Technológia poľnohospodárskeho inžinierstva v skleníkových záhradníckych zariadeniachPublikované o 17:30 dňa 14. októbra 2022 v Pekingu

S neustálym rastom svetovej populácie rastie dopyt ľudí po potravinách zo dňa na deň a kladú sa vyššie požiadavky na výživu a bezpečnosť potravín. Pestovanie vysoko výnosných a kvalitných plodín je dôležitým prostriedkom na riešenie potravinových problémov. Tradičné metódy šľachtenia však vyžadujú veľa času na vyšľachtenie vynikajúcich odrôd, čo obmedzuje pokrok v šľachtení. V prípade jednoročných samoopelivých plodín môže trvať 10 až 15 rokov od prvého kríženia rodičovskej odrody až po produkciu novej odrody. Preto je na urýchlenie pokroku v šľachtení plodín naliehavé zlepšiť účinnosť šľachtenia a skrátiť generačný čas.

Rýchle šľachtenie znamená maximalizovať tempo rastu rastlín, urýchliť kvitnutie a plodenie a skrátiť cyklus šľachtenia kontrolou podmienok prostredia v plne uzavretej pestovateľskej miestnosti s kontrolovaným prostredím. Rastlinná továreň je poľnohospodársky systém, ktorý dokáže dosiahnuť vysokoúčinnú produkciu plodín prostredníctvom vysoko presnej kontroly prostredia v zariadeniach a je ideálnym prostredím pre rýchle šľachtenie. Podmienky prostredia pre pestovanie, ako je svetlo, teplota, vlhkosť a koncentrácia CO2 v továrni, sú relatívne kontrolovateľné a nie sú ovplyvnené alebo sú menej ovplyvnené vonkajšou klímou. V kontrolovaných podmienkach prostredia môže najlepšia intenzita svetla, čas osvetlenia a teplota urýchliť rôzne fyziologické procesy rastlín, najmä fotosyntézu a kvitnutie, čím sa skráti generačný čas rastu plodiny. Na riadenie rastu a vývoja plodín sa využíva technológia rastlinných tovární, ktorá umožňuje zber plodov v predstihu, pokiaľ je k dispozícii niekoľko semien s klíčivou schopnosťou, čo uspokojí potreby šľachtenia.

Fotoperióda, hlavný environmentálny faktor ovplyvňujúci rastový cyklus plodín

Svetelný cyklus sa vzťahuje na striedanie svetelného a tmavého obdobia počas dňa. Svetelný cyklus je dôležitým faktorom, ktorý ovplyvňuje rast, vývoj, kvitnutie a plodenie plodín. Vnímaním zmeny svetelného cyklu môžu plodiny prejsť z vegetatívneho rastu na reprodukčný rast a dokončiť kvitnutie a plodenie. Rôzne odrody a genotypy plodín majú rôzne fyziologické reakcie na zmeny fotoperiódy. Rastliny s dlhým slnečným svitom, akonáhle slnečný svit prekročí kritickú dĺžku slnečného svitu, zvyčajne prekračujú dobu kvitnutia predĺžením fotoperiódy, ako napríklad ovos, pšenica a jačmeň. Neutrálne rastliny, bez ohľadu na fotoperiódu, ako napríklad ryža, kukurica a uhorka, kvitnú. Rastliny s krátkym dňom, ako napríklad bavlna, sója a proso, potrebujú na kvitnutie fotoperiódu kratšiu ako kritickú dĺžku slnečného svitu. V umelých podmienkach prostredia s 8-hodinovým svetlom a vysokou teplotou 30 ℃ je doba kvitnutia amarantu o viac ako 40 dní skoršia ako v poľnom prostredí. Pri ošetrení 16/8 hodinovým svetelným cyklom (svetlo/tma) všetkých sedem genotypov jačmeňa kvitlo skoro: Franklin (36 dní), Gairdner (35 dní), Gimmett (33 dní), Commander (30 dní), Fleet (29 dní), Baudin (26 dní) a Lockyer (25 dní).

V umelom prostredí sa dá skrátiť doba rastu pšenice použitím embryonálnej kultúry na získanie sadeníc a následným ožarovaním počas 16 hodín, čím sa môže vyprodukovať 8 generácií ročne. Doba rastu hrachu sa skrátila zo 143 dní v poľnom prostredí na 67 dní v umelom skleníku so 16-hodinovým svetlom. Ďalším predĺžením fotoperiódy na 20 hodín a jej kombináciou s 21 °C/16 °C (deň/noc) sa dá doba rastu hrachu skrátiť na 68 dní a miera klíčenia semien je 97,8 %. V kontrolovanom prostredí po 20-hodinovej fotoperióde uplynie od siatia po kvitnutie 32 dní a celková doba rastu je 62 – 71 dní, čo je o viac ako 30 dní kratšie ako v poľných podmienkach. V umelom skleníku s 22-hodinovou fotoperiódou sa doba kvitnutia pšenice, jačmeňa, repky olejnej a cíceru skráti v priemere o 22, 64, 73 a 33 dní. V kombinácii s včasným zberom semien môže klíčivosť skorých semien dosiahnuť v priemere 92 %, 98 %, 89 % a 94 %, čo plne uspokojuje potreby šľachtenia. Najrýchlejšie odrody dokážu nepretržite produkovať 6 generácií (pšenica) a 7 generácií (pšenica). Za podmienok 22-hodinovej fotoperiódy sa doba kvitnutia ovsa skrátila o 11 dní a 21 dní po odkvitnutí sa dalo zaručiť aspoň 5 životaschopných semien a každý rok sa dalo nepretržite rozmnožovať päť generácií. V umelom skleníku s 22-hodinovým osvetlením sa doba rastu šošovice skracuje na 115 dní a môže sa rozmnožovať 3 – 4 generácie ročne. Za podmienok 24-hodinového nepretržitého osvetlenia v umelom skleníku sa rastový cyklus arašidov skracuje zo 145 dní na 89 dní a môže sa rozmnožovať 4 generácie za jeden rok.

Kvalita svetla

Svetlo zohráva dôležitú úlohu v raste a vývoji rastlín. Svetlo môže riadiť kvitnutie tým, že ovplyvňuje mnohé fotoreceptory. Pomer červeného svetla (R) k modrému svetlu (B) je veľmi dôležitý pre kvitnutie plodín. Vlnová dĺžka červeného svetla 600 až 700 nm obsahuje absorpčný pík chlorofylu 660 nm, ktorý môže účinne podporovať fotosyntézu. Vlnová dĺžka modrého svetla 400 až 500 nm ovplyvňuje fototropizmus rastlín, otváranie prieduchov a rast sadeníc. U pšenice je pomer červeného svetla k modrému svetlu približne 1, čo môže vyvolať najskoršie kvitnutie. Pri kvalite svetla R:B = 4:1 sa obdobie rastu stredne a neskoro dozrievajúcich odrôd sóje skrátilo zo 120 dní na 63 dní a znížila sa výška rastliny a nutričná biomasa, ale výnos semien nebol ovplyvnený, čo by mohlo uspokojiť aspoň jedno semeno na rastlinu a priemerná klíčivosť nezrelých semien bola 81,7 %. Za podmienok 10-hodinového osvetlenia a doplnku modrého svetla sa rastliny sóje stali krátkymi a silnými, kvitli 23 dní po zasiatí, dozreli do 77 dní a dokázali sa rozmnožovať 5 generácií počas jedného roka.

Pomer červeného svetla k ďalekému červenému svetlu (FR) tiež ovplyvňuje kvitnutie rastlín. Fotocitlivé pigmenty existujú v dvoch formách: absorpcia ďalekého červeného svetla (Pfr) a absorpcia červeného svetla (Pr). Pri nízkom pomere R:FR sa fotocitlivé pigmenty premieňajú z Pfr na Pr, čo vedie ku kvitnutiu dlhodenných rastlín. Použitie LED svetiel na reguláciu vhodného pomeru R:FR (0,66 až 1,07) môže zvýšiť výšku rastlín, podporiť kvitnutie dlhodenných rastlín (ako je povojník a papuľka) a inhibovať kvitnutie krátkodenných rastlín (ako je nechtík lekársky). Keď je pomer R:FR väčší ako 3,1, doba kvitnutia šošovice sa oneskoruje. Znížením pomeru R:FR na 1,9 sa môže dosiahnuť najlepší efekt kvitnutia a šošovica môže kvitnúť 31. deň po zasiatí. Účinok červeného svetla na inhibíciu kvitnutia je sprostredkovaný fotocitlivým pigmentom Pr. Štúdie poukázali na to, že ak je pomer R:FR vyšší ako 3,5, doba kvitnutia piatich strukovín (hrach, cícer, bôb, šošovica a lupina) sa oneskorí. V niektorých genotypoch amarantu a ryže sa na urýchlenie kvitnutia o 10, respektíve 20 dní používa ďalekočervené svetlo.

Hnojivo CO₂

CO₂je hlavným zdrojom uhlíka pri fotosyntéze. Vysoká koncentrácia CO₂zvyčajne môže podporovať rast a rozmnožovanie letničiek C3, zatiaľ čo nízka koncentrácia CO₂môže znížiť rast a reprodukčný výnos v dôsledku obmedzenia uhlíka. Napríklad fotosyntetická účinnosť rastlín C3, ako je ryža a pšenica, sa zvyšuje so zvyšujúcim sa obsahom CO2.₂úroveň, čo vedie k zvýšeniu biomasy a skorému kvitnutiu. Aby sa dosiahol pozitívny vplyv CO₂zvýšenie koncentrácie môže byť potrebné optimalizovať prísun vody a živín. Preto za podmienok neobmedzených investícií môže hydroponika plne uvoľniť rastový potenciál rastlín. Nízky obsah CO2₂koncentrácia oneskorila čas kvitnutia Arabidopsis thaliana, zatiaľ čo vysoká koncentrácia CO2₂koncentrácia urýchlila dobu kvitnutia ryže, skrátila obdobie rastu ryže na 3 mesiace a rozmnožovala sa 4 generácie ročne. Doplnením CO2₂na 785,7 μmol/mol v umelom rastovom boxe sa cyklus rozmnožovania sóje odrody „Enrei“ skrátil na 70 dní a mohla sa rozmnožiť 5 generácií za jeden rok. Keď CO₂koncentrácia sa zvýšila na 550 μmol/mol, kvitnutie kajanského (Cajanus cajan) sa oneskorilo o 8 až 9 dní a čas nasadzovania a dozrievania plodov sa tiež oneskoril o 9 dní. Kajanský chrobák akumuloval nerozpustný cukor pri vysokej koncentrácii CO2.₂koncentráciu, čo môže ovplyvniť prenos signálu rastlín a oddialiť kvitnutie. Okrem toho v pestovateľskej miestnosti so zvýšeným obsahom CO₂, počet a kvalita kvetov sóje sa zvyšuje, čo prispieva k hybridizácii a jej miera hybridizácie je oveľa vyššia ako u sóje pestovanej na poli.

Budúce vyhliadky

Moderné poľnohospodárstvo môže urýchliť proces šľachtenia plodín prostredníctvom alternatívneho šľachtenia a šľachtenia v zariadeniach. Tieto metódy však majú určité nedostatky, ako sú prísne geografické požiadavky, drahý manažment práce a nestabilné prírodné podmienky, ktoré nemôžu zaručiť úspešný zber semien. Šľachtenie v zariadeniach je ovplyvnené klimatickými podmienkami a čas na pridávanie generácií je obmedzený. Šľachtenie molekulárnymi markermi však iba urýchľuje výber a určenie cieľových znakov šľachtenia. V súčasnosti sa technológia rýchleho šľachtenia uplatňuje na trávy, strukoviny, kapustovité plodiny a ďalšie plodiny. Rýchle generačné šľachtenie v závodoch rastlín však úplne eliminuje vplyv klimatických podmienok a dokáže regulovať rastové prostredie podľa potrieb rastu a vývoja rastlín. Kombináciou technológie rýchleho šľachtenia v závodoch rastlín s tradičným šľachtením, šľachtením molekulárnymi markermi a inými metódami šľachtenia sa za podmienok rýchleho šľachtenia dá skrátiť čas potrebný na získanie homozygotných línií po hybridizácii a zároveň sa dajú vybrať skoré generácie, aby sa skrátil čas potrebný na získanie ideálnych znakov a generácií na šľachtenie.

Hlavným obmedzením technológie rýchleho šľachtenia rastlín v závodoch je, že podmienky prostredia potrebné pre rast a vývoj rôznych plodín sú dosť odlišné a dosiahnutie podmienok prostredia pre rýchle šľachtenie cieľových plodín trvá dlho. Zároveň je kvôli vysokým nákladom na výstavbu a prevádzku závodov ťažké vykonávať rozsiahle experimenty s aditívnym šľachtením, čo často vedie k obmedzenému výnosu semien, čo môže obmedziť následné hodnotenie charakteristík poľa. S postupným zlepšovaním a vylepšovaním vybavenia a technológie závodov sa náklady na výstavbu a prevádzku závodov postupne znižujú. Technológiu rýchleho šľachtenia je možné ďalej optimalizovať a skrátiť cyklus šľachtenia efektívnou kombináciou technológie rýchleho šľachtenia v závodoch s inými šľachtiteľskými technikami.

KONIEC

Citované informácie

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Pokrok vo výskume technológie rýchleho šľachtenia rastlín v továrňach [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022,42(22):46-49.