 дней, а процент завязывания семян составляет 97,8%. В условиях контролируемой среды после обработки 20-часовым фотопериодом период от посева до цветения составляет 32 дня, а весь период роста – 62-71 день, что более чем на 30 дней короче, чем в полевых условиях. В условиях искусственной теплицы с 22-часовым фотопериодом время цветения пшеницы, ячменя, рапса и нута сокращается в среднем на 22, 64, 73 и 33 дня соответственно. В сочетании с ранней уборкой семян, всхожесть семян ранней уборки достигает в среднем 92%, 98%, 89% и 94% соответственно, что полностью удовлетворяет потребностям селекции. Самые быстрорастущие сорта могут непрерывно давать 6 поколений (пшеница) и 7 поколений (пшеница). В условиях 22-часового фотопериода время цветения овса сокращается на 11 дней, и через 21 день после цветения гарантируется наличие не менее 5 жизнеспособных семян, что позволяет непрерывно размножать пять поколений каждый год. В искусственной теплице с 22-часовым освещением период роста чечевицы сокращается до 115 дней, и она может размножаться в течение 3-4 поколений в год. В условиях круглосуточного непрерывного освещения в искусственной теплице цикл роста арахиса сокращается со 145 до 89 дней, и за один год можно получить 4 поколения.

Качество света

Свет играет жизненно важную роль в росте и развитии растений. Свет может контролировать цветение, воздействуя на множество фоторецепторов. Соотношение красного света (R) и синего света (B) очень важно для цветения сельскохозяйственных культур. Длина волны красного света 600–700 нм содержит пик поглощения хлорофилла на 660 нм, что эффективно стимулирует фотосинтез. Длина волны синего света 400–500 нм влияет на фототропизм растений, открытие устьев и рост сеянцев. У пшеницы соотношение красного и синего света составляет примерно 1, что способствует раннему цветению. При соотношении R:B = 4:1 период роста средне- и позднеспелых сортов сои сократился со 120 до 63 дней, высота растений и питательная биомасса уменьшились, но урожайность семян не пострадала, что обеспечило наличие как минимум одного семени на растение, а средняя всхожесть незрелых семян составила 81,7%. При 10-часовом освещении и дополнительном воздействии синего света растения сои становились низкими и крепкими, зацветали через 23 дня после посева, созревали в течение 77 дней и могли воспроизводить 5 поколений в год.

Соотношение красного света к дальнему красному свету (FR) также влияет на цветение растений. Фоточувствительные пигменты существуют в двух формах: поглощение дальнего красного света (Pfr) и поглощение красного света (Pr). При низком соотношении R:FR фоточувствительные пигменты преобразуются из Pfr в Pr, что приводит к цветению растений длинного дня. Использование светодиодных ламп для регулирования соответствующего соотношения R:FR (0,66–1,07) может увеличить высоту растений, способствовать цветению растений длинного дня (таких как ипомея и львиный зев) и подавлять цветение растений короткого дня (таких как бархатцы). Когда R:FR превышает 3,1, время цветения чечевицы задерживается. Снижение R:FR до 1,9 позволяет добиться наилучшего эффекта цветения, и растение может зацвести на 31-й день после посева. Влияние красного света на подавление цветения опосредуется фоточувствительным пигментом Pr. Исследования показали, что при соотношении красного и дальнего красного света (R:FR) выше 3,5 время цветения пяти бобовых растений (гороха, нута, бобов, чечевицы и люпина) задерживается. У некоторых генотипов амаранта и риса дальний красный свет используется для ускорения цветения на 10 и 20 дней соответственно.

Удобрения CO₂

CO₂является основным источником углерода для фотосинтеза. Высокая концентрация CO₂.₂Обычно способствует росту и размножению однолетних растений типа C3, в то время как низкая концентрация CO2₂Ограничение содержания углерода может снизить рост и репродуктивную способность растений. Например, эффективность фотосинтеза у растений типа C3, таких как рис и пшеница, возрастает с увеличением концентрации CO₂.₂уровень, что приводит к увеличению биомассы и раннему цветению. Для того чтобы реализовать положительный эффект CO₂, необходимо₂При увеличении концентрации CO₂ может потребоваться оптимизация водоснабжения и подачи питательных веществ. Поэтому при неограниченных инвестициях гидропоника может полностью раскрыть потенциал роста растений. Низкое содержание CO₂₂Высокая концентрация CO₂ задерживала время цветения Arabidopsis thaliana, в то время как высокая концентрация CO₂₂Увеличение концентрации CO₂ ускорило цветение риса, сократило период его роста до 3 месяцев и позволило получить 4 поколения в год. Дополнительное использование CO₂₂При концентрации CO2 785,7 мкмоль/моль в искусственном контейнере для выращивания, цикл селекции сорта сои «Энрей» сократился до 70 дней, и за один год можно было получить 5 поколений. При концентрации CO2₂При увеличении концентрации до 550 мкмоль/моль цветение Cajanus cajan задерживалось на 8–9 дней, а завязывание плодов и время созревания также задерживались на 9 дней. Cajanus cajan накапливал нерастворимые сахара при высокой концентрации CO₂.₂концентрация, которая может повлиять на передачу сигналов растениями и задержать цветение. Кроме того, в камере для выращивания растений с повышенной концентрацией CO₂₂Благодаря этому увеличивается количество и качество цветков сои, что способствует гибридизации, и процент гибридизации значительно выше, чем у сои, выращенной в открытом грунте.

Перспективы на будущее

Современное сельское хозяйство может ускорить процесс селекции сельскохозяйственных культур с помощью альтернативной селекции и селекции на теплицах. Однако у этих методов есть некоторые недостатки, такие как жесткие географические требования, дорогостоящее управление трудовыми ресурсами и нестабильные природные условия, которые не могут гарантировать успешный сбор семян. Селекция на теплицах зависит от климатических условий, и время для получения новых поколений ограничено. В то же время, селекция с использованием молекулярных маркеров лишь ускоряет отбор и определение целевых признаков селекции. В настоящее время технология быстрой селекции применяется к злаковым, бобовым, крестоцветным и другим культурам. Однако селекция на теплицах с быстрым получением поколений полностью исключает влияние климатических условий и позволяет регулировать условия выращивания в соответствии с потребностями роста и развития растений. Эффективное сочетание технологии быстрой селекции на теплицах с традиционной селекцией, селекцией с использованием молекулярных маркеров и другими методами селекции позволяет в условиях быстрой селекции сократить время, необходимое для получения гомозиготных линий после гибридизации, и одновременно сократить время, необходимое для получения идеальных признаков и новых поколений, за счет отбора ранних поколений.

Ключевым ограничением технологии ускоренной селекции растений в питомниках является существенная разница в необходимых условиях окружающей среды для роста и развития различных культур, что требует длительного времени для создания таких условий. В то же время, из-за высокой стоимости строительства и эксплуатации питомников, трудно проводить крупномасштабные эксперименты по аддитивной селекции, что часто приводит к ограничению урожайности семян и, следовательно, к ограничению последующей оценки полевых характеристик. Постепенное совершенствование оборудования и технологий питомников позволяет постепенно снижать затраты на их строительство и эксплуатацию. Дальнейшая оптимизация технологии ускоренной селекции и сокращение цикла селекции возможны за счет эффективного сочетания этой технологии с другими методами селекции.

КОНЕЦ

Цитируемая информация

Лю Кайчжэ, Лю Хоучэн. Прогресс исследований технологии быстрого разведения растений на фабриках [J]. Технология сельскохозяйственной инженерии, 2022,42(22):46-49.