Tehnologija poljoprivrednog inženjerstva u stakleničkom hortikulturnom sektoruObjavljeno u 17:30 14. listopada 2022. u Pekingu

S kontinuiranim porastom globalne populacije, potražnja ljudi za hranom raste iz dana u dan, a postavljaju se sve veći zahtjevi za nutritivnu vrijednost i sigurnost hrane. Uzgoj visokoprinosnih i visokokvalitetnih usjeva važno je sredstvo za rješavanje problema s hranom. Međutim, tradicionalnoj metodi uzgoja potrebno je puno vremena za uzgoj izvrsnih sorti, što ograničava napredak uzgoja. Za jednogodišnje samooprašujuće kulture može proći 10~15 godina od početnog križanja roditelja do proizvodnje nove sorte. Stoga, kako bi se ubrzao napredak uzgoja usjeva, hitno je poboljšati učinkovitost uzgoja i skratiti vrijeme generacije.

Brzi uzgoj znači maksimiziranje stope rasta biljaka, ubrzavanje cvjetanja i plodonošenja te skraćivanje ciklusa uzgoja kontroliranjem uvjeta okoline u potpuno zatvorenoj kontroliranoj prostoriji za uzgoj. Tvornica biljaka je poljoprivredni sustav koji može postići visokoučinkovitu proizvodnju usjeva kroz visokopreciznu kontrolu okoliša u objektima, te predstavlja idealno okruženje za brzi uzgoj. Uvjeti sadnje poput svjetlosti, temperature, vlažnosti i koncentracije CO2 u tvornici relativno su kontrolirani i nisu ili su manje pod utjecajem vanjske klime. U kontroliranim uvjetima okoline, najbolji intenzitet svjetlosti, vrijeme osvjetljenja i temperatura mogu ubrzati različite fiziološke procese biljaka, posebno fotosintezu i cvjetanje, čime se skraćuje vrijeme generacije rasta usjeva. Korištenjem tehnologije tvornice biljaka za kontrolu rasta i razvoja usjeva, plodovi se beru unaprijed, sve dok nekoliko sjemenki s klijavošću može zadovoljiti potrebe uzgoja.

Fotoperiod, glavni okolišni faktor koji utječe na ciklus rasta usjeva

Svjetlosni ciklus odnosi se na izmjenu svjetlosnog i tamnog razdoblja tijekom dana. Svjetlosni ciklus važan je čimbenik koji utječe na rast, razvoj, cvjetanje i plodonošenje usjeva. Osjetom promjene svjetlosnog ciklusa, usjevi mogu prijeći iz vegetativnog rasta u reproduktivni rast te potpuno cvjetati i plodonositi. Različite sorte i genotipovi usjeva imaju različite fiziološke odgovore na promjene fotoperioda. Biljke dugog dana, kada vrijeme sunčanog svjetla prijeđe kritično trajanje sunčanog svjetla, vrijeme cvjetanja obično se ubrzava produljenjem fotoperioda, poput zobi, pšenice i ječma. Neutralne biljke, bez obzira na fotoperiod, cvjetat će, poput riže, kukuruza i krastavca. Biljke kratkog dana, poput pamuka, soje i prosa, trebaju fotoperiod kraći od kritičnog trajanja sunčanog svjetla za cvjetanje. U umjetnim uvjetima okoline od 8 sati svjetla i visoke temperature od 30 ℃, vrijeme cvjetanja amaranta je više od 40 dana ranije nego u poljskim uvjetima. Pod tretmanom svjetlosnog ciklusa od 16/8 sati (svjetlo/tama), svih sedam genotipova ječma cvjetalo je rano: Franklin (36 dana), Gairdner (35 dana), Gimmett (33 dana), Commander (30 dana), Fleet (29 dana), Baudin (26 dana) i Lockyer (25 dana).

U umjetnom okruženju, razdoblje rasta pšenice može se skratiti korištenjem kulture embrija za dobivanje sadnica, a zatim zračenjem tijekom 16 sati, čime se može proizvesti 8 generacija svake godine. Razdoblje rasta graška skraćeno je sa 143 dana u poljskim uvjetima na 67 dana u umjetnom stakleniku sa 16 sati svjetla. Daljnjim produljenjem fotoperioda na 20 sati i kombiniranjem s 21°C/16°C (dan/noć), razdoblje rasta graška može se skratiti na 68 dana, a stopa zametanja sjemena je 97,8%. U uvjetima kontroliranog okruženja, nakon tretmana fotoperiodom od 20 sati, potrebno je 32 dana od sjetve do cvatnje, a cijelo razdoblje rasta je 62-71 dan, što je kraće nego u poljskim uvjetima za više od 30 dana. U uvjetima umjetnog staklenika s fotoperiodom od 22 sata, vrijeme cvatnje pšenice, ječma, uljane repice i slanutka skraćuje se u prosjeku za 22, 64, 73 i 33 dana. U kombinaciji s ranom žetvom sjemena, klijavost ranog sjemena može doseći prosječno 92%, 98%, 89% i 94%, što u potpunosti zadovoljava potrebe uzgoja. Najbrže sorte mogu kontinuirano proizvoditi 6 generacija (pšenica) i 7 generacija (pšenica). Pod uvjetom 22-satnog fotoperioda, vrijeme cvjetanja zobi smanjeno je za 11 dana, a 21 dan nakon cvatnje moglo se jamčiti najmanje 5 održivih sjemenki, a pet generacija moglo se kontinuirano razmnožavati svake godine. U umjetnom stakleniku s 22-satnim osvjetljenjem, razdoblje rasta leće skraćuje se na 115 dana, a može se razmnožavati 3-4 generacije godišnje. Pod uvjetom 24-satnog kontinuiranog osvjetljenja u umjetnom stakleniku, ciklus rasta kikirikija smanjuje se sa 145 dana na 89 dana, a može se razmnožavati 4 generacije u jednoj godini.

Kvaliteta svjetla

Svjetlost igra vitalnu ulogu u rastu i razvoju biljaka. Svjetlost može kontrolirati cvjetanje utječući na mnoge fotoreceptore. Omjer crvenog svjetla (R) i plavog svjetla (B) vrlo je važan za cvjetanje usjeva. Valna duljina crvenog svjetla od 600~700 nm sadrži apsorpcijski vrh klorofila od 660 nm, što može učinkovito potaknuti fotosintezu. Valna duljina plavog svjetla od 400~500 nm utjecat će na fototropizam biljaka, otvaranje puči i rast sadnica. Kod pšenice je omjer crvenog svjetla i plavog svjetla oko 1, što može izazvati cvjetanje u najranijoj fazi. Pod kvalitetom svjetla R:B=4:1, razdoblje rasta srednje i kasnozrelih sorti soje skraćeno je sa 120 dana na 63 dana, a visina biljke i nutritivna biomasa su smanjene, ali prinos sjemena nije pogođen, što je moglo zadovoljiti barem jedno sjeme po biljci, a prosječna stopa klijanja nezrelog sjemena bila je 81,7%. Pod uvjetima 10 sati osvjetljenja i dodatka plavog svjetla, biljke soje postale su kratke i jake, procvjetale su 23 dana nakon sjetve, sazrijele unutar 77 dana i mogle su se razmnožavati 5 generacija u jednoj godini.

Omjer crvenog svjetla i dalekog crvenog svjetla (FR) također utječe na cvjetanje biljaka. Fotoosjetljivi pigmenti postoje u dva oblika: apsorpcija dalekog crvenog svjetla (Pfr) i apsorpcija crvenog svjetla (Pr). Pri niskom omjeru R:FR, fotoosjetljivi pigmenti se pretvaraju iz Pfr u Pr, što dovodi do cvjetanja biljaka dugog dana. Korištenje LED svjetala za regulaciju odgovarajućeg R:FR (0,66~1,07) može povećati visinu biljke, potaknuti cvjetanje biljaka dugog dana (poput jutarnje slave i zijevalice) i inhibirati cvjetanje biljaka kratkog dana (poput nevena). Kada je R:FR veći od 3,1, vrijeme cvjetanja leće je odgođeno. Smanjenjem R:FR na 1,9 može se postići najbolji učinak cvjetanja, a cvjetanje može nastupiti 31. dan nakon sjetve. Učinak crvenog svjetla na inhibiciju cvjetanja posredovan je fotoosjetljivim pigmentom Pr. Studije su pokazale da kada je R:FR veći od 3,5, vrijeme cvjetanja pet mahunarki (grašak, slanutak, bob, leća i lupina) bit će odgođeno. Kod nekih genotipova amaranta i riže, daleko crveno svjetlo se koristi za ubrzanje cvjetanja za 10, odnosno 20 dana.

Gnojivo CO2₂

CO₂je glavni izvor ugljika u fotosintezi. Visoka koncentracija CO₂obično može potaknuti rast i razmnožavanje C3 jednogodišnjih biljaka, dok niska koncentracija CO2₂može smanjiti prinos rasta i reprodukcije zbog ograničenja ugljika. Na primjer, fotosintetska učinkovitost C3 biljaka, poput riže i pšenice, povećava se s povećanjem CO2.₂razine, što rezultira povećanjem biomase i ranim cvjetanjem. Kako bi se ostvario pozitivan utjecaj CO₂povećanje koncentracije, možda će biti potrebno optimizirati opskrbu vodom i hranjivim tvarima. Stoga, pod uvjetima neograničenih ulaganja, hidroponika može u potpunosti osloboditi potencijal rasta biljaka. Niska razina CO2₂koncentracija odgodila je vrijeme cvjetanja Arabidopsis thaliana, dok je visoka koncentracija CO2₂koncentracija je ubrzala vrijeme cvjetanja riže, skratila razdoblje rasta riže na 3 mjeseca i razmnožavala se 4 generacije godišnje. Dodavanjem CO2₂na 785,7 μmol/mol u kutiji za umjetno uzgoj, ciklus uzgoja sorte soje 'Enrei' skraćen je na 70 dana, a mogla se razmnožavati 5 generacija u jednoj godini. Kada je CO₂koncentracija se povećala na 550μmol/mol, cvjetanje Cajanus cajan odgođeno je za 8~9 dana, a vrijeme zametanja i dozrijevanja plodova također je odgođeno za 9 dana. Cajanus cajan akumulirao je netopljivi šećer pri visokim koncentracijama CO2.₂koncentracija, što može utjecati na prijenos signala biljaka i odgoditi cvjetanje. Osim toga, u prostoriji za uzgoj s povećanim CO₂, broj i kvaliteta cvjetova soje se povećavaju, što pogoduje hibridizaciji, a stopa hibridizacije je mnogo veća nego kod soje uzgojene na polju.

Budući izgledi

Moderna poljoprivreda može ubrzati proces oplemenjivanja usjeva putem alternativnog oplemenjivanja i oplemenjivanja u objektima. Međutim, postoje neki nedostaci ovih metoda, poput strogih geografskih zahtjeva, skupog upravljanja radom i nestabilnih prirodnih uvjeta, koji ne mogu jamčiti uspješnu žetvu sjemena. Na oplemenjivanje u objektima utječu klimatski uvjeti, a vrijeme za dodavanje generacija je ograničeno. Međutim, oplemenjivanje molekularnim markerima samo ubrzava odabir i određivanje ciljnih svojstava oplemenjivanja. Trenutno se tehnologija brzog oplemenjivanja primjenjuje na Gramineae, Leguminosae, Cruciferae i druge kulture. Međutim, oplemenjivanje brzim generacijama u tvornicama biljaka potpuno uklanja utjecaj klimatskih uvjeta i može regulirati okruženje za rast prema potrebama rasta i razvoja biljaka. Kombiniranjem tehnologije brzog oplemenjivanja u tvornicama biljaka s tradicionalnim oplemenjivanjem, oplemenjivanjem molekularnim markerima i drugim metodama oplemenjivanja, pod uvjetima brzog oplemenjivanja, može se smanjiti vrijeme potrebno za dobivanje homozigotnih linija nakon hibridizacije, a istovremeno se mogu odabrati rane generacije kako bi se skratilo vrijeme potrebno za dobivanje idealnih svojstava i generacija za oplemenjivanje.

Ključno ograničenje tehnologije brzog uzgoja biljaka u tvornicama jest to što su uvjeti okoline potrebni za rast i razvoj različitih usjeva prilično različiti te je potrebno dugo vremena da se postignu uvjeti okoline za brzi uzgoj ciljanih usjeva. Istovremeno, zbog visokih troškova izgradnje i rada tvornice biljaka, teško je provesti velike eksperimente aditivnog uzgoja, što često dovodi do ograničenog prinosa sjemena, što može ograničiti naknadnu procjenu karakteristika polja. Postupnim poboljšanjem opreme i tehnologije tvornice biljaka, troškovi izgradnje i rada tvornice biljaka postupno se smanjuju. Moguće je dodatno optimizirati tehnologiju brzog uzgoja i skratiti ciklus uzgoja učinkovitim kombiniranjem tehnologije brzog uzgoja tvornice biljaka s drugim tehnikama uzgoja.

KRAJ

Citirane informacije

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Napredak istraživanja tehnologije brzog uzgoja u tvornicama biljaka [J]. Poljoprivredna inženjerska tehnologija, 2022,42(22):46-49.