Tecnologia di ingegneria agricola orticola in serraPubblicato alle 17:30 del 14 ottobre 2022 a Pechino

Con il continuo aumento della popolazione mondiale, la domanda di cibo aumenta di giorno in giorno e si impongono requisiti più severi in termini di nutrizione e sicurezza alimentare. Coltivare colture ad alta resa e di alta qualità è un mezzo importante per risolvere i problemi alimentari. Tuttavia, il metodo di selezione tradizionale richiede molto tempo per coltivare varietà eccellenti, il che ne limita il progresso. Per le colture annuali autoimpollinanti, possono essere necessari 10-15 anni dall'incrocio iniziale dei genitori alla produzione di una nuova varietà. Pertanto, al fine di accelerare il progresso della selezione delle colture, è urgente migliorare l'efficienza della selezione e ridurre il tempo di generazione.

L'ibridazione rapida significa massimizzare il tasso di crescita delle piante, accelerare la fioritura e la fruttificazione e abbreviare il ciclo di riproduzione controllando le condizioni ambientali in una stanza di crescita completamente chiusa e controllata. La fabbrica di piante è un sistema agricolo in grado di raggiungere una produzione agricola ad alta efficienza attraverso un controllo ambientale ad alta precisione nelle strutture, ed è un ambiente ideale per la riproduzione rapida. Le condizioni ambientali di piantagione, come luce, temperatura, umidità e concentrazione di CO2, in fabbrica sono relativamente controllabili e non sono influenzate, o lo sono in misura minima, dal clima esterno. In condizioni ambientali controllate, la migliore intensità luminosa, il tempo di esposizione e la temperatura possono accelerare vari processi fisiologici delle piante, in particolare la fotosintesi e la fioritura, riducendo così i tempi di generazione della crescita delle colture. L'utilizzo della tecnologia della fabbrica di piante per controllare la crescita e lo sviluppo delle colture, la raccolta anticipata dei frutti, a condizione che pochi semi con capacità germinativa possano soddisfare le esigenze di riproduzione.

Il fotoperiodo, il principale fattore ambientale che influenza il ciclo di crescita delle colture

Il ciclo luminoso si riferisce all'alternanza di periodi di luce e di buio in una giornata. Il ciclo luminoso è un fattore importante che influenza la crescita, lo sviluppo, la fioritura e la fruttificazione delle colture. Rilevando il cambiamento del ciclo luminoso, le colture possono passare dalla crescita vegetativa a quella riproduttiva e completare la fioritura e la fruttificazione. Diverse varietà e genotipi di colture hanno diverse risposte fisiologiche alle variazioni del fotoperiodo. Nelle piante a lunga esposizione al sole, una volta che il tempo di soleggiamento supera la durata critica, il periodo di fioritura viene solitamente accelerato dal prolungamento del fotoperiodo, come avena, grano e orzo. Le piante neutre, indipendentemente dal fotoperiodo, fioriranno, come riso, mais e cetriolo. Le piante a giorno corto, come cotone, soia e miglio, necessitano di un fotoperiodo inferiore alla durata critica del soleggiamento per fiorire. In condizioni ambientali artificiali di 8 ore di luce e 30 °C di temperatura elevata, il periodo di fioritura dell'amaranto è di oltre 40 giorni anticipato rispetto a quello in campo aperto. Con un ciclo di luce di 16/8 ore (luce/buio), tutti e sette i genotipi di orzo sono fioriti precocemente: Franklin (36 giorni), Gairdner (35 giorni), Gimmett (33 giorni), Commander (30 giorni), Fleet (29 giorni), Baudin (26 giorni) e Lockyer (25 giorni).

In ambiente artificiale, il periodo di crescita del grano può essere ridotto utilizzando la coltura embrionale per ottenere piantine e irradiandole per 16 ore, ottenendo così 8 generazioni all'anno. Il periodo di crescita del pisello è stato ridotto da 143 giorni in campo aperto a 67 giorni in serra artificiale con 16 ore di luce. Prolungando ulteriormente il fotoperiodo a 20 ore e combinandolo con un ciclo diurno/notturno di 21°C/16°C, il periodo di crescita del pisello può essere ridotto a 68 giorni, con un tasso di allegagione del 97,8%. In condizioni di ambiente controllato, dopo un fotoperiodo di 20 ore, occorrono 32 giorni dalla semina alla fioritura, e l'intero periodo di crescita è di 62-71 giorni, ovvero più breve di oltre 30 giorni rispetto alle condizioni di campo aperto. In condizioni di serra artificiale con fotoperiodo di 22 ore, il tempo di fioritura di grano, orzo, colza e ceci si riduce in media rispettivamente di 22, 64, 73 e 33 giorni. In combinazione con la raccolta precoce dei semi, i tassi di germinazione dei semi a raccolta precoce possono raggiungere in media rispettivamente il 92%, il 98%, l'89% e il 94%, soddisfacendo pienamente le esigenze di selezione. Le varietà più veloci possono produrre ininterrottamente 6 generazioni (grano) e 7 generazioni (grano). In condizioni di fotoperiodo di 22 ore, il tempo di fioritura dell'avena si è ridotto di 11 giorni e, 21 giorni dopo la fioritura, si potevano garantire almeno 5 semi vitali e cinque generazioni potevano essere propagate ininterrottamente ogni anno. Nella serra artificiale con illuminazione di 22 ore, il periodo di crescita delle lenticchie si riduce a 115 giorni e possono riprodursi per 3-4 generazioni all'anno. In condizioni di illuminazione continua 24 ore su 24 in una serra artificiale, il ciclo di crescita dell'arachide si riduce da 145 a 89 giorni e può essere propagata per 4 generazioni in un anno.

Qualità della luce

La luce svolge un ruolo fondamentale nella crescita e nello sviluppo delle piante. La luce può controllare la fioritura influenzando molti fotorecettori. Il rapporto tra luce rossa (R) e luce blu (B) è molto importante per la fioritura delle colture. La lunghezza d'onda della luce rossa di 600~700 nm contiene il picco di assorbimento della clorofilla a 660 nm, che può promuovere efficacemente la fotosintesi. La lunghezza d'onda della luce blu di 400~500 nm influenzerà il fototropismo delle piante, l'apertura degli stomi e la crescita delle piantine. Nel grano, il rapporto tra luce rossa e luce blu è circa 1, il che può indurre la fioritura al più presto. Con una qualità della luce di R:B = 4:1, il periodo di crescita delle varietà di soia a maturazione media e tardiva è stato ridotto da 120 giorni a 63 giorni, e l'altezza della pianta e la biomassa nutrizionale sono state ridotte, ma la resa dei semi non è stata influenzata, consentendo di soddisfare almeno un seme per pianta, e il tasso medio di germinazione dei semi immaturi è stato dell'81,7%. In condizioni di illuminazione di 10 ore e di integrazione di luce blu, le piante di soia sono diventate piccole e forti, sono fiorite 23 giorni dopo la semina, sono maturate entro 77 giorni e hanno potuto riprodursi per 5 generazioni in un anno.

Anche il rapporto tra luce rossa e luce rossa lontana (FR) influisce sulla fioritura delle piante. I pigmenti fotosensibili esistono in due forme: assorbimento della luce rossa lontana (Pfr) e assorbimento della luce rossa (Pr). Con un basso rapporto R:FR, i pigmenti fotosensibili vengono convertiti da Pfr a Pr, il che porta alla fioritura delle piante a giorno lungo. L'utilizzo di luci a LED per regolare il rapporto R:FR appropriato (0,66~1,07) può aumentare l'altezza delle piante, promuovere la fioritura delle piante a giorno lungo (come l'ipomea e la bocca di leone) e inibire la fioritura delle piante a giorno corto (come la calendula). Quando R:FR è maggiore di 3,1, il periodo di fioritura delle lenticchie viene ritardato. Riducendo R:FR a 1,9 si può ottenere il miglior effetto di fioritura, che può fiorire il 31° giorno dopo la semina. L'effetto della luce rossa sull'inibizione della fioritura è mediato dal pigmento fotosensibile Pr. Studi hanno evidenziato che quando il rapporto R:FR è superiore a 3,5, il periodo di fioritura di cinque leguminose (pisello, cece, fava, lenticchia e lupino) subirà un ritardo. In alcuni genotipi di amaranto e riso, la luce rosso lontano viene utilizzata per anticipare la fioritura rispettivamente di 10 e 20 giorni.

CO2 dei fertilizzanti₂

CO₂è la principale fonte di carbonio della fotosintesi. Alta concentrazione di CO₂può solitamente promuovere la crescita e la riproduzione delle annuali C3, mentre la bassa concentrazione di CO₂può ridurre la crescita e la resa riproduttiva a causa della limitazione del carbonio. Ad esempio, l'efficienza fotosintetica delle piante C3, come il riso e il grano, aumenta con l'aumento della CO₂livello, con conseguente aumento della biomassa e fioritura anticipata. Per realizzare l'impatto positivo della CO₂Con l'aumento della concentrazione, potrebbe essere necessario ottimizzare l'apporto di acqua e nutrienti. Pertanto, a condizione di investimenti illimitati, l'idroponica può liberare appieno il potenziale di crescita delle piante. Bassa CO2₂concentrazione ha ritardato il periodo di fioritura dell'Arabidopsis thaliana, mentre l'elevata concentrazione di CO₂La concentrazione ha accelerato il periodo di fioritura del riso, ridotto il periodo di crescita del riso a 3 mesi e propagato 4 generazioni all'anno. Integrando la CO₂a 785,7μmol/mol nella scatola di crescita artificiale, il ciclo di riproduzione della varietà di soia 'Enrei' è stato ridotto a 70 giorni e potrebbe riprodurre 5 generazioni in un anno. Quando la CO₂concentrazione aumentata a 550μmol/mol, la fioritura di Cajanus cajan è stata ritardata di 8~9 giorni e anche l'allegagione e il tempo di maturazione dei frutti sono stati ritardati di 9 giorni. Cajanus cajan ha accumulato zucchero insolubile ad alta CO₂concentrazione, che può influenzare la trasmissione del segnale delle piante e ritardare la fioritura. Inoltre, nella stanza di crescita con aumento di CO₂, il numero e la qualità dei fiori di soia aumentano, il che favorisce l'ibridazione, e il suo tasso di ibridazione è molto più alto di quello della soia coltivata nei campi.

Prospettive future

L'agricoltura moderna può accelerare il processo di miglioramento genetico delle colture attraverso il miglioramento genetico alternativo e il miglioramento genetico in fabbrica. Tuttavia, questi metodi presentano alcune carenze, come i rigidi requisiti geografici, la costosa gestione della manodopera e le condizioni naturali instabili, che non possono garantire un raccolto di semi di successo. Il miglioramento genetico in fabbrica è influenzato dalle condizioni climatiche e il tempo per l'aggiunta di generazioni è limitato. Tuttavia, il miglioramento genetico tramite marcatori molecolari accelera solo la selezione e la determinazione dei tratti target del miglioramento genetico. Attualmente, la tecnologia di miglioramento genetico rapido è stata applicata a Graminacee, Leguminose, Crucifere e altre colture. Tuttavia, il miglioramento genetico rapido tramite generazione in fabbrica elimina completamente l'influenza delle condizioni climatiche e può regolare l'ambiente di crescita in base alle esigenze di crescita e sviluppo delle piante. Combinando efficacemente la tecnologia di miglioramento genetico rapido tramite produzione in fabbrica con il miglioramento genetico tradizionale, il miglioramento genetico tramite marcatori molecolari e altri metodi di miglioramento genetico, in condizioni di miglioramento genetico rapido, è possibile ridurre il tempo necessario per ottenere linee omozigoti dopo l'ibridazione e, allo stesso tempo, è possibile selezionare le generazioni precoci per ridurre il tempo necessario per ottenere tratti e generazioni di miglioramento genetico ideali.

Il limite principale della tecnologia di miglioramento genetico rapido delle piante in fabbrica è che le condizioni ambientali richieste per la crescita e lo sviluppo delle diverse colture sono piuttosto diverse e richiedono molto tempo per ottenere le condizioni ambientali necessarie per il miglioramento genetico rapido delle colture target. Allo stesso tempo, a causa degli elevati costi di costruzione e gestione delle fabbriche di impianti, è difficile condurre esperimenti di miglioramento genetico additivo su larga scala, il che spesso porta a una resa limitata dei semi, che può limitare la successiva valutazione delle caratteristiche in campo. Con il graduale miglioramento delle attrezzature e della tecnologia delle fabbriche di impianti, i costi di costruzione e gestione delle fabbriche di impianti si riducono gradualmente. È possibile ottimizzare ulteriormente la tecnologia di miglioramento genetico rapido e abbreviare il ciclo di miglioramento genetico combinando efficacemente la tecnologia di miglioramento genetico rapido delle fabbriche di impianti con altre tecniche di miglioramento genetico.

FINE

Informazioni citate

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Progressi nella ricerca sulla tecnologia di riproduzione rapida delle piante in fabbrica [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022,42(22):46-49.