Tehnologija poljoprivrednog inženjerstva u stakleničkom hortikulturnom sektoruObjavljeno u 17:30 14. oktobra 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, tradicionalne metode uzgoja zahtijevaju mnogo vremena za uzgoj odličnih 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 oplemenjivanja usjeva, hitno je poboljšati efikasnost uzgoja i skratiti vrijeme generacije.

Brzi uzgoj znači maksimiziranje stope rasta biljaka, ubrzavanje cvjetanja i plodonošenja i skraćivanje ciklusa uzgoja kontrolisanjem uslova okoline u potpuno zatvorenoj kontrolisanoj prostoriji za uzgoj. Fabrika biljaka je poljoprivredni sistem koji može postići visokoefikasnu proizvodnju usjeva putem visokoprecizne kontrole okoline u objektima, i predstavlja idealno okruženje za brzi uzgoj. Uslovi sadnje, kao što su svjetlost, temperatura, vlažnost i koncentracija CO2 u fabrici, relativno su kontrolisani i nisu ili su manje pod uticajem vanjske klime. U kontrolisanim uslovima okoline, najbolji intenzitet svjetlosti, trajanje osvjetljenja i temperatura mogu ubrzati različite fiziološke procese biljaka, posebno fotosintezu i cvjetanje, čime se skraćuje vrijeme generacije rasta usjeva. Korištenjem tehnologije fabrike biljaka za kontrolu rasta i razvoja usjeva, plodovi se beru unaprijed, sve dok nekoliko sjemenki sa sposobnošću klijanja može zadovoljiti potrebe uzgoja.

Fotoperiod, glavni faktor okoline koji utiče na ciklus rasta usjeva

Svjetlosni ciklus odnosi se na izmjenu svjetlosnog i tamnog perioda tokom dana. Svjetlosni ciklus je važan faktor koji utiče na rast, razvoj, cvjetanje i plodonošenje usjeva. Osjetom promjene svjetlosnog ciklusa, usjevi mogu preći iz vegetativnog rasta u reproduktivni rast i potpuno cvjetanje i plodonošenje. Različite sorte i genotipovi usjeva imaju različite fiziološke odgovore na promjene fotoperioda. Kod biljaka dugog dana, kada vrijeme sunčanog sijanja premaši kritičnu dužinu sunčanog sijanja, vrijeme cvjetanja se obično ubrzava produženjem fotoperioda, kao što su zob, pšenica i ječam. Neutralne biljke, bez obzira na fotoperiod, će cvjetati, kao što su riža, kukuruz i krastavac. Biljkama kratkog dana, kao što su pamuk, soja i proso, potreban je fotoperiod kraći od kritične dužine sunčanog sijanja da bi cvjetale. U vještačkim uslovima okruženja od 8 sati svjetla i visoke temperature od 30℃, vrijeme cvjetanja amaranta je više od 40 dana ranije nego u poljskim uslovima. 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 vještačkom okruženju, period rasta pšenice može se skratiti korištenjem kulture embrija za dobijanje sadnica, a zatim zračenjem tokom 16 sati, čime se može proizvesti 8 generacija svake godine. Period rasta graška skraćen je sa 143 dana u poljskim uslovima na 67 dana u vještačkom stakleniku sa 16 sati svjetlosti. Daljnjim produženjem fotoperioda na 20 sati i kombinovanjem sa 21°C/16°C (dan/noć), period rasta graška može se skratiti na 68 dana, a stopa zametanja sjemena je 97,8%. U uslovima kontrolisanog okruženja, nakon tretmana fotoperiodom od 20 sati, potrebno je 32 dana od sjetve do cvjetanja, a cijeli period rasta je 62-71 dan, što je kraće nego u poljskim uslovima za više od 30 dana. U uslovima vještačkog staklenika sa 22-satnim fotoperiodom, vrijeme cvjetanja pšenice, ječma, uljane repice i slanutka skraćeno je u prosjeku za 22, 64, 73 i 33 dana, respektivno. U kombinaciji s ranom žetvom sjemena, stope klijanja ranog sjemena mogu doseći u prosjeku 92%, 98%, 89% i 94%, što u potpunosti zadovoljava potrebe oplemenjivanja. Najbrže sorte mogu kontinuirano proizvoditi 6 generacija (pšenica) i 7 generacija (pšenica). Pod uslovom 22-satnog fotoperioda, vrijeme cvjetanja zobi smanjeno je za 11 dana, a 21 dan nakon cvjetanja moglo se garantovati najmanje 5 održivih sjemenki, a pet generacija se moglo kontinuirano razmnožavati svake godine. U vještačkom stakleniku s 22-satnim osvjetljenjem, period rasta leće skraćuje se na 115 dana, a ona se može razmnožavati 3-4 generacije godišnje. Pod uslovom 24-satnog kontinuiranog osvjetljenja u vještačkom stakleniku, ciklus rasta kikirikija smanjuje se sa 145 dana na 89 dana, a može se razmnožavati 4 generacije u jednoj godini.

Kvalitet svjetla

Svjetlost igra vitalnu ulogu u rastu i razvoju biljaka. Svjetlost može kontrolisati cvjetanje utičući na mnoge fotoreceptore. Odnos crvene svjetlosti (R) i plave svjetlosti (B) je veoma važan za cvjetanje usjeva. Talasna dužina crvene svjetlosti od 600~700nm sadrži apsorpcioni vrh hlorofila od 660nm, što može efikasno podstaći fotosintezu. Talasna dužina plave svjetlosti od 400~500nm će uticati na fototropizam biljaka, otvaranje stoma i rast sadnica. Kod pšenice, odnos crvene i plave svjetlosti je oko 1, što može izazvati cvjetanje u najranijem mogućem roku. Pod kvalitetom svjetlosti R:B=4:1, period rasta srednje i kasnozrelih sorti soje skraćen 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 uslovima 10-časovnog osvjetljenja i dodatka plavog svjetla, biljke soje su postale niske i snažne, procvjetale su 23 dana nakon sjetve, sazrele u roku od 77 dana i mogle su se reprodukovati 5 generacija u jednoj godini.

Odnos crvene i daleke crvene svjetlosti (FR) također utiče na cvjetanje biljaka. Fotosenzitivni pigmenti postoje u dva oblika: apsorpcija daleke crvene svjetlosti (Pfr) i apsorpcija crvene svjetlosti (Pr). Pri niskom odnosu R:FR, fotosenzitivni 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 (kao što su jutarnja slava i zijevalica) i inhibirati cvjetanje biljaka kratkog dana (kao što je neven). Kada je R:FR veći od 3,1, vrijeme cvjetanja leće je odgođeno. Smanjenjem R:FR na 1,9 može se postići najbolji efekat cvjetanja, a može procvjetati 31. dan nakon sjetve. Učinak crvene svjetlosti na inhibiciju cvjetanja posredovan je fotosenzitivnim 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 CO₂

CO₂je glavni izvor ugljika u fotosintezi. Visoka koncentracija CO₂obično može pospješiti rast i razmnožavanje C3 jednogodišnjih biljaka, dok niska koncentracija CO2₂može smanjiti prinos rasta i reprodukcije zbog ograničenja ugljika. Na primjer, fotosintetska efikasnost C3 biljaka, poput riže i pšenice, povećava se s povećanjem CO2.₂nivo, što rezultira povećanjem biomase i ranim cvjetanjem. Kako bi se ostvario pozitivan uticaj 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. Nizak CO2₂koncentracija je odložila vrijeme cvjetanja Arabidopsis thaliana, dok je visoka koncentracija CO2₂Koncentracija je ubrzala vrijeme cvjetanja riže, skratila period rasta riže na 3 mjeseca i razmnožavala se 4 generacije godišnje. Dodavanjem CO2₂na 785,7 μmol/mol u kutiji za vještački rast, ciklus razmnožavanja sorte soje 'Enrei' skraćen je na 70 dana, a ona je mogla imati 5 generacija u jednoj godini. Kada je CO₂koncentracija se povećala na 550μmol/mol, cvjetanje Cajanus cajan je odloženo za 8~9 dana, a vrijeme zametanja i sazrijevanja plodova je također odloženo za 9 dana. Cajanus cajan je akumulirao nerastvorljivi 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 kvalitet cvjetova soje se povećavaju, što pogoduje hibridizaciji, a stopa hibridizacije je mnogo veća nego kod soje uzgajane na polju.

Budući izgledi

Moderna poljoprivreda može ubrzati proces oplemenjivanja usjeva putem alternativnog oplemenjivanja i oplemenjivanja u objektima. Međutim, postoje neki nedostaci ovih metoda, kao što su strogi geografski zahtjevi, skupo upravljanje radnom snagom i nestabilni prirodni uslovi, koji ne mogu garantovati uspješnu žetvu sjemena. Na oplemenjivanje u objektima utiču klimatski uslovi, a vrijeme za dodavanje generacija je ograničeno. Međutim, oplemenjivanje molekularnim markerima samo ubrzava selekciju i određivanje ciljnih osobina oplemenjivanja. Trenutno se tehnologija brzog oplemenjivanja primjenjuje na Gramineae, Leguminosae, Cruciferae i druge kulture. Međutim, oplemenjivanje brzim generacijama u fabrikama biljaka potpuno eliminiše uticaj klimatskih uslova i može regulisati okruženje za rast prema potrebama rasta i razvoja biljaka. Kombinovanjem tehnologije brzog oplemenjivanja u fabrikama biljaka sa tradicionalnim oplemenjivanjem, oplemenjivanjem molekularnim markerima i drugim metodama oplemenjivanja efikasno, pod uslovima brzog oplemenjivanja, može se smanjiti vrijeme potrebno za dobijanje homozigotnih linija nakon hibridizacije, a istovremeno se mogu odabrati rane generacije kako bi se skratilo vrijeme potrebno za dobijanje idealnih osobina i generacija za oplemenjivanje.

Ključno ograničenje tehnologije brzog uzgoja biljaka u fabrikama je to što su uslovi okoline potrebni za rast i razvoj različitih usjeva prilično različiti i potrebno je mnogo vremena da se postignu uslovi okoline za brzi uzgoj ciljnih usjeva. Istovremeno, zbog visokih troškova izgradnje i rada fabrike biljaka, teško je provesti velike eksperimente aditivnog uzgoja, što često dovodi do ograničenog prinosa sjemena, što može ograničiti naknadnu procjenu karakteristika polja. Postepenim poboljšanjem i unapređenjem opreme i tehnologije fabrike biljaka, troškovi izgradnje i rada fabrike biljaka se postepeno smanjuju. Moguće je dodatno optimizirati tehnologiju brzog uzgoja i skratiti ciklus uzgoja efikasnim kombinovanjem tehnologije brzog uzgoja fabrike biljaka s drugim tehnikama uzgoja.

KRAJ

Citirane informacije

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