Teknologi kejuruteraan pertanian hortikultur rumah hijauDiterbitkan pada 17:30 pada 14 Oktober 2022 di Beijing

Dengan peningkatan berterusan populasi global, permintaan makanan orang ramai semakin meningkat dari hari ke hari, dan keperluan yang lebih tinggi dikemukakan untuk nutrisi dan keselamatan makanan. Menanam tanaman hasil tinggi dan berkualiti tinggi adalah cara penting untuk menyelesaikan masalah makanan. Walau bagaimanapun, kaedah pembiakan tradisional mengambil masa yang lama untuk menanam varieti yang sangat baik, yang mengehadkan kemajuan pembiakan. Untuk tanaman pendebungaan sendiri tahunan, ia mungkin mengambil masa 10 ~ 15 tahun dari kacukan induk awal hingga pengeluaran varieti baharu. Oleh itu, untuk mempercepatkan kemajuan pembiakan tanaman, adalah penting untuk meningkatkan kecekapan pembiakan dan memendekkan masa penjanaan.

Pembiakan pantas bermaksud memaksimumkan kadar pertumbuhan tumbuhan, mempercepatkan pembungaan dan pembuahan, dan memendekkan kitaran pembiakan dengan mengawal keadaan persekitaran dalam bilik pertumbuhan persekitaran terkawal yang tertutup sepenuhnya. Kilang tumbuhan ialah sistem pertanian yang boleh mencapai pengeluaran tanaman yang cekap tinggi melalui kawalan persekitaran berketepatan tinggi di kemudahan, dan ia merupakan persekitaran yang ideal untuk pembiakan pantas. Keadaan persekitaran penanaman seperti cahaya, suhu, kelembapan dan kepekatan CO2 di kilang agak terkawal, dan tidak atau kurang terjejas oleh iklim luaran. Di bawah keadaan persekitaran terkawal, keamatan cahaya, masa cahaya dan suhu yang terbaik boleh mempercepatkan pelbagai proses fisiologi tumbuhan, terutamanya fotosintesis dan pembungaan, sekali gus memendekkan masa penjanaan pertumbuhan tanaman. Menggunakan teknologi kilang tumbuhan untuk mengawal pertumbuhan dan perkembangan tanaman, menuai buah-buahan terlebih dahulu, selagi beberapa biji benih yang mempunyai keupayaan percambahan dapat memenuhi keperluan pembiakan.

Fotokala, faktor persekitaran utama yang mempengaruhi kitaran pertumbuhan tanaman

Kitaran cahaya merujuk kepada pertukaran tempoh cahaya dan tempoh gelap dalam sehari. Kitaran cahaya merupakan faktor penting yang mempengaruhi pertumbuhan, perkembangan, pembungaan dan pembuahan tanaman. Dengan mengesan perubahan kitaran cahaya, tanaman boleh berubah daripada pertumbuhan vegetatif kepada pertumbuhan reproduktif dan pembungaan serta pembuahan yang lengkap. Varieti dan genotip tanaman yang berbeza mempunyai tindak balas fisiologi yang berbeza terhadap perubahan fotokala. Tumbuhan yang mempunyai cahaya matahari yang panjang, sebaik sahaja masa cahaya matahari melebihi tempoh cahaya matahari yang kritikal, masa pembungaan biasanya dipercepatkan oleh pemanjangan fotokala, seperti oat, gandum dan barli. Tumbuhan neutral, tanpa mengira fotokala, akan berbunga, seperti padi, jagung dan timun. Tumbuhan hari pendek, seperti kapas, kacang soya dan sekoi, memerlukan fotokala yang lebih rendah daripada tempoh cahaya matahari yang kritikal untuk berbunga. Di bawah keadaan persekitaran tiruan dengan cahaya 8 jam dan suhu tinggi 30℃, masa pembungaan bayam adalah lebih daripada 40 hari lebih awal daripada persekitaran lapangan. Di bawah rawatan kitaran cahaya 16/8 jam (cerah/gelap), kesemua tujuh genotip barli berbunga awal: Franklin (36 hari), Gairdner (35 hari), Gimmett (33 hari), Commander (30 hari), Fleet (29 hari), Baudin (26 hari) dan Lockyer (25 hari).

Di bawah persekitaran tiruan, tempoh pertumbuhan gandum boleh dipendekkan dengan menggunakan kultur embrio untuk mendapatkan anak benih, dan kemudian disinari selama 16 jam, dan 8 generasi boleh dihasilkan setiap tahun. Tempoh pertumbuhan kacang pea dipendekkan daripada 143 hari di persekitaran lapangan kepada 67 hari di rumah hijau tiruan dengan cahaya 16 jam. Dengan memanjangkan lagi tempoh fototempoh kepada 20 jam dan menggabungkannya dengan 21°C/16°C (siang/malam), tempoh pertumbuhan kacang pea boleh dipendekkan kepada 68 hari, dan kadar penetapan benih adalah 97.8%. Di bawah keadaan persekitaran terkawal, selepas rawatan fototempoh selama 20 jam, ia mengambil masa 32 hari dari menyemai hingga berbunga, dan keseluruhan tempoh pertumbuhan adalah 62-71 hari, yang lebih pendek daripada keadaan lapangan selama lebih daripada 30 hari. Di bawah keadaan rumah hijau tiruan dengan fototempoh 22 jam, masa berbunga gandum, barli, rapeseed dan kacang kuda dipendekkan masing-masing sebanyak 22, 64, 73 dan 33 hari secara purata. Digabungkan dengan penuaian benih awal, kadar percambahan benih penuaian awal masing-masing boleh mencapai purata 92%, 98%, 89% dan 94%, yang dapat memenuhi sepenuhnya keperluan pembiakan. Varieti terpantas boleh menghasilkan 6 generasi (gandum) dan 7 generasi (gandum) secara berterusan. Di bawah keadaan fotokala 22 jam, masa berbunga oat dikurangkan sebanyak 11 hari, dan 21 hari selepas berbunga, sekurang-kurangnya 5 biji benih yang berdaya maju dapat dijamin, dan lima generasi boleh dibiakkan secara berterusan setiap tahun. Di rumah hijau tiruan dengan pencahayaan 22 jam, tempoh pertumbuhan lentil dipendekkan kepada 115 hari, dan ia boleh membiak selama 3-4 generasi setahun. Di bawah keadaan pencahayaan berterusan 24 jam di rumah hijau tiruan, kitaran pertumbuhan kacang tanah dikurangkan daripada 145 hari kepada 89 hari, dan ia boleh dibiakkan selama 4 generasi dalam satu tahun.

Kualiti cahaya

Cahaya memainkan peranan penting dalam pertumbuhan dan perkembangan tumbuhan. Cahaya boleh mengawal pembungaan dengan mempengaruhi banyak fotoreseptor. Nisbah cahaya merah (R) kepada cahaya biru (B) adalah sangat penting untuk pembungaan tanaman. Panjang gelombang cahaya merah 600~700nm mengandungi puncak penyerapan klorofil 660nm, yang boleh menggalakkan fotosintesis dengan berkesan. Panjang gelombang cahaya biru 400~500nm akan mempengaruhi fototropisme tumbuhan, pembukaan stomata dan pertumbuhan anak benih. Dalam gandum, nisbah cahaya merah kepada cahaya biru adalah kira-kira 1, yang boleh mendorong pembungaan seawal mungkin. Di bawah kualiti cahaya R:B=4:1, tempoh pertumbuhan varieti kacang soya pertengahan dan lewat matang dipendekkan daripada 120 hari kepada 63 hari, dan ketinggian tumbuhan dan biojisim pemakanan berkurangan, tetapi hasil benih tidak terjejas, yang boleh memenuhi sekurang-kurangnya satu biji setiap tumbuhan, dan kadar percambahan purata benih yang belum matang ialah 81.7%. Di bawah keadaan pencahayaan 10 jam dan tambahan cahaya biru, pokok kacang soya menjadi pendek dan kuat, berbunga 23 hari selepas menyemai, matang dalam masa 77 hari, dan boleh membiak selama 5 generasi dalam satu tahun.

Nisbah cahaya merah kepada cahaya merah jauh (FR) juga mempengaruhi pembungaan tumbuhan. Pigmen fotosensitif wujud dalam dua bentuk: penyerapan cahaya merah jauh (Pfr) dan penyerapan cahaya merah (Pr). Pada nisbah R:FR yang rendah, pigmen fotosensitif ditukar daripada Pfr kepada Pr, yang membawa kepada pembungaan tumbuhan hari panjang. Menggunakan lampu LED untuk mengawal selia R:FR (0.66~1.07) yang sesuai boleh meningkatkan ketinggian tumbuhan, menggalakkan pembungaan tumbuhan hari panjang (seperti morning glory dan snapdragon), dan menghalang pembungaan tumbuhan hari pendek (seperti marigold). Apabila R:FR lebih besar daripada 3.1, masa pembungaan lentil tertangguh. Mengurangkan R:FR kepada 1.9 boleh mendapatkan kesan pembungaan yang terbaik, dan ia boleh mekar pada hari ke-31 selepas menyemai. Kesan cahaya merah pada perencatan pembungaan dimediasi oleh pigmen fotosensitif Pr. Kajian telah menunjukkan bahawa apabila R:FR lebih tinggi daripada 3.5, masa pembungaan lima tumbuhan kekacang (kacang pea, kacang kuda, kacang buncis, lentil dan lupin) akan tertangguh. Dalam sesetengah genotip bayam dan padi, cahaya merah jauh digunakan untuk memajukan pembungaan masing-masing sebanyak 10 hari dan 20 hari.

Baja CO₂

CO₂merupakan sumber karbon utama fotosintesis. CO2 berkepekatan tinggi₂biasanya boleh menggalakkan pertumbuhan dan pembiakan tumbuhan tahunan C3, manakala CO2 berkepekatan rendah₂boleh mengurangkan pertumbuhan dan hasil pembiakan disebabkan oleh pengehadan karbon. Contohnya, kecekapan fotosintesis tumbuhan C3, seperti padi dan gandum, meningkat dengan peningkatan CO2₂tahap, mengakibatkan peningkatan biojisim dan pembungaan awal. Untuk merealisasikan impak positif CO2₂peningkatan kepekatan, mungkin perlu untuk mengoptimumkan bekalan air dan nutrien. Oleh itu, di bawah syarat pelaburan tanpa had, hidroponik boleh melepaskan sepenuhnya potensi pertumbuhan tumbuhan. CO2 rendah₂kepekatan melambatkan masa pembungaan Arabidopsis thaliana, manakala CO2 yang tinggi₂kepekatan mempercepatkan masa pembungaan padi, memendekkan tempoh pertumbuhan padi kepada 3 bulan, dan membiak 4 generasi setahun. Dengan menambah CO2₂kepada 785.7μmol/mol dalam kotak pertumbuhan buatan, kitaran pembiakan varieti kacang soya 'Enrei' dipendekkan kepada 70 hari, dan ia boleh membiak 5 generasi dalam satu tahun. Apabila CO₂Kepekatan meningkat kepada 550μmol/mol, pembungaan Cajanus cajan tertangguh selama 8~9 hari, dan masa penetapan dan pematangan buah juga tertangguh selama 9 hari. Cajanus cajan mengumpul gula tak larut pada CO2 yang tinggi₂kepekatan, yang boleh menjejaskan penghantaran isyarat tumbuhan dan melambatkan pembungaan. Di samping itu, di dalam bilik pertumbuhan dengan peningkatan CO2₂, bilangan dan kualiti bunga kacang soya meningkat, yang kondusif untuk penghibridan, dan kadar penghibridannya jauh lebih tinggi daripada kacang soya yang ditanam di ladang.

Prospek masa hadapan

Pertanian moden boleh mempercepatkan proses pembiakan tanaman melalui pembiakan alternatif dan pembiakan kemudahan. Walau bagaimanapun, terdapat beberapa kekurangan dalam kaedah ini, seperti keperluan geografi yang ketat, pengurusan tenaga kerja yang mahal dan keadaan semula jadi yang tidak stabil, yang tidak dapat menjamin kejayaan penuaian benih. Pembiakan kemudahan dipengaruhi oleh keadaan iklim, dan masa untuk penambahan generasi adalah terhad. Walau bagaimanapun, pembiakan penanda molekul hanya mempercepatkan pemilihan dan penentuan ciri sasaran pembiakan. Pada masa ini, teknologi pembiakan pantas telah digunakan untuk Gramineae, Leguminosae, Cruciferae dan tanaman lain. Walau bagaimanapun, pembiakan penjanaan pantas kilang tumbuhan sepenuhnya menyingkirkan pengaruh keadaan iklim, dan boleh mengawal selia persekitaran pertumbuhan mengikut keperluan pertumbuhan dan perkembangan tumbuhan. Menggabungkan teknologi pembiakan pantas kilang tumbuhan dengan pembiakan tradisional, pembiakan penanda molekul dan kaedah pembiakan lain secara berkesan, di bawah keadaan pembiakan pantas, masa yang diperlukan untuk mendapatkan keturunan homozigot selepas hibridisasi dapat dikurangkan, dan pada masa yang sama, generasi awal dapat dipilih untuk memendekkan masa yang diperlukan untuk mendapatkan ciri ideal dan generasi pembiakan.

Had utama teknologi pembiakan pantas tumbuhan di kilang-kilang adalah keadaan persekitaran yang diperlukan untuk pertumbuhan dan perkembangan tanaman yang berbeza agak berbeza, dan memerlukan masa yang lama untuk mendapatkan keadaan persekitaran untuk pembiakan pantas tanaman sasaran. Pada masa yang sama, disebabkan oleh kos pembinaan dan operasi kilang tumbuhan yang tinggi, adalah sukar untuk menjalankan eksperimen pembiakan tambahan berskala besar, yang sering menyebabkan hasil benih yang terhad, yang mungkin mengehadkan penilaian karakter lapangan susulan. Dengan peningkatan dan penambahbaikan peralatan dan teknologi kilang tumbuhan secara beransur-ansur, kos pembinaan dan operasi kilang tumbuhan secara beransur-ansur berkurangan. Adalah mungkin untuk mengoptimumkan lagi teknologi pembiakan pantas dan memendekkan kitaran pembiakan dengan menggabungkan teknologi pembiakan pantas kilang tumbuhan dengan teknik pembiakan lain secara berkesan.

TAMAT

Maklumat yang dipetik

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Kemajuan penyelidikan teknologi pembiakan pantas kilang tumbuhan [J]. Teknologi Kejuruteraan Pertanian, 2022,42(22):46-49.