Technologie zemědělského inženýrství ve sklenícíchPublikováno v 17:30 dne 14. října 2022 v Pekingu

S neustálým nárůstem světové populace roste den ode dne i poptávka lidí po potravinách a kladou se vyšší požadavky na výživu a bezpečnost potravin. Pěstování vysoce výnosných a kvalitních plodin je důležitým prostředkem k řešení potravinových problémů. Tradiční šlechtitelské metody však vypěstování vynikajících odrůd vyžaduje dlouhou dobu, což omezuje pokrok ve šlechtění. U jednoletých samosprašných plodin může trvat 10–15 let od prvního křížení rodičů až po produkci nové odrůdy. Proto je pro urychlení pokroku ve šlechtění plodin naléhavé zlepšit efektivitu šlechtění a zkrátit generační dobu.

Rychlé šlechtění znamená maximalizovat rychlost růstu rostlin, urychlit kvetení a plodnost a zkrátit cyklus šlechtění kontrolou podmínek prostředí v plně uzavřené pěstební místnosti s kontrolovaným prostředím. Pěstební závod je zemědělský systém, který může dosáhnout vysoce efektivní produkce plodin prostřednictvím vysoce přesné kontroly prostředí v zařízeních a je ideálním prostředím pro rychlý šlechtění. Podmínky pěstebního prostředí, jako je světlo, teplota, vlhkost a koncentrace CO2 v továrně, jsou relativně kontrolovatelné a nejsou ovlivněny vnějším klimatem vůbec nebo jen méně. Za kontrolovaných podmínek prostředí může nejlepší intenzita světla, doba svícení a teplota urychlit různé fyziologické procesy rostlin, zejména fotosyntézu a kvetení, a tím zkrátit generační dobu růstu plodiny. Použití technologie rostlinných závodů k řízení růstu a vývoje plodin umožňuje sklízet plody předem, pokud je k dispozici několik semen s klíčivostí, které uspokojí potřeby šlechtění.

Fotoperioda, hlavní faktor prostředí ovlivňující růstový cyklus plodin

Světelný cyklus označuje střídání světelného a tmavého období během dne. Světelný cyklus je důležitým faktorem, který ovlivňuje růst, vývoj, kvetení a plodnost plodin. Vnímáním změny světelného cyklu mohou plodiny přejít z vegetativního růstu do reprodukčního růstu a dokončit kvetení a plodnost. Různé odrůdy a genotypy plodin mají různé fyziologické reakce na změny fotoperiody. U rostlin s dlouhým slunečním svitem se doba květu obvykle urychluje prodloužením fotoperiody, jako je oves, pšenice a ječmen. Neutrální rostliny, bez ohledu na fotoperiodu, jako je rýže, kukuřice a okurka, kvetou. Rostliny s krátkým dnem, jako je bavlna, sója a proso, potřebují k kvetení fotoperiodu kratší než kritická délka slunečního svitu. V umělých podmínkách prostředí s 8hodinovým světlem a vysokou teplotou 30 °C je doba květu amarantu o více než 40 dní dříve než v polním prostředí. Při ošetření světelným cyklem 16/8 hodin (světlo/tma) kvetlo všech sedm genotypů ječmene brzy: Franklin (36 dní), Gairdner (35 dní), Gimmett (33 dní), Commander (30 dní), Fleet (29 dní), Baudin (26 dní) a Lockyer (25 dní).

V umělém prostředí lze zkrátit dobu růstu pšenice použitím embryonální kultury k získání sazenic a následným ozařováním po dobu 16 hodin, čímž lze každý rok vyprodukovat 8 generací. Doba růstu hrachu se zkrátila ze 143 dnů v polním prostředí na 67 dnů v umělém skleníku s 16hodinovým světlem. Dalším prodloužením fotoperiody na 20 hodin a jejím kombinací s 21 °C/16 °C (den/noc) lze dobu růstu hrachu zkrátit na 68 dnů a míra klíčení semen je 97,8 %. V kontrolovaném prostředí po 20hodinovém ošetření fotoperiodou uplyne od setí do květu 32 dnů a celková doba růstu je 62–71 dnů, což je o více než 30 dnů kratší než v polních podmínkách. V umělém skleníku s 22hodinovou fotoperiodou se doba květu pšenice, ječmene, řepky a cizrny zkrátí v průměru o 22, 64, 73 a 33 dnů. V kombinaci s včasnou sklizní semen může klíčivost semen v rané sklizni dosáhnout v průměru 92 %, 98 %, 89 % a 94 %, což plně uspokojuje potřeby šlechtění. Nejrychlejší odrůdy dokáží nepřetržitě produkovat 6 generací (pšenice) a 7 generací (pšenice). Za podmínky 22hodinové fotoperiody se doba květu ovsa zkrátila o 11 dní a 21 dní po odkvětu bylo možné zaručit alespoň 5 životaschopných semen a každý rok se mohlo nepřetržitě množit pět generací. V umělém skleníku s 22hodinovým osvětlením se doba růstu čočky zkrátila na 115 dní a mohla se rozmnožovat 3–4 generace ročně. Za podmínky 24hodinového nepřetržitého osvětlení v umělém skleníku se růstový cyklus arašídů zkrátil ze 145 dní na 89 dní a mohly se množit 4 generace ročně.

Kvalita světla

Světlo hraje zásadní roli v růstu a vývoji rostlin. Světlo může řídit kvetení tím, že ovlivňuje mnoho fotoreceptorů. Poměr červeného světla (R) k modrému světlu (B) je pro kvetení plodin velmi důležitý. Vlnová délka červeného světla 600~700 nm obsahuje absorpční vrchol chlorofylu 660 nm, který může účinně podporovat fotosyntézu. Vlnová délka modrého světla 400~500 nm ovlivňuje fototropismus rostlin, otevírání průduchů a růst sazenic. U pšenice je poměr červeného světla k modrému světlu přibližně 1, což může vyvolat kvetení co nejdříve. Při kvalitě světla R:B=4:1 se doba růstu středně a pozdně zrajících odrůd sóji zkrátila ze 120 dnů na 63 dnů a snížila se výška rostliny a nutriční biomasa, ale výnos semen nebyl ovlivněn, což mohlo uspokojit alespoň jedno semeno na rostlinu a průměrná klíčivost nezralých semen byla 81,7 %. Za podmínek 10hodinového osvětlení a doplňkového modrého světla se rostliny sóji staly krátkými a silnými, vykvetly 23 dní po zasetí, dozrály do 77 dnů a dokázaly se rozmnožovat po 5 generací během jednoho roku.

Poměr červeného světla k dalekému červenému světlu (FR) také ovlivňuje kvetení rostlin. Fotocitlivé pigmenty existují ve dvou formách: absorpce dalekého červeného světla (Pfr) a absorpce červeného světla (Pr). Při nízkém poměru R:FR se fotocitlivé pigmenty přeměňují z Pfr na Pr, což vede ke kvetení rostlin dlouhého dne. Použití LED světel k regulaci vhodného poměru R:FR (0,66~1,07) může zvýšit výšku rostliny, podpořit kvetení rostlin dlouhého dne (jako je svlačec a hledík) a potlačit kvetení rostlin krátkého dne (jako je měsíček lékařský). Pokud je R:FR větší než 3,1, doba kvetení čočky se zpožďuje. Snížením R:FR na 1,9 lze dosáhnout nejlepšího kvetení a čočka může vykvést 31. den po zasetí. Vliv červeného světla na inhibici kvetení je zprostředkován fotocitlivým pigmentem Pr. Studie ukázaly, že pokud je poměr R:FR vyšší než 3,5, doba květu pěti luštěnin (hrášku, cizrny, bobu obecného, ​​čočky a lupiny) se zpozdí. U některých genotypů amarantu a rýže se používá dalekočervené světlo k urychlení květu o 10, respektive 20 dní.

Hnojivo CO₂

CO₂je hlavním zdrojem uhlíku při fotosyntéze. Vysoká koncentrace CO₂obvykle může podporovat růst a reprodukci letniček C3, zatímco nízká koncentrace CO₂může snížit výnos růstu a reprodukce v důsledku omezení uhlíku. Například fotosyntetická účinnost rostlin C3, jako je rýže a pšenice, se zvyšuje se zvyšujícím se obsahem CO2.₂úrovně, což vede ke zvýšení biomasy a časnému kvetení. Aby se dosáhlo pozitivního dopadu CO₂zvýšení koncentrace může být nutné optimalizovat přísun vody a živin. Proto za podmínek neomezených investic může hydroponie plně uvolnit růstový potenciál rostlin. Nízké emise CO2₂koncentrace CO2 zpozdila dobu květu Arabidopsis thaliana, zatímco vysoká koncentrace CO2₂Koncentrace CO2 urychlila dobu květu rýže, zkrátila dobu růstu na 3 měsíce a rozmnožovala se 4 generace ročně. Doplněním CO2₂na 785,7 μmol/mol v umělém pěstebním boxu se zkrátil cyklus šlechtění odrůdy sóji 'Enrei' na 70 dní a ta mohla během jednoho roku vyprodukovat 5 generací. Když CO₂koncentrace se zvýšila na 550 μmol/mol, kvetení kajanského (Cajanus cajan) se zpozdilo o 8~9 dní a doba nasazování a zrání plodů se také zpozdila o 9 dní. Kajanský květník akumuloval nerozpustný cukr při vysokém obsahu CO2.₂koncentrace, což může ovlivnit přenos signálu rostlin a zpozdit kvetení. Kromě toho v pěstební místnosti se zvýšenou koncentrací CO2₂, zvyšuje se počet a kvalita květů sóji, což je příznivé pro hybridizaci, a její míra hybridizace je mnohem vyšší než u sóji pěstované na poli.

Budoucí vyhlídky

Moderní zemědělství může urychlit proces šlechtění plodin pomocí alternativního šlechtění a šlechtění v zařízeních. Tyto metody však mají určité nedostatky, jako jsou přísné geografické požadavky, nákladná pracovní síla a nestabilní přírodní podmínky, které nemohou zaručit úspěšnou sklizeň semen. Šlechtění v zařízeních je ovlivněno klimatickými podmínkami a doba pro přidání generace je omezená. Molekulárně markerové šlechtění však pouze urychluje výběr a stanovení cílových znaků šlechtění. V současné době se technologie rychlého šlechtění používá u trav, bobovitých rostlin, brukvovitých rostlin a dalších plodin. Rychlogenerační šlechtění v továrnách rostlin však zcela eliminuje vliv klimatických podmínek a může regulovat pěstební prostředí podle potřeb růstu a vývoje rostlin. Kombinací technologie rychlého šlechtění v továrnách rostlin s tradičním šlechtěním, molekulárně markerovým šlechtěním a dalšími metodami šlechtění lze za podmínek rychlého šlechtění zkrátit dobu potřebnou k získání homozygotních linií po hybridizaci a zároveň lze selektovat rané generace, čímž se zkrátí doba potřebná k získání ideálních znaků a generací pro šlechtění.

Hlavním omezením technologie rychlého šlechtění rostlin v továrnách je, že podmínky prostředí potřebné pro růst a vývoj různých plodin se značně liší a dosažení podmínek prostředí pro rychlé šlechtění cílových plodin trvá dlouho. Zároveň je kvůli vysokým nákladům na výstavbu a provoz továrny obtížné provádět rozsáhlé experimenty s aditivním šlechtěním, což často vede k omezenému výnosu semen, což může omezit následné hodnocení vlastností pole. S postupným zlepšováním a vylepšováním vybavení a technologií továrny se náklady na výstavbu a provoz továrny postupně snižují. Technologie rychlého šlechtění v továrně je možné dále optimalizovat a zkrátit šlechtitelský cyklus efektivní kombinací technologie rychlého šlechtění v továrně s dalšími šlechtitelskými technikami.

KONEC

Citované informace

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Výzkumný pokrok v technologii rychlého šlechtění rostlinných výrobků [J]. Zemědělská technika, 2022,42(22):46-49.