Šiltnamių sodininkystės žemės ūkio inžinerijos technologijosPaskelbta 2022 m. spalio 14 d., 17:30, Pekine

Nuolat didėjant pasaulio gyventojų skaičiui, žmonių maisto poreikis kasdien didėja, o maisto maistingumo ir saugos reikalavimai keliami vis didesni. Didelio derlingumo ir aukštos kokybės augalų auginimas yra svarbi priemonė maisto problemoms spręsti. Tačiau tradicinis selekcijos metodas užima daug laiko, kol išauginamos puikios veislės, o tai riboja selekcijos pažangą. Vienmečių savidulkių augalų atveju nuo pirminio kryžminimo su motininiu augalu iki naujos veislės išvedimo gali praeiti 10–15 metų. Todėl, siekiant paspartinti augalų selekcijos pažangą, būtina skubiai gerinti selekcijos efektyvumą ir sutrumpinti kartos laiką.

Greitas veisimas reiškia maksimaliai padidinti augalų augimo greitį, pagreitinti žydėjimą ir derėjimą bei sutrumpinti veisimo ciklą kontroliuojant aplinkos sąlygas visiškai uždaroje kontroliuojamos aplinkos auginimo patalpoje. Augalų fabrikas – tai žemės ūkio sistema, kuri gali pasiekti didelio efektyvumo augalų auginimą taikant labai tikslią aplinkos kontrolę patalpose, ir tai ideali aplinka greitam veisimui. Sodinimo aplinkos sąlygos, tokios kaip šviesa, temperatūra, drėgmė ir CO2 koncentracija fabrike, yra santykinai kontroliuojamos ir joms įtakos neturi arba turi mažiau. Kontroliuojamomis aplinkos sąlygomis geriausias šviesos intensyvumas, šviesos laikas ir temperatūra gali pagreitinti įvairius augalų fiziologinius procesus, ypač fotosintezę ir žydėjimą, taip sutrumpinant augalų augimo laiką. Naudojant augalų fabriko technologiją augalų augimui ir vystymuisi kontroliuoti, vaisiai nuimami iš anksto, jei tik lieka kelios dygstančios sėklos, kurios gali patenkinti veisimo poreikius.

Fotoperiodas – pagrindinis aplinkos veiksnys, turintis įtakos augalų augimo ciklui

Šviesos ciklas reiškia šviesos ir tamsos periodų kaitą paroje. Šviesos ciklas yra svarbus veiksnys, turintis įtakos augalų augimui, vystymuisi, žydėjimui ir derėjimui. Jausdami šviesos ciklo pokyčius, augalai gali pereiti nuo vegetatyvinio augimo prie reprodukcinio augimo, visiškai žydėti ir derėti. Skirtingos augalų veislės ir genotipai skirtingai fiziologiškai reaguoja į fotoperiodo pokyčius. Ilgai saulėtų augalų, pavyzdžiui, avižų, kviečių ir miežių, žydėjimo laikas paprastai pagreitėja dėl pailgėjusio fotoperiodo. Neutralūs augalai, pavyzdžiui, ryžiai, kukurūzai ir agurkai, žydės, nepaisant fotoperiodo. Trumpai saulėtų augalų, tokių kaip medvilnė, sojų pupelės ir soros, žydėjimui reikalingas trumpesnis fotoperiodas nei kritinis saulės spindulių ilgis. Dirbtinėse aplinkos sąlygose, kai šviesa trunka 8 valandas ir temperatūra siekia 30 ℃, burnočių žydėjimo laikas yra daugiau nei 40 dienų ankstesnis nei lauko aplinkoje. Taikant 16/8 val. šviesos ciklą (šviesa/tamsa), visi septyni miežių genotipai pražydo anksti: Franklin (36 dienos), Gairdner (35 dienos), Gimmett (33 dienos), Commander (30 dienų), Fleet (29 dienos), Baudin (26 dienos) ir Lockyer (25 dienos).

Dirbtinėje aplinkoje kviečių augimo periodą galima sutrumpinti naudojant embrionų kultūrą daigams gauti, o po to 16 valandų apšvitinant, ir per metus galima gauti 8 kartas. Žirnių augimo periodas lauko aplinkoje sutrumpėjo nuo 143 dienų iki 67 dienų dirbtiniame šiltnamyje su 16 val. šviesos. Toliau pailginus fotoperiodą iki 20 val. ir derinant jį su 21 °C/16 °C (diena/naktis), žirnių augimo periodas gali būti sutrumpintas iki 68 dienų, o sėklų sudygimo greitis siekia 97,8 %. Kontroliuojamoje aplinkoje, po 20 valandų fotoperiodo, nuo sėjos iki žydėjimo praeina 32 dienos, o visas augimo periodas yra 62–71 diena, tai yra daugiau nei 30 dienų trumpiau nei lauko sąlygomis. Dirbtiniame šiltnamyje su 22 val. fotoperiodu kviečių, miežių, rapsų ir avinžirnių žydėjimo laikas sutrumpėja vidutiniškai atitinkamai 22, 64, 73 ir 33 dienomis. Kartu su ankstyvu sėklų derliumi, ankstyvo derliaus sėklų daigumas gali siekti vidutiniškai atitinkamai 92 %, 98 %, 89 % ir 94 %, o tai gali visiškai patenkinti selekcijos poreikius. Greičiausiai augančios veislės gali nepertraukiamai išauginti 6 kartas (kviečiai) ir 7 kartas (kviečiai). Esant 22 valandų fotoperiodui, avižų žydėjimo laikas sutrumpėjo 11 dienų, o praėjus 21 dienai po žydėjimo, buvo galima garantuoti bent 5 gyvybingas sėklas ir nepertraukiamai daugintis penkias kartas per metus. Dirbtiniame šiltnamyje su 22 valandų apšvietimu lęšių augimo laikotarpis sutrumpėjo iki 115 dienų, ir jie gali daugintis 3–4 kartas per metus. Esant 24 valandų nepertraukiamam apšvietimui dirbtiniame šiltnamyje, žemės riešutų augimo ciklas sutrumpėjo nuo 145 dienų iki 89 dienų, ir per metus jie gali daugintis 4 kartas.

Šviesos kokybė

Šviesa vaidina gyvybiškai svarbų vaidmenį augalų augimui ir vystymuisi. Šviesa gali kontroliuoti žydėjimą, paveikdama daugelį fotoreceptorių. Raudonos (R) ir mėlynos (B) šviesos santykis yra labai svarbus augalų žydėjimui. 600–700 nm bangos ilgis turi chlorofilo absorbcijos smailę, kuri yra 660 nm, o tai gali veiksmingai skatinti fotosintezę. 400–500 nm mėlynos šviesos bangos ilgis veikia augalų fototropizmą, žiotelių atsidarymą ir daigų augimą. Kviečiuose raudonos ir mėlynos šviesos santykis yra apie 1, todėl žydėjimas gali prasidėti anksčiausiai. Esant šviesos kokybei R:B = 4:1, vidutinio ir vėlyvo brandinimo sojų pupelių veislių augimo laikotarpis sutrumpėjo nuo 120 dienų iki 63 dienų, sumažėjo augalo aukštis ir maistinė biomasė, tačiau sėklų derlius nepakito ir galėjo patenkinti bent vieną sėklą iš vieno augalo, o vidutinis nesubrendusių sėklų dygimo rodiklis buvo 81,7 %. 10 val. apšvietimo ir mėlynos šviesos papildymo sąlygomis sojų pupelių augalai tapo žemi ir stiprūs, pražydo praėjus 23 dienoms po sėjos, subręsta per 77 dienas ir per metus galėjo daugintis 5 kartas.

Raudonos ir tolimos raudonos šviesos santykis (FR) taip pat turi įtakos augalų žydėjimui. Šviesai jautrūs pigmentai egzistuoja dviem formomis: tolimos raudonos šviesos sugertis (Pfr) ir raudonos šviesos sugertis (Pr). Esant mažam R:FR santykiui, šviesai jautrūs pigmentai iš Pfr paverčiami Pr, o tai lemia ilgadienių augalų žydėjimą. Naudojant LED lemputes tinkamam R:FR (0,66–1,07) reguliavimui, galima padidinti augalų aukštį, skatinti ilgadienių augalų (pvz., vijoklinių ir snapučių) žydėjimą ir slopinti trumpadienių augalų (pvz., medetkų) žydėjimą. Kai R:FR yra didesnis nei 3,1, lęšių žydėjimo laikas vėluoja. Sumažinus R:FR iki 1,9, galima gauti geriausią žydėjimo efektą, ir jie gali žydėti 31 dieną po sėjos. Raudonos šviesos poveikį žydėjimo slopinimui lemia šviesai jautrus pigmentas Pr. Tyrimai parodė, kad kai R:FR yra didesnis nei 3,5, penkių ankštinių augalų (žirnių, avinžirnių, pupų, lęšių ir lubinų) žydėjimo laikas vėluoja. Kai kuriuose amaranto ir ryžių genotipuose tolimoji raudona šviesa naudojama žydėjimui paankstinti atitinkamai 10 ir 20 dienų.

Trąšų CO₂

CO₂yra pagrindinis fotosintezės anglies šaltinis. Didelė CO₂ koncentracija₂paprastai gali skatinti C3 vienmečių augalų augimą ir dauginimąsi, o mažos koncentracijos CO₂dėl anglies kiekio ribojimo gali sumažinti augimo ir dauginimosi derlių. Pavyzdžiui, C3 augalų, tokių kaip ryžiai ir kviečiai, fotosintezės efektyvumas didėja didėjant CO₂ kiekiui.₂lygiu, dėl kurio padidėja biomasė ir ankstyvesnis žydėjimas. Siekiant realizuoti teigiamą CO₂ poveikį₂Padidinus koncentraciją, gali tekti optimizuoti vandens ir maistinių medžiagų tiekimą. Todėl, esant neribotoms investicijoms, hidroponika gali visiškai išlaisvinti augalų augimo potencialą. Mažas CO₂ kiekis₂koncentracija atidėjo Arabidopsis thaliana žydėjimo laiką, o didelė CO₂ koncentracija₂koncentracija paspartino ryžių žydėjimo laiką, sutrumpino augimo periodą iki 3 mėnesių ir dauginosi 4 kartas per metus. Papildant CO₂iki 785,7 μmol/mol dirbtiniame auginimo inde, sojų pupelių veislės „Enrei“ veisimo ciklas sutrumpėjo iki 70 dienų, ir per metus ji galėjo išauginti 5 kartas. Kai CO₂Kai koncentracija padidėjo iki 550 μmol/mol, Cajanus cajan žydėjimas vėlavo 8–9 dienomis, o vaisių užsimezgimas ir nokimas taip pat vėlavo 9 dienomis. Esant didelei CO₂ koncentracijai, Cajanus cajan kaupė netirpų cukrų.₂koncentracija, kuri gali paveikti augalų signalo perdavimą ir atidėti žydėjimą. Be to, augimo patalpoje su padidėjusiu CO₂ kiekiu₂, padidėja sojų pupelių žiedų skaičius ir kokybė, o tai palanku hibridizacijai, o jų hibridizacijos greitis yra daug didesnis nei lauke auginamų sojų pupelių.

Ateities perspektyvos

Šiuolaikinis žemės ūkis gali paspartinti augalų selekcijos procesą, taikydamas alternatyvų ir laboratorinį veisimą. Tačiau šie metodai turi tam tikrų trūkumų, tokių kaip griežti geografiniai reikalavimai, brangus darbo jėgos valdymas ir nestabilios gamtinės sąlygos, kurios negali garantuoti sėkmingo sėklų derliaus. Laboratoriniam veisimui įtakos turi klimato sąlygos, o kartų pridėjimo laikas yra ribotas. Tačiau molekulinių žymeklių veisimas tik pagreitina tikslinių veisimo požymių atranką ir nustatymą. Šiuo metu greitojo selekcijos technologija taikoma Gramineae, Leguminosae, Cruciferae ir kitiems augalams. Tačiau greitojo selekcijos augalų fabrikuose technologija visiškai pašalina klimato sąlygų įtaką ir gali reguliuoti augimo aplinką pagal augalų augimo ir vystymosi poreikius. Efektyviai derinant greitojo selekcijos augalų fabrikuose technologiją su tradiciniu veisimu, molekulinių žymeklių veisimu ir kitais selekcijos metodais, greitojo selekcijos sąlygomis galima sutrumpinti laiką, reikalingą homozigotinėms linijoms gauti po hibridizacijos, ir tuo pačiu metu galima atrinkti ankstyvąsias kartas, kad sutrumpėtų laikas, reikalingas idealiems požymiams ir veisimo kartoms gauti.

Pagrindinis augalų greitojo selekcijos technologijos taikymo gamyklose apribojimas yra tas, kad skirtingų kultūrų augimui ir vystymuisi reikalingos aplinkos sąlygos yra gana skirtingos, o norint pasiekti tinkamas aplinkos sąlygas tikslinių kultūrų greitam selekcijos procesui, reikia daug laiko. Tuo pačiu metu, dėl didelių augalų gamyklų statybos ir eksploatavimo sąnaudų, sunku atlikti didelio masto adityvinio selekcijos eksperimentus, o tai dažnai lemia ribotą sėklų derlių, o tai gali apriboti tolesnį lauko savybių vertinimą. Palaipsniui tobulinant ir tobulinant augalų gamyklų įrangą bei technologijas, augalų gamyklų statybos ir eksploatavimo sąnaudos palaipsniui mažėja. Efektyviai derinant augalų gamyklų greitojo selekcijos technologiją su kitais selekcijos metodais, galima dar labiau optimizuoti greitojo selekcijos technologiją ir sutrumpinti selekcijos ciklą.

PABAIGA

Cituota informacija

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Augalų gamyklų greitojo veisimo technologijos tyrimų pažanga [J]. Žemės ūkio inžinerijos technologijos, 2022, 42 (22): 46–49.