Τεχνολογία γεωργικής μηχανικής κηπευτικής σε θερμοκήπιαΔημοσιεύτηκε στις 17:30 στις 14 Οκτωβρίου 2022 στο Πεκίνο

Με τη συνεχή αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού, η ζήτηση των ανθρώπων για τρόφιμα αυξάνεται καθημερινά και τίθενται υψηλότερες απαιτήσεις για τη διατροφή και την ασφάλεια των τροφίμων. Η καλλιέργεια καλλιεργειών υψηλής απόδοσης και υψηλής ποιότητας αποτελεί σημαντικό μέσο για την επίλυση των προβλημάτων διατροφής. Ωστόσο, η παραδοσιακή μέθοδος βελτίωσης απαιτεί πολύ χρόνο για την καλλιέργεια εξαιρετικών ποικιλιών, γεγονός που περιορίζει την πρόοδο της βελτίωσης. Για τις ετήσιες αυτογονιμοποιούμενες καλλιέργειες, μπορεί να χρειαστούν 10-15 χρόνια από την αρχική διασταύρωση με τους γονείς έως την παραγωγή μιας νέας ποικιλίας. Επομένως, προκειμένου να επιταχυνθεί η πρόοδος της βελτίωσης των καλλιεργειών, είναι επείγον να βελτιωθεί η αποδοτικότητα της βελτίωσης και να μειωθεί ο χρόνος αναπαραγωγής.

Η ταχεία αναπαραγωγή σημαίνει μεγιστοποίηση του ρυθμού ανάπτυξης των φυτών, επιτάχυνση της ανθοφορίας και της καρποφορίας και συντόμευση του κύκλου αναπαραγωγής ελέγχοντας τις περιβαλλοντικές συνθήκες σε ένα πλήρως κλειστό ελεγχόμενο περιβάλλον ανάπτυξης. Το εργοστάσιο φυτών είναι ένα γεωργικό σύστημα που μπορεί να επιτύχει παραγωγή καλλιεργειών υψηλής απόδοσης μέσω περιβαλλοντικού ελέγχου υψηλής ακρίβειας στις εγκαταστάσεις και αποτελεί ιδανικό περιβάλλον για ταχεία αναπαραγωγή. Οι συνθήκες του περιβάλλοντος φύτευσης, όπως το φως, η θερμοκρασία, η υγρασία και η συγκέντρωση CO2 στο εργοστάσιο, είναι σχετικά ελεγχόμενες και δεν επηρεάζονται ή επηρεάζονται λιγότερο από το εξωτερικό κλίμα. Υπό ελεγχόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες, η βέλτιστη ένταση φωτός, ο χρόνος φωτός και η θερμοκρασία μπορούν να επιταχύνουν διάφορες φυσιολογικές διεργασίες των φυτών, ιδιαίτερα τη φωτοσύνθεση και την ανθοφορία, μειώνοντας έτσι τον χρόνο παραγωγής της καλλιέργειας. Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία του εργοστασίου φυτών για τον έλεγχο της ανάπτυξης και της ανάπτυξης των καλλιεργειών, η συγκομιδή των καρπών εκ των προτέρων, εφόσον μερικοί σπόροι με ικανότητα βλάστησης μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες αναπαραγωγής.

Φωτοπερίοδος, ο κύριος περιβαλλοντικός παράγοντας που επηρεάζει τον κύκλο ανάπτυξης των καλλιεργειών

Ο κύκλος φωτός αναφέρεται στην εναλλαγή της φωτεινής και της σκοτεινής περιόδου σε μια ημέρα. Ο κύκλος φωτός είναι ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την ανάπτυξη, την εξέλιξη, την ανθοφορία και την καρποφορία των καλλιεργειών. Ανιχνεύοντας την αλλαγή του κύκλου φωτός, οι καλλιέργειες μπορούν να αλλάξουν από βλαστική ανάπτυξη σε αναπαραγωγική ανάπτυξη και πλήρη ανθοφορία και καρποφορία. Διαφορετικές ποικιλίες και γονότυποι καλλιεργειών έχουν διαφορετικές φυσιολογικές αντιδράσεις στις αλλαγές της φωτοπεριόδου. Στα φυτά μεγάλης ηλιοφάνειας, όταν ο χρόνος ηλιοφάνειας υπερβεί την κρίσιμη διάρκεια ηλιοφάνειας, ο χρόνος ανθοφορίας συνήθως επιταχύνεται από την παράταση της φωτοπεριόδου, όπως η βρώμη, το σιτάρι και το κριθάρι. Ουδέτερα φυτά, ανεξάρτητα από τη φωτοπερίοδο, θα ανθίσουν, όπως το ρύζι, το καλαμπόκι και το αγγούρι. Τα φυτά μικρής ημέρας, όπως το βαμβάκι, η σόγια και το κεχρί, χρειάζονται φωτοπερίοδο μικρότερη από την κρίσιμη διάρκεια ηλιοφάνειας για να ανθίσουν. Υπό συνθήκες τεχνητού περιβάλλοντος 8 ωρών φωτός και υψηλής θερμοκρασίας 30℃, ο χρόνος ανθοφορίας του αμαράνθου είναι περισσότερο από 40 ημέρες νωρίτερα από ό,τι στο περιβάλλον του αγρού. Υπό την επεξεργασία ενός κύκλου φωτός 16/8 ωρών (φως/σκοτάδι), και οι επτά γονότυποι κριθαριού άνθισαν νωρίς: Franklin (36 ημέρες), Gairdner (35 ημέρες), Gimmett (33 ημέρες), Commander (30 ημέρες), Fleet (29 ημέρες), Baudin (26 ημέρες) και Lockyer (25 ημέρες).

Υπό τεχνητό περιβάλλον, η περίοδος ανάπτυξης του σιταριού μπορεί να μειωθεί χρησιμοποιώντας καλλιέργεια εμβρύων για την απόκτηση σπορόφυτων και στη συνέχεια ακτινοβόληση για 16 ώρες, και μπορούν να παραχθούν 8 γενιές κάθε χρόνο. Η περίοδος ανάπτυξης του μπιζελιού μειώθηκε από 143 ημέρες σε περιβάλλον αγρού σε 67 ημέρες σε τεχνητό θερμοκήπιο με 16 ώρες φωτός. Με περαιτέρω παράταση της φωτοπεριόδου στις 20 ώρες και συνδυασμό της με 21°C/16°C (ημέρα/νύχτα), η περίοδος ανάπτυξης του μπιζελιού μπορεί να μειωθεί σε 68 ημέρες και ο ρυθμός ωρίμανσης των σπόρων είναι 97,8%. Υπό συνθήκες ελεγχόμενου περιβάλλοντος, μετά από 20 ώρες φωτοπεριόδου, χρειάζονται 32 ημέρες από τη σπορά έως την ανθοφορία και η συνολική περίοδος ανάπτυξης είναι 62-71 ημέρες, η οποία είναι μικρότερη από ό,τι σε συνθήκες αγρού κατά περισσότερο από 30 ημέρες. Υπό συνθήκες τεχνητού θερμοκηπίου με φωτοπερίοδο 22 ωρών, ο χρόνος ανθοφορίας του σιταριού, του κριθαριού, της ελαιοκράμβης και του ρεβιθιού μειώνεται κατά μέσο όρο κατά 22, 64, 73 και 33 ημέρες αντίστοιχα. Σε συνδυασμό με την πρώιμη συγκομιδή των σπόρων, τα ποσοστά βλάστησης των σπόρων πρώιμης συγκομιδής μπορούν να φτάσουν κατά μέσο όρο το 92%, 98%, 89% και 94% αντίστοιχα, γεγονός που μπορεί να καλύψει πλήρως τις ανάγκες της βελτίωσης. Οι ταχύτερες ποικιλίες μπορούν να παράγουν συνεχώς 6 γενιές (σιτάρι) και 7 γενιές (σιτάρι). Υπό την προϋπόθεση φωτοπεριόδου 22 ωρών, ο χρόνος ανθοφορίας της βρώμης μειώθηκε κατά 11 ημέρες και 21 ημέρες μετά την ανθοφορία, μπορούσαν να εξασφαλιστούν τουλάχιστον 5 βιώσιμοι σπόροι και πέντε γενιές μπορούσαν να πολλαπλασιαστούν συνεχώς κάθε χρόνο. Στο τεχνητό θερμοκήπιο με φωτισμό 22 ωρών, η περίοδος ανάπτυξης των φακών μειώνεται σε 115 ημέρες και μπορούν να αναπαραχθούν για 3-4 γενιές το χρόνο. Υπό την προϋπόθεση συνεχούς φωτισμού 24 ωρών στο τεχνητό θερμοκήπιο, ο κύκλος ανάπτυξης των φιστικιών μειώνεται από 145 ημέρες σε 89 ημέρες και μπορούν να πολλαπλασιαστούν για 4 γενιές σε ένα χρόνο.

Ποιότητα φωτός

Το φως παίζει ζωτικό ρόλο στην ανάπτυξη και εξέλιξη των φυτών. Το φως μπορεί να ελέγξει την ανθοφορία επηρεάζοντας πολλούς φωτοϋποδοχείς. Η αναλογία του κόκκινου φωτός (R) προς το μπλε φως (B) είναι πολύ σημαντική για την ανθοφορία των καλλιεργειών. Το μήκος κύματος του κόκκινου φωτός 600~700nm περιέχει την κορυφή απορρόφησης χλωροφύλλης 660nm, η οποία μπορεί να προωθήσει αποτελεσματικά τη φωτοσύνθεση. Το μήκος κύματος του μπλε φωτός 400~500nm θα επηρεάσει τον φωτοτροπισμό των φυτών, το άνοιγμα των στομάτων και την ανάπτυξη των σπορόφυτων. Στο σιτάρι, η αναλογία του κόκκινου φωτός προς το μπλε φως είναι περίπου 1, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει ανθοφορία το νωρίτερο. Υπό την ποιότητα φωτός R:B=4:1, η περίοδος ανάπτυξης των ποικιλιών σόγιας μέσης και όψιμης ωρίμανσης μειώθηκε από 120 ημέρες σε 63 ημέρες, και το ύψος και η θρεπτική βιομάζα του φυτού μειώθηκαν, αλλά η απόδοση των σπόρων δεν επηρεάστηκε, η οποία θα μπορούσε να ικανοποιήσει τουλάχιστον έναν σπόρο ανά φυτό, και το μέσο ποσοστό βλάστησης των ανώριμων σπόρων ήταν 81,7%. Υπό συνθήκες φωτισμού 10 ωρών και συμπληρώματος μπλε φωτός, τα φυτά σόγιας έγιναν κοντά και δυνατά, άνθισαν 23 ημέρες μετά τη σπορά, ωρίμασαν εντός 77 ημερών και μπορούσαν να αναπαραχθούν για 5 γενιές σε ένα χρόνο.

Η αναλογία του κόκκινου φωτός προς το άπω κόκκινο φως (FR) επηρεάζει επίσης την ανθοφορία των φυτών. Οι φωτοευαίσθητες χρωστικές υπάρχουν σε δύο μορφές: απορρόφηση άπω κόκκινου φωτός (Pfr) και απορρόφηση κόκκινου φωτός (Pr). Σε χαμηλή αναλογία R:FR, οι φωτοευαίσθητες χρωστικές μετατρέπονται από Pfr σε Pr, γεγονός που οδηγεί στην ανθοφορία φυτών μακράς ημέρας. Η χρήση φώτων LED για τη ρύθμιση του κατάλληλου R:FR (0,66~1,07) μπορεί να αυξήσει το ύψος του φυτού, να προωθήσει την ανθοφορία φυτών μακράς ημέρας (όπως η δόξα του πρωινού και το snapdragon) και να αναστείλει την ανθοφορία φυτών βραχείας ημέρας (όπως η καλέντουλα). Όταν το R:FR είναι μεγαλύτερο από 3,1, ο χρόνος ανθοφορίας των φακών καθυστερεί. Η μείωση του R:FR στο 1,9 μπορεί να επιτύχει το καλύτερο αποτέλεσμα ανθοφορίας και μπορεί να ανθίσει την 31η ημέρα μετά τη σπορά. Η επίδραση του κόκκινου φωτός στην αναστολή της ανθοφορίας προκαλείται από τη φωτοευαίσθητη χρωστική Pr. Μελέτες έχουν επισημάνει ότι όταν ο λόγος R:FR είναι υψηλότερος από 3,5, ο χρόνος ανθοφορίας πέντε ψυχανθών (μπιζέλι, ρεβίθια, κουκιά, φακή και λούπινο) θα καθυστερήσει. Σε ορισμένους γονότυπους αμαράνθου και ρυζιού, το πολύ κόκκινο φως χρησιμοποιείται για να επιταχύνει την ανθοφορία κατά 10 και 20 ημέρες αντίστοιχα.

Λιπασμάτων CO₂

CO₂είναι η κύρια πηγή άνθρακα της φωτοσύνθεσης. Υψηλή συγκέντρωση CO2₂μπορεί συνήθως να προωθήσει την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή των ετήσιων φυτών C3, ενώ η χαμηλή συγκέντρωση CO2₂μπορεί να μειώσει την απόδοση ανάπτυξης και αναπαραγωγής λόγω περιορισμού του άνθρακα. Για παράδειγμα, η φωτοσυνθετική απόδοση των φυτών C3, όπως το ρύζι και το σιτάρι, αυξάνεται με την αύξηση του CO2.₂επίπεδο, με αποτέλεσμα την αύξηση της βιομάζας και την πρώιμη ανθοφορία. Προκειμένου να υλοποιηθεί η θετική επίδραση του CO₂αύξηση της συγκέντρωσης, μπορεί να είναι απαραίτητο να βελτιστοποιηθεί η παροχή νερού και θρεπτικών συστατικών. Επομένως, υπό την προϋπόθεση απεριόριστων επενδύσεων, η υδροπονία μπορεί να απελευθερώσει πλήρως το αναπτυξιακό δυναμικό των φυτών. Χαμηλό CO2₂συγκέντρωση καθυστέρησε τον χρόνο ανθοφορίας του Arabidopsis thaliana, ενώ το υψηλό CO2₂Η συγκέντρωση επιτάχυνε τον χρόνο ανθοφορίας του ρυζιού, μείωσε την περίοδο ανάπτυξης του ρυζιού σε 3 μήνες και πολλαπλασίασε 4 γενιές το χρόνο. Με την προσθήκη CO2₂σε 785,7 μmol/mol στο τεχνητό κουτί ανάπτυξης, ο κύκλος αναπαραγωγής της ποικιλίας σόγιας «Enrei» μειώθηκε σε 70 ημέρες και μπορούσε να αναπαράγει 5 γενιές σε ένα χρόνο. Όταν το CO₂Η συγκέντρωση αυξήθηκε στα 550 μmol/mol, η ανθοφορία του Cajanus cajan καθυστέρησε για 8~9 ημέρες και η καρπόδεση και ο χρόνος ωρίμανσης καθυστέρησαν επίσης για 9 ημέρες. Το Cajanus cajan συσσώρευσε αδιάλυτα σάκχαρα σε υψηλές συγκεντρώσεις CO2.₂συγκέντρωση, η οποία μπορεί να επηρεάσει τη μετάδοση σήματος των φυτών και να καθυστερήσει την ανθοφορία. Επιπλέον, στο δωμάτιο ανάπτυξης με αυξημένο CO2₂, ο αριθμός και η ποιότητα των ανθέων σόγιας αυξάνονται, γεγονός που ευνοεί την υβριδοποίηση, και ο ρυθμός υβριδισμού τους είναι πολύ υψηλότερος από αυτόν της σόγιας που καλλιεργείται στο χωράφι.

Μελλοντικές προοπτικές

Η σύγχρονη γεωργία μπορεί να επιταχύνει τη διαδικασία αναπαραγωγής καλλιεργειών μέσω εναλλακτικής αναπαραγωγής και αναπαραγωγής σε εγκαταστάσεις. Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένες αδυναμίες σε αυτές τις μεθόδους, όπως αυστηρές γεωγραφικές απαιτήσεις, δαπανηρή διαχείριση εργασίας και ασταθείς φυσικές συνθήκες, οι οποίες δεν μπορούν να εγγυηθούν την επιτυχή συγκομιδή σπόρων. Η αναπαραγωγή σε εγκαταστάσεις επηρεάζεται από τις κλιματικές συνθήκες και ο χρόνος για την προσθήκη γενεών είναι περιορισμένος. Ωστόσο, η αναπαραγωγή με μοριακούς δείκτες επιταχύνει μόνο την επιλογή και τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών-στόχων αναπαραγωγής. Προς το παρόν, η τεχνολογία ταχείας αναπαραγωγής έχει εφαρμοστεί σε Gramineae, Leguminosae, Cruciferae και άλλες καλλιέργειες. Ωστόσο, η αναπαραγωγή με μοριακούς δείκτες σε εργοστάσια φυτών απαλλάσσεται πλήρως από την επίδραση των κλιματικών συνθηκών και μπορεί να ρυθμίσει το περιβάλλον ανάπτυξης σύμφωνα με τις ανάγκες της ανάπτυξης των φυτών. Συνδυάζοντας αποτελεσματικά την τεχνολογία ταχείας αναπαραγωγής σε εργοστάσια φυτών με την παραδοσιακή αναπαραγωγή, την αναπαραγωγή με μοριακούς δείκτες και άλλες μεθόδους αναπαραγωγής, υπό την προϋπόθεση της ταχείας αναπαραγωγής, ο χρόνος που απαιτείται για την απόκτηση ομόζυγων γραμμών μετά τον υβριδισμό μπορεί να μειωθεί και ταυτόχρονα, οι πρώιμες γενιές μπορούν να επιλεγούν για να μειωθεί ο χρόνος που απαιτείται για την απόκτηση ιδανικών χαρακτηριστικών και γενεών αναπαραγωγής.

Ο βασικός περιορισμός της τεχνολογίας ταχείας αναπαραγωγής φυτών στα εργοστάσια είναι ότι οι περιβαλλοντικές συνθήκες που απαιτούνται για την ανάπτυξη διαφορετικών καλλιεργειών είναι αρκετά διαφορετικές και χρειάζεται πολύς χρόνος για να επιτευχθούν οι περιβαλλοντικές συνθήκες για την ταχεία αναπαραγωγή των καλλιεργειών-στόχων. Ταυτόχρονα, λόγω του υψηλού κόστους κατασκευής και λειτουργίας του εργοστασίου, είναι δύσκολο να διεξαχθούν πειράματα αναπαραγωγής με πρόσθετα μεγάλης κλίμακας, κάτι που συχνά οδηγεί σε περιορισμένη απόδοση σπόρων, γεγονός που μπορεί να περιορίσει την αξιολόγηση των χαρακτηριστικών του πεδίου. Με τη σταδιακή βελτίωση και βελτίωση του εξοπλισμού και της τεχνολογίας του εργοστασίου, το κόστος κατασκευής και λειτουργίας του εργοστασίου μειώνεται σταδιακά. Είναι δυνατή η περαιτέρω βελτιστοποίηση της τεχνολογίας ταχείας αναπαραγωγής και η συντόμευση του κύκλου αναπαραγωγής συνδυάζοντας αποτελεσματικά την τεχνολογία ταχείας αναπαραγωγής του εργοστασίου με άλλες τεχνικές αναπαραγωγής.

ΤΕΛΟΣ

Αναφερόμενες πληροφορίες

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Πρόοδος της έρευνας στην τεχνολογία ταχείας αναπαραγωγής σε εργοστάσια φυτών [J]. Τεχνολογία Γεωργικής Μηχανικής, 2022,42(22):46-49.