Tecnologia d'enginyeria agrícola hortícola d'hivernaclePublicat a les 17:30 del 14 d'octubre de 2022 a Pequín

Amb l'augment continu de la població mundial, la demanda d'aliments augmenta dia a dia, i es plantegen requisits més elevats per a la nutrició i la seguretat alimentària. El cultiu de cultius d'alt rendiment i alta qualitat és un mitjà important per resoldre els problemes alimentaris. Tanmateix, el mètode de cria tradicional requereix molt de temps per cultivar varietats excel·lents, cosa que limita el progrés de la cria. Per als cultius autopol·linitzants anuals, poden passar de 10 a 15 anys des del primer encreuament parental fins a la producció d'una nova varietat. Per tant, per accelerar el progrés de la cria de cultius, és urgent millorar l'eficiència de la cria i escurçar el temps de generació.

La cria ràpida significa maximitzar la taxa de creixement de les plantes, accelerar la floració i la fructificació i escurçar el cicle de cria mitjançant el control de les condicions ambientals en una sala de creixement d'ambient controlat completament tancada. La fàbrica de plantes és un sistema agrícola que pot aconseguir una producció de cultius d'alta eficiència mitjançant un control ambiental d'alta precisió a les instal·lacions, i és un entorn ideal per a la cria ràpida. Les condicions de l'entorn de plantació, com ara la llum, la temperatura, la humitat i la concentració de CO2 a la fàbrica, són relativament controlables i no es veuen afectades o menys pel clima extern. En condicions ambientals controlades, la millor intensitat de llum, temps de llum i temperatura poden accelerar diversos processos fisiològics de les plantes, especialment la fotosíntesi i la floració, escurçant així el temps de generació del creixement dels cultius. Utilitzant la tecnologia de la fàbrica de plantes per controlar el creixement i desenvolupament dels cultius, collint fruits amb antelació, sempre que unes poques llavors amb capacitat de germinació puguin satisfer les necessitats de cria.

El fotoperíode, el principal factor ambiental que afecta el cicle de creixement dels cultius

El cicle de llum es refereix a l'alternança del període de llum i el període de foscor en un dia. El cicle de llum és un factor important que afecta el creixement, desenvolupament, floració i fructificació dels cultius. En detectar el canvi del cicle de llum, els cultius poden canviar del creixement vegetatiu al creixement reproductiu i a la floració i fructificació completes. Diferents varietats i genotips de cultius tenen diferents respostes fisiològiques als canvis de fotoperíode. Les plantes de llarga insolació, un cop el temps de sol supera la durada crítica de sol, el temps de floració normalment s'accelera per la prolongació del fotoperíode, com la civada, el blat i l'ordi. Les plantes neutres, independentment del fotoperíode, floriran, com l'arròs, el blat de moro i el cogombre. Les plantes de dia curt, com el cotó, la soja i el mill, necessiten un fotoperíode inferior a la durada crítica de sol per florir. En condicions ambientals artificials de 8 hores de llum i 30 ℃ d'alta temperatura, el temps de floració de l'amarant és més de 40 dies abans que en l'entorn de camp. Sota el tractament d'un cicle de llum de 16/8 h (llum/foscor), els set genotips d'ordi van florir d'hora: Franklin (36 dies), Gairdner (35 dies), Gimmett (33 dies), Commander (30 dies), Fleet (29 dies), Baudin (26 dies) i Lockyer (25 dies).

En un entorn artificial, el període de creixement del blat es pot escurçar mitjançant un cultiu d'embrions per obtenir plàntules i, posteriorment, irradiant-les durant 16 hores, podent produir-se 8 generacions cada any. El període de creixement del pèsol es va escurçar de 143 dies en un entorn de camp a 67 dies en un hivernacle artificial amb 16 hores de llum. En prolongar encara més el fotoperíode a 20 hores i combinar-lo amb 21 °C/16 °C (dia/nit), el període de creixement del pèsol es pot escurçar a 68 dies i la taxa de quallat de les llavors és del 97,8%. En condicions d'entorn controlat, després d'un tractament de fotoperíode de 20 hores, triguen 32 dies des de la sembra fins a la floració, i el període de creixement complet és de 62 a 71 dies, cosa que és més de 30 dies més curt que en condicions de camp. En condicions d'hivernacle artificial amb fotoperíode de 22 hores, el temps de floració del blat, l'ordi, la colza i el cigró s'escurça en una mitjana de 22, 64, 73 i 33 dies, respectivament. Combinades amb la collita primerenca de llavors, les taxes de germinació de les llavors de collita primerenca poden arribar al 92%, 98%, 89% i 94% de mitjana, respectivament, cosa que pot satisfer plenament les necessitats de la cria. Les varietats més ràpides poden produir contínuament 6 generacions (blat) i 7 generacions (blat). Sota la condició de fotoperíode de 22 hores, el temps de floració de la civada es va reduir en 11 dies, i 21 dies després de la floració, es van poder garantir almenys 5 llavors viables i es van poder propagar contínuament cinc generacions cada any. En l'hivernacle artificial amb il·luminació de 22 hores, el període de creixement de les llenties s'escurça a 115 dies i es poden reproduir durant 3-4 generacions a l'any. Sota la condició d'il·luminació contínua de 24 hores en l'hivernacle artificial, el cicle de creixement del cacauet es redueix de 145 dies a 89 dies i es pot propagar durant 4 generacions en un any.

Qualitat de la llum

La llum juga un paper vital en el creixement i desenvolupament de les plantes. La llum pot controlar la floració afectant molts fotoreceptors. La proporció entre la llum vermella (R) i la llum blava (B) és molt important per a la floració dels cultius. La longitud d'ona de la llum vermella de 600~700nm conté el pic d'absorció de la clorofil·la de 660nm, que pot promoure eficaçment la fotosíntesi. La longitud d'ona de la llum blava de 400~500nm afectarà el fototropisme de la planta, l'obertura dels estomes i el creixement de les plàntules. En el blat, la proporció entre la llum vermella i la llum blava és d'aproximadament 1, cosa que pot induir la floració com a mínim. Sota la qualitat de la llum de R:B=4:1, el període de creixement de les varietats de soja de maduració mitjana i tardana es va escurçar de 120 dies a 63 dies, i l'alçada de la planta i la biomassa nutricional es van reduir, però el rendiment de les llavors no es va veure afectat, cosa que va poder satisfer almenys una llavor per planta, i la taxa de germinació mitjana de les llavors immadures va ser del 81,7%. Sota la condició d'il·luminació de 10 hores i suplement de llum blava, les plantes de soja es van tornar curtes i fortes, van florir 23 dies després de la sembra, van madurar en 77 dies i es van poder reproduir durant 5 generacions en un any.

La proporció entre la llum vermella i la llum vermella llunyana (FR) també afecta la floració de les plantes. Els pigments fotosensibles existeixen en dues formes: absorció de llum vermella llunyana (Pfr) i absorció de llum vermella (Pr). Amb una proporció R:FR baixa, els pigments fotosensibles es converteixen de Pfr a Pr, cosa que condueix a la floració de plantes de dia llarg. L'ús de llums LED per regular la R:FR adequada (0,66~1,07) pot augmentar l'alçada de la planta, promoure la floració de plantes de dia llarg (com la glòria del matí i la boca de drac) i inhibir la floració de plantes de dia curt (com la calèndula). Quan la R:FR és superior a 3,1, el temps de floració de les llenties es retarda. Reduir la R:FR a 1,9 pot obtenir el millor efecte de floració, i pot florir el 31è dia després de la sembra. L'efecte de la llum vermella sobre la inhibició de la floració està mediat pel pigment fotosensible Pr. Els estudis han assenyalat que quan l'R:FR és superior a 3,5, el temps de floració de cinc plantes lleguminoses (pèsol, cigró, fava, llentia i llobí) s'endarrereix. En alguns genotips d'amarant i arròs, s'utilitza llum vermella llunyana per avançar la floració 10 i 20 dies respectivament.

CO₂ de fertilitzants₂

CO₂és la principal font de carboni de la fotosíntesi. Alta concentració de CO2₂normalment pot promoure el creixement i la reproducció de les anuals C3, mentre que la baixa concentració de CO2₂pot reduir el rendiment del creixement i la reproducció a causa de la limitació de carboni. Per exemple, l'eficiència fotosintètica de les plantes C3, com l'arròs i el blat, augmenta amb l'augment de CO₂nivell, cosa que resulta en un augment de la biomassa i una floració primerenca. Per tal d'aconseguir l'impacte positiu del CO2₂augment de la concentració, pot ser necessari optimitzar el subministrament d'aigua i nutrients. Per tant, sota la condició d'una inversió il·limitada, la hidroponia pot alliberar completament el potencial de creixement de les plantes. Baixa CO2₂concentració va retardar el temps de floració d'Arabidopsis thaliana, mentre que l'alta concentració de CO2₂la concentració va accelerar el temps de floració de l'arròs, va escurçar el període de creixement de l'arròs a 3 mesos i va propagar 4 generacions a l'any. En complementar CO₂a 785,7 μmol/mol a la caixa de creixement artificial, el cicle de cria de la varietat de soja 'Enrei' es va escurçar a 70 dies, i podia reproduir 5 generacions en un any. Quan el CO₂la concentració va augmentar a 550 μmol/mol, la floració de Cajanus cajan es va retardar durant 8~9 dies, i el quallat i el temps de maduració del fruit també es van retardar durant 9 dies. Cajanus cajan va acumular sucre insoluble a alts nivells de CO2₂concentració, que pot afectar la transmissió del senyal de les plantes i retardar la floració. A més, a la sala de creixement amb un augment de CO2₂, augmenta el nombre i la qualitat de les flors de soja, cosa que afavoreix la hibridació, i la seva taxa d'hibridació és molt més alta que la de la soja cultivada al camp.

Perspectives de futur

L'agricultura moderna pot accelerar el procés de millora de cultius mitjançant la millora alternativa i la millora en instal·lacions. Tanmateix, hi ha algunes deficiències en aquests mètodes, com ara requisits geogràfics estrictes, una gestió laboral costosa i condicions naturals inestables, que no poden garantir una collita de llavors reeixida. La millora en instal·lacions està influenciada per les condicions climàtiques i el temps per a l'addició de generacions és limitat. Tanmateix, la millora amb marcadors moleculars només accelera la selecció i la determinació dels trets objectiu de la millora. Actualment, la tecnologia de millora ràpida s'ha aplicat a gramínies, lleguminoses, crucíferes i altres cultius. Tanmateix, la millora de generació ràpida en fàbriques de plantes elimina completament la influència de les condicions climàtiques i pot regular l'entorn de creixement segons les necessitats del creixement i desenvolupament de les plantes. Combinant la tecnologia de millora ràpida en fàbriques de plantes amb la millora tradicional, la millora amb marcadors moleculars i altres mètodes de millora de manera efectiva, en condicions de millora ràpida, es pot reduir el temps necessari per obtenir línies homozigòtiques després de la hibridació i, alhora, es poden seleccionar les primeres generacions per escurçar el temps necessari per obtenir trets i generacions de millora ideals.

La principal limitació de la tecnologia de cria ràpida de plantes a les fàbriques és que les condicions ambientals necessàries per al creixement i desenvolupament de diferents cultius són força diferents, i es triga molt a obtenir les condicions ambientals per a la cria ràpida dels cultius objectiu. Al mateix temps, a causa de l'alt cost de construcció i funcionament de la fàbrica de plantes, és difícil dur a terme experiments de cria additiva a gran escala, cosa que sovint condueix a un rendiment limitat de les llavors, cosa que pot limitar l'avaluació posterior del caràcter al camp. Amb la millora gradual dels equips i la tecnologia de la fàbrica de plantes, el cost de construcció i funcionament de la fàbrica de plantes es redueix gradualment. És possible optimitzar encara més la tecnologia de cria ràpida i escurçar el cicle de cria combinant eficaçment la tecnologia de cria ràpida de la fàbrica de plantes amb altres tècniques de cria.

FI

Informació citada

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Progrés de la recerca en tecnologia de cria ràpida en fàbriques de plantes [J]. Tecnologia d'Enginyeria Agrícola, 2022,42(22):46-49.