Tecnoloxía de enxeñaría agrícola hortícola de invernadoiroPublicado ás 17:30 o 14 de outubro de 2022 en Pequín

Co aumento continuo da poboación mundial, a demanda de alimentos aumenta día a día e impónse requisitos máis esixentes en canto á nutrición e a seguridade alimentaria. O cultivo de cultivos de alto rendemento e alta calidade é un medio importante para resolver os problemas alimentarios. Non obstante, o método de mellora tradicional leva moito tempo para cultivar variedades excelentes, o que limita o progreso da mellora. Para os cultivos autopolinizadores anuais, poden pasar de 10 a 15 anos desde o cruzamento inicial entre proxenitores ata a produción dunha nova variedade. Polo tanto, para acelerar o progreso da mellora dos cultivos, é urxente mellorar a eficiencia da mellora e acurtar o tempo de xeración.

A reprodución rápida significa maximizar a taxa de crecemento das plantas, acelerar a floración e a frutificación e acurtar o ciclo de reprodución mediante o control das condicións ambientais nunha sala de crecemento con ambiente controlado totalmente pechada. A fábrica de plantas é un sistema agrícola que pode lograr unha produción de cultivos de alta eficiencia mediante un control ambiental de alta precisión nas instalacións, e é un ambiente ideal para a reprodución rápida. As condicións do ambiente de plantación, como a luz, a temperatura, a humidade e a concentración de CO2 na fábrica, son relativamente controlables e non se ven afectadas ou se ven afectadas menos polo clima externo. En condicións ambientais controladas, a mellor intensidade de luz, tempo de luz e temperatura poden acelerar varios procesos fisiolóxicos das plantas, especialmente a fotosíntese e a floración, acurtando así o tempo de xeración do crecemento das colleitas. Usando a tecnoloxía da fábrica de plantas para controlar o crecemento e desenvolvemento das colleitas, colleitando froitos con antelación, sempre que unhas poucas sementes con capacidade de xerminación poidan satisfacer as necesidades de reprodución.

Fotoperíodo, o principal factor ambiental que afecta o ciclo de crecemento dos cultivos

O ciclo de luz refírese á alternancia do período de luz e o período de escuridade nun día. O ciclo de luz é un factor importante que afecta o crecemento, desenvolvemento, floración e frutificación dos cultivos. Ao detectar o cambio no ciclo de luz, os cultivos poden cambiar do crecemento vexetativo ao crecemento reprodutivo e á floración e frutificación completas. As diferentes variedades e xenotipos de cultivos teñen diferentes respostas fisiolóxicas aos cambios no fotoperíodo. Nas plantas de longo sol, unha vez que o tempo de sol supera a duración crítica do sol, o tempo de floración adoita acelerarse pola prolongación do fotoperíodo, como a avea, o trigo e a cebada. As plantas neutras, independentemente do fotoperíodo, florecerán, como o arroz, o millo e o pepino. As plantas de día curto, como o algodón, a soia e o millo millo, necesitan un fotoperíodo inferior á duración crítica do sol para florecer. En condicións de ambiente artificial de 8 horas de luz e 30 ℃ de temperatura alta, o tempo de floración do amaranto é máis de 40 días antes que no ambiente de campo. Baixo o tratamento dun ciclo de luz de 16/8 h (luz/escuridade), os sete xenotipos de cebada floreceron cedo: Franklin (36 días), Gairdner (35 días), Gimmett (33 días), Commander (30 días), Fleet (29 días), Baudin (26 días) e Lockyer (25 días).

En ambientes artificiais, o período de crecemento do trigo pódese acurtar mediante o cultivo de embrións para obter mudas e, a continuación, irradiando durante 16 horas, podendo producirse 8 xeracións cada ano. O período de crecemento do chícharo acurtouse de 143 días en ambientes de campo a 67 días en invernadoiros artificiais con 16 horas de luz. Ao prolongar aínda máis o fotoperíodo a 20 horas e combinalo con 21 °C/16 °C (día/noite), o período de crecemento do chícharo pódese acurtar a 68 días e a taxa de formación de sementes é do 97,8 %. En condicións de ambiente controlado, despois dun tratamento con fotoperíodo de 20 horas, tardan 32 días desde a sementeira ata a floración, e o período de crecemento completo é de 62-71 días, o que é máis curto que en condicións de campo en máis de 30 días. En condicións de invernadoiros artificiais con fotoperíodo de 22 horas, o tempo de floración do trigo, a cebada, a colza e o garavanzo acurtase en 22, 64, 73 e 33 días de media, respectivamente. En combinación coa colleita temperá de sementes, as taxas de xerminación das sementes de colleita temperá poden alcanzar unha media do 92 %, 98 %, 89 % e 94 %, respectivamente, o que pode satisfacer plenamente as necesidades da mellora. As variedades máis rápidas poden producir continuamente 6 xeracións (trigo) e 7 xeracións (trigo). En condicións de fotoperíodo de 22 horas, o tempo de floración da avea reduciuse en 11 días e, 21 días despois da floración, podíanse garantir polo menos 5 sementes viables e podíanse propagar continuamente cinco xeracións cada ano. No invernadoiro artificial con iluminación de 22 horas, o período de crecemento das lentellas acúrtase a 115 días e poden reproducirse durante 3-4 xeracións ao ano. En condicións de iluminación continua de 24 horas no invernadoiro artificial, o ciclo de crecemento do cacahuete redúcese de 145 días a 89 días e pode propagarse durante 4 xeracións nun ano.

Calidade da luz

A luz xoga un papel vital no crecemento e desenvolvemento das plantas. A luz pode controlar a floración ao afectar a moitos fotorreceptores. A proporción de luz vermella (R) e luz azul (B) é moi importante para a floración dos cultivos. A lonxitude de onda da luz vermella de 600~700 nm contén o pico de absorción da clorofila de 660 nm, que pode promover eficazmente a fotosíntese. A lonxitude de onda da luz azul de 400~500 nm afectará o fototropismo das plantas, a apertura dos estomas e o crecemento das plántulas. No trigo, a proporción de luz vermella e luz azul é de aproximadamente 1, o que pode inducir a floración como moi cedo. Coa calidade da luz de R:B=4:1, o período de crecemento das variedades de soia de maduración media e tardía acurtouse de 120 días a 63 días, e a altura da planta e a biomasa nutricional reducíronse, pero o rendemento das sementes non se viu afectado, o que puido satisfacer polo menos unha semente por planta, e a taxa media de xerminación das sementes inmaturas foi do 81,7 %. En condicións de iluminación de 10 horas e suplemento de luz azul, as plantas de soia volvéronse curtas e fortes, floreceron 23 días despois da sementeira, maduraron en 77 días e puideron reproducirse durante 5 xeracións nun ano.

A proporción entre a luz vermella e a luz vermella afastada (FR) tamén afecta á floración das plantas. Os pigmentos fotosensibles existen en dúas formas: absorción de luz vermella afastada (Pfr) e absorción de luz vermella (Pr). Cunha proporción R:FR baixa, os pigmentos fotosensibles convértense de Pfr a Pr, o que leva á floración de plantas de día longo. O uso de luces LED para regular a R:FR axeitada (0,66~1,07) pode aumentar a altura da planta, promover a floración de plantas de día longo (como a gloria da mañá e a boca de dragón) e inhibir a floración de plantas de día curto (como a caléndula). Cando a R:FR é superior a 3,1, o tempo de floración das lentellas atrasa. Reducir a R:FR a 1,9 pode obter o mellor efecto de floración e pode florecer no día 31 despois da sementeira. O efecto da luz vermella na inhibición da floración está mediado polo pigmento fotosensible Pr. Os estudos sinalaron que cando a R:FR é superior a 3,5, o tempo de floración de cinco plantas leguminosas (chícharo, garavanzo, faba, lentella e altramuz) atrasarase. Nalgúns xenotipos de amaranto e arroz, utilízase luz vermella afastada para adiantar a floración 10 e 20 días respectivamente.

CO2 de fertilizantes₂

CO₂é a principal fonte de carbono da fotosíntese. Alta concentración de CO2₂normalmente pode promover o crecemento e a reprodución das plantas anuais C3, mentres que a baixa concentración de CO2₂pode reducir o rendemento do crecemento e a reprodución debido á limitación do carbono. Por exemplo, a eficiencia fotosintética das plantas C3, como o arroz e o trigo, aumenta co aumento do CO2₂nivel, o que resulta no aumento da biomasa e nunha floración temperá. Para aproveitar o impacto positivo do CO2₂aumento da concentración, pode ser necesario optimizar o subministro de auga e nutrientes. Polo tanto, baixo a condición de investimento ilimitado, a hidroponía pode liberar plenamente o potencial de crecemento das plantas. Baixo CO2₂concentración atrasou o tempo de floración de Arabidopsis thaliana, mentres que a alta concentración de CO2₂a concentración acelerou o tempo de floración do arroz, acurtou o período de crecemento do arroz a 3 meses e propagou 4 xeracións ao ano. Ao suplementar CO₂a 785,7 μmol/mol na caixa de crecemento artificial, o ciclo de reprodución da variedade de soia "Enrei" acurtouse a 70 días e puido reproducir 5 xeracións nun ano. Cando o CO₂a concentración aumentou a 550 μmol/mol, a floración de Cajanus cajan atrasouse 8~9 días e o tempo de cuajado e maduración dos froitos tamén se atrasaron 9 días. Cajanus cajan acumulou azucre insoluble a altas concentracións de CO2₂concentración, o que pode afectar a transmisión de sinais das plantas e atrasar a floración. Ademais, na sala de crecemento con aumento de CO2₂, o número e a calidade das flores de soia aumentan, o que favorece a hibridación, e a súa taxa de hibridación é moito maior que a da soia cultivada no campo.

Perspectivas de futuro

A agricultura moderna pode acelerar o proceso de mellora dos cultivos mediante a mellora alternativa e a mellora en instalacións. Non obstante, existen algunhas deficiencias nestes métodos, como requisitos xeográficos estritos, xestión da man de obra cara e condicións naturais inestables, que non poden garantir unha colleita exitosa de sementes. A mellora en instalacións está influenciada polas condicións climáticas e o tempo para a adición de xeracións é limitado. Non obstante, a mellora con marcadores moleculares só acelera a selección e determinación dos trazos obxectivo da mellora. Na actualidade, a tecnoloxía de mellora rápida aplicouse a gramíneas, leguminosas, crucíferas e outros cultivos. Non obstante, a mellora de xeración rápida en fábricas de plantas elimina por completo a influencia das condicións climáticas e pode regular o ambiente de crecemento segundo as necesidades do crecemento e desenvolvemento das plantas. Combinando a tecnoloxía de mellora rápida en fábricas de plantas coa mellora tradicional, a mellora con marcadores moleculares e outros métodos de mellora de forma eficaz, baixo a condición de mellora rápida, pódese reducir o tempo necesario para obter liñas homocigotas despois da hibridación e, ao mesmo tempo, pódense seleccionar as primeiras xeracións para acurtar o tempo necesario para obter trazos e xeracións de mellora ideais.

A principal limitación da tecnoloxía de mellora rápida de plantas nas fábricas é que as condicións ambientais necesarias para o crecemento e desenvolvemento de diferentes cultivos son bastante diferentes, e leva moito tempo obter as condicións ambientais para a mellora rápida dos cultivos obxectivo. Ao mesmo tempo, debido ao alto custo de construción e funcionamento da fábrica de plantas, é difícil levar a cabo experimentos de mellora aditiva a grande escala, o que a miúdo leva a un rendemento limitado das sementes, o que pode limitar a avaliación posterior do carácter no campo. Coa mellora gradual dos equipos e a tecnoloxía da fábrica de plantas, o custo de construción e funcionamento da fábrica de plantas redúcese gradualmente. É posible optimizar aínda máis a tecnoloxía de mellora rápida e acurtar o ciclo de mellora combinando eficazmente a tecnoloxía de mellora rápida da fábrica de plantas con outras técnicas de mellora.

FIN

Información citada

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Progreso na investigación da tecnoloxía de reprodución rápida en fábricas de plantas [J]. Tecnoloxía da Enxeñaría Agrícola, 2022,42(22):46-49.