Технологија пољопривредног инжењерства у пластеницимаОбјављено у 17:30 14. октобра 2022. у Пекингу

Са континуираним повећањем светске популације, потражња људи за храном расте из дана у дан, а постављају се све већи захтеви за хранљиву вредност и безбедност хране. Гајење високоприносних и висококвалитетних усева је важно средство за решавање проблема са храном. Међутим, традиционални метод оплемењивања захтева много времена за узгој одличних сорти, што ограничава напредак оплемењивања. За једногодишње самоопрашујуће усеве може бити потребно 10~15 година од почетног укрштања родитеља до производње нове сорте. Стога, како би се убрзао напредак оплемењивања усева, хитно је побољшати ефикасност оплемењивања и скратити време генерације.

Брзо узгој значи максимизирање стопе раста биљака, убрзавање цветања и плодоношења и скраћивање циклуса узгоја контролом услова околине у потпуно затвореној контролисаној просторији за узгој. Фабрика биљака је пољопривредни систем који може постићи високоефикасну производњу усева кроз високопрецизну контролу околине у објектима и представља идеално окружење за брзо узгој. Услови садње, као што су светлост, температура, влажност и концентрација CO2 у фабрици, су релативно контролисани и нису или су мање под утицајем спољашње климе. У контролисаним условима околине, најбољи интензитет светлости, време осветљења и температура могу убрзати различите физиолошке процесе биљака, посебно фотосинтезу и цветање, чиме се скраћује време генерације раста усева. Коришћењем технологије фабрике биљака за контролу раста и развоја усева, плодове се беру унапред, све док неколико семена са способношћу клијања може да задовољи потребе узгоја.

Фотопериод, главни фактор животне средине који утиче на циклус раста усева

Светлосни циклус се односи на смењивање светлосног и тамног периода током дана. Светлосни циклус је важан фактор који утиче на раст, развој, цветање и плодоношење усева. Осећањем промене светлосног циклуса, усеви могу прећи из вегетативног раста у репродуктивни раст и потпуно цветање и плодоношење. Различите сорте и генотипови усева имају различите физиолошке реакције на промене фотопериода. Биљке са дугим сунчаним зрачењем, када време сунчаног зрачења пређе критичну дужину сунчаног зрачења, време цветања се обично убрзава продужењем фотопериода, као што су овас, пшеница и јечам. Неутралне биљке, без обзира на фотопериод, ће цветати, као што су пиринач, кукуруз и краставац. Биљке са кратким сунчаним зрачењем, као што су памук, соја и просо, захтевају фотопериод краћи од критичне дужине сунчаног зрачења да би цветале. У вештачким условима окружења од 8 сати светлости и високе температуре од 30℃, време цветања амаранта је више од 40 дана раније него у пољским условима. Под третманом светлосног циклуса од 16/8 сати (светло/там), свих седам генотипова јечма цветало је рано: Франклин (36 дана), Герднер (35 дана), Гимет (33 дана), Командер (30 дана), Флит (29 дана), Бауден (26 дана) и Локјер (25 дана).

У вештачким условима, период раста пшенице може се скратити коришћењем ембрионске културе за добијање садница, а затим зрачењем током 16 сати, чиме се може произвести 8 генерација сваке године. Период раста грашка скраћен је са 143 дана у пољским условима на 67 дана у вештачким пластеницима са 16 сати светлости. Даљим продужавањем фотопериода на 20 сати и комбиновањем са 21°C/16°C (дан/ноћ), период раста грашка може се скратити на 68 дана, а стопа клијања семена је 97,8%. У условима контролисаног окружења, након третмана фотопериодом од 20 сати, потребно је 32 дана од сетве до цветања, а цео период раста је 62-71 дан, што је краће него у пољским условима за више од 30 дана. У условима вештачког пластеника са фотопериодом од 22 сата, време цветања пшенице, јечма, уљане репице и леблебија скраћује се у просеку за 22, 64, 73 и 33 дана, респективно. У комбинацији са раним жетвом семена, стопе клијавости раног семена могу достићи просечно 92%, 98%, 89% и 94%, респективно, што може у потпуности задовољити потребе оплемењивања. Најбрже сорте могу континуирано производити 6 генерација (пшеница) и 7 генерација (пшеница). Под условом 22-часовног фотопериода, време цветања овса је смањено за 11 дана, а 21 дан након цветања, може се гарантовати најмање 5 одрживих семена, а пет генерација се може континуирано размножавати сваке године. У вештачком стакленику са 22-часовним осветљењем, период раста сочива је скраћен на 115 дана, и може се размножавати 3-4 генерације годишње. Под условом 24-часовног континуираног осветљења у вештачком стакленику, циклус раста кикирикија је смањен са 145 дана на 89 дана, и може се размножавати 4 генерације у једној години.

Квалитет светлости

Светлост игра виталну улогу у расту и развоју биљака. Светлост може контролисати цветање утичући на многе фоторецепторе. Однос црвене светлости (R) и плаве светлости (B) је веома важан за цветање усева. Таласна дужина црвене светлости од 600~700nm садржи апсорпциони врх хлорофила од 660nm, што може ефикасно подстаћи фотосинтезу. Таласна дужина плаве светлости од 400~500nm утицаће на фототропизам биљака, отварање стомата и раст садница. Код пшенице, однос црвене и плаве светлости је око 1, што може изазвати цветање најраније. Под квалитетом светлости R:B=4:1, период раста средње и касно зрелих сорти соје је скраћен са 120 дана на 63 дана, а висина биљке и нутритивна биомаса су смањене, али принос семена није погођен, што је могло задовољити најмање једно семе по биљци, а просечна стопа клијања незрелог семена била је 81,7%. Под условима осветљења од 10 сати и додатка плаве светлости, биљке соје су постале кратке и јаке, цветале су 23 дана након сетве, сазревале у року од 77 дана и могле су се размножавати 5 генерација у једној години.

Однос црвене и далеке црвене светлости (FR) такође утиче на цветање биљака. Фотосензитивни пигменти постоје у два облика: апсорпција далеке црвене светлости (Pfr) и апсорпција црвене светлости (Pr). При ниском односу R:FR, фотосензитивни пигменти се претварају из Pfr у Pr, што доводи до цветања биљака дугог дана. Коришћење ЛЕД светала за регулисање одговарајућег R:FR (0,66~1,07) може повећати висину биљке, подстаћи цветање биљака дугог дана (као што су јутарња слава и зејпдрагон) и инхибирати цветање биљака кратког дана (као што је невен). Када је R:FR већи од 3,1, време цветања сочива је одложено. Смањењем R:FR на 1,9 може се добити најбољи ефекат цветања, а може цветати 31. дана након сетве. Ефекат црвене светлости на инхибицију цветања посредован је фотосензитивним пигментом Pr. Студије су показале да када је R:FR већи од 3,5, време цветања пет махунарки (грашак, леблебије, боб, сочиво и лупин) биће одложено. Код неких генотипова амаранта и пиринча, далека црвена светлост се користи за убрзање цветања за 10, односно 20 дана.

Ђубриво CO₂

CO₂је главни извор угљеника за фотосинтезу. Висока концентрација CO₂обично може подстаћи раст и размножавање једногодишњих биљака C3, док ниска концентрација CO₂може смањити раст и принос репродукције због ограничења угљеника. На пример, фотосинтетска ефикасност C3 биљака, као што су пиринач и пшеница, повећава се са повећањем CO2.₂ниво, што резултира повећањем биомасе и раним цветањем. Да би се остварио позитиван утицај CO₂повећање концентрације, може бити потребно оптимизовати снабдевање водом и хранљивим материјама. Стога, под условом неограничених улагања, хидропоника може у потпуности ослободити потенцијал раста биљака. Низак CO₂концентрација је одложила време цветања Arabidopsis thaliana, док је висока концентрација CO2₂концентрација је убрзала време цветања пиринча, скратила период раста пиринча на 3 месеца и размножавала се 4 генерације годишње. Додавањем CO2₂на 785,7μmol/mol у вештачкој кутији за раст, циклус размножавања сорте соје „Enrei“ је скраћен на 70 дана, и могла је да се размножава 5 генерација у једној години. Када је CO₂концентрација се повећала на 550μmol/mol, цветање Cajanus cajan је одложено за 8~9 дана, а време заметања и сазревања плодова је такође одложено за 9 дана. Cajanus cajan је акумулирао нерастворљиви шећер при високом CO2.₂концентрација, што може утицати на пренос сигнала биљака и одложити цветање. Поред тога, у просторији за узгој са повећаним CO₂, број и квалитет цветова соје се повећавају, што погодује хибридизацији, а њена стопа хибридизације је много већа него код соје узгајане на пољу.

Будући изгледи

Модерна пољопривреда може убрзати процес оплемењивања усева путем алтернативног оплемењивања и оплемењивања у објектима. Међутим, постоје неки недостаци ових метода, као што су строги географски захтеви, скупо управљање радном снагом и нестабилни природни услови, који не могу гарантовати успешну жетву семена. На оплемењивање у објектима утичу климатски услови, а време за додавање генерација је ограничено. Међутим, оплемењивање молекуларним маркерима само убрзава селекцију и одређивање циљних особина оплемењивања. Тренутно се технологија брзог оплемењивања примењује на траве, махунарке, крсташице и друге усеве. Међутим, брзо оплемењивање у фабрици биљака потпуно елиминише утицај климатских услова и може регулисати окружење за раст у складу са потребама раста и развоја биљака. Комбиновањем технологије брзог оплемењивања у фабрици биљака са традиционалним оплемењивањем, оплемењивањем молекуларним маркерима и другим методама оплемењивања ефикасно, под условима брзог оплемењивања, време потребно за добијање хомозиготних линија након хибридизације може се смањити, а истовремено се могу одабрати ране генерације како би се скратило време потребно за добијање идеалних особина и генерација за оплемењивање.

Кључно ограничење технологије брзог оплемењивања биљака у фабрикама је то што су услови околине потребни за раст и развој различитих усева прилично различити и потребно је много времена да се постигну услови околине за брзо оплемењивање циљних усева. Истовремено, због високих трошкова изградње и рада фабрика биљака, тешко је спровести експерименте адитивног оплемењивања великих размера, што често доводи до ограниченог приноса семена, што може ограничити накнадну процену карактеристика поља. Постепеним побољшањем и унапређењем опреме и технологије фабрика биљака, трошкови изградње и рада фабрика биљака се постепено смањују. Могуће је додатно оптимизовати технологију брзог оплемењивања и скратити циклус оплемењивања ефикасним комбиновањем технологије брзог оплемењивања фабрика биљака са другим техникама оплемењивања.

КРАЈ

Цитиране информације

Лиу Каиџе, Лиу Хоученг. Напредак истраживања технологије брзог оплемењивања у биљним фабрикама [J]. Пољопривредна инжењерска технологија, 2022,42(22):46-49.