Siltumnīcu dārzkopības lauksaimniecības inženiertehnoloģijaPublicēts 2022. gada 14. oktobrī plkst. 17:30 Pekinā

Līdz ar nepārtraukto pasaules iedzīvotāju skaita pieaugumu, cilvēku pieprasījums pēc pārtikas pieaug ar katru dienu, un tiek izvirzītas augstākas prasības pārtikas uzturam un drošībai. Augstražīgu un augstas kvalitātes kultūraugu audzēšana ir svarīgs līdzeklis pārtikas problēmu risināšanai. Tomēr tradicionālās selekcijas metodes prasa ilgu laiku, lai izaudzētu izcilas šķirnes, kas ierobežo selekcijas progresu. Viengadīgām pašapputes kultūrām no sākotnējās vecāku krustošanas līdz jaunas šķirnes iegūšanai var paiet 10–15 gadi. Tāpēc, lai paātrinātu kultūraugu selekcijas progresu, ir steidzami jāuzlabo selekcijas efektivitāte un jāsaīsina paaudzes laiks.

Ātrā selekcija nozīmē maksimāli palielināt augu augšanas ātrumu, paātrināt ziedēšanu un augļošanu, kā arī saīsināt selekcijas ciklu, kontrolējot vides apstākļus pilnībā slēgtā kontrolētas vides augšanas telpā. Augu fabrika ir lauksaimniecības sistēma, kas var sasniegt augstas efektivitātes kultūraugu ražošanu, pateicoties augstas precizitātes vides kontrolei telpās, un tā ir ideāla vide ātrai selekcijai. Stādīšanas vides apstākļi, piemēram, gaisma, temperatūra, mitrums un CO2 koncentrācija fabrikā, ir relatīvi kontrolējami, un tos neietekmē vai mazāk ietekmē ārējais klimats. Kontrolētos vides apstākļos optimāla gaismas intensitāte, gaismas laiks un temperatūra var paātrināt dažādus augu fizioloģiskos procesus, īpaši fotosintēzi un ziedēšanu, tādējādi saīsinot kultūraugu augšanas laiku. Izmantojot augu fabrikas tehnoloģiju, lai kontrolētu kultūraugu augšanu un attīstību, augļu novākšana iepriekš, ja vien dažas sēklas ar dīgtspēju var apmierināt selekcijas vajadzības.

Fotoperiods, galvenais vides faktors, kas ietekmē kultūraugu augšanas ciklu

Gaismas cikls attiecas uz gaismas un tumsas periodu maiņu diennaktī. Gaismas cikls ir svarīgs faktors, kas ietekmē kultūraugu augšanu, attīstību, ziedēšanu un augļošanu. Izjūtot gaismas cikla izmaiņas, kultūraugi var pāriet no veģetatīvās augšanas uz reproduktīvo augšanu un pilnīgu ziedēšanu un augļošanu. Dažādām kultūraugu šķirnēm un genotipiem ir atšķirīga fizioloģiska reakcija uz fotoperioda izmaiņām. Ilgsaules augiem, kad saules spīdēšanas laiks pārsniedz kritisko saules spīdēšanas ilgumu, ziedēšanas laiks parasti tiek paātrināts, pagarinot fotoperiodu, piemēram, auzām, kviešiem un miežiem. Neitrālie augi, piemēram, rīsi, kukurūza un gurķi, ziedēs neatkarīgi no fotoperioda. Īssaules augiem, piemēram, kokvilnai, sojas pupiņām un prosai, ziedēšanai nepieciešams īsāks fotoperiods nekā kritiskais saules spīdēšanas ilgums. Mākslīgās vides apstākļos ar 8 stundu apgaismojumu un 30 ℃ augstu temperatūru amaranta ziedēšanas laiks ir vairāk nekā 40 dienas agrāks nekā lauka apstākļos. Apstrādājot 16/8 h gaismas ciklu (gaisma/tumsa), visi septiņi miežu genotipi ziedēja agri: Franklin (36 dienas), Gairdner (35 dienas), Gimmett (33 dienas), Commander (30 dienas), Fleet (29 dienas), Baudin (26 dienas) un Lockyer (25 dienas).

Mākslīgā vidē kviešu augšanas periodu var saīsināt, izmantojot embriju kultūru stādu iegūšanai un pēc tam apstarojot 16 stundas, un katru gadu var iegūt 8 paaudzes. Zirņu augšanas periods tika saīsināts no 143 dienām lauka vidē līdz 67 dienām mākslīgā siltumnīcā ar 16 stundu apgaismojumu. Vēl vairāk pagarinot fotoperiodu līdz 20 stundām un apvienojot to ar 21°C/16°C (diena/nakts), zirņu augšanas periodu var saīsināt līdz 68 dienām, un sēklu iesēšanas ātrums ir 97,8%. Kontrolētā vidē pēc 20 stundu fotoperioda apstrādes no sējas līdz ziedēšanai paiet 32 ​​dienas, un viss augšanas periods ir 62–71 diena, kas ir par vairāk nekā 30 dienām īsāks nekā lauka apstākļos. Mākslīgās siltumnīcas apstākļos ar 22 stundu fotoperiodu kviešu, miežu, rapša un turku zirņu ziedēšanas laiks tiek saīsināts vidēji attiecīgi par 22, 64, 73 un 33 dienām. Apvienojumā ar agru sēklu novākšanu agrās ražas sēklu dīgtspēja var sasniegt vidēji attiecīgi 92%, 98%, 89% un 94%, kas pilnībā atbilst selekcijas vajadzībām. Ātrākās šķirnes var nepārtraukti ražot 6 paaudzes (kvieši) un 7 paaudzes (kvieši). 22 stundu fotoperioda apstākļos auzu ziedēšanas laiks samazinājās par 11 dienām, un 21 dienu pēc ziedēšanas varēja garantēt vismaz 5 dzīvotspējīgas sēklas, un katru gadu varēja nepārtraukti pavairot piecas paaudzes. Mākslīgajā siltumnīcā ar 22 stundu apgaismojumu lēcu augšanas periods saīsinājās līdz 115 dienām, un tās var vairoties 3–4 paaudzes gadā. 24 stundu nepārtraukta apgaismojuma apstākļos mākslīgajā siltumnīcā zemesriekstu augšanas cikls samazinājās no 145 dienām līdz 89 dienām, un tās var pavairot 4 paaudzes viena gada laikā.

Gaismas kvalitāte

Gaismai ir būtiska loma augu augšanā un attīstībā. Gaisma var kontrolēt ziedēšanu, ietekmējot daudzus fotoreceptorus. Sarkanās gaismas (R) un zilās gaismas (B) attiecība ir ļoti svarīga kultūraugu ziedēšanai. Sarkanās gaismas viļņa garums 600–700 nm satur hlorofila absorbcijas maksimumu 660 nm, kas var efektīvi veicināt fotosintēzi. Zilās gaismas viļņa garums 400–500 nm ietekmēs augu fototropismu, atvārsnīšu atvēršanos un stādu augšanu. Kviešiem sarkanās un zilās gaismas attiecība ir aptuveni 1, kas var izraisīt ziedēšanu visātrāk. Ja gaismas kvalitāte ir R:B = 4:1, vidēja un vēla nogatavošanās sojas pupiņu šķirņu augšanas periods saīsinājās no 120 dienām līdz 63 dienām, un auga augstums un barības vielu biomasa samazinājās, bet sēklu raža netika ietekmēta, kas varēja apmierināt vismaz vienas sēklas pieprasījumu no viena auga, un nenobriedušu sēklu vidējais dīgtspējas rādītājs bija 81,7%. 10 stundu apgaismojuma un zilās gaismas piedevas apstākļos sojas pupiņu augi kļuva īsi un spēcīgi, uzziedēja 23 dienas pēc sēšanas, nogatavojās 77 dienu laikā un varēja vairoties 5 paaudzes viena gada laikā.

Arī sarkanās gaismas un tālās sarkanās gaismas (FR) attiecība ietekmē augu ziedēšanu. Fotosensitīvi pigmenti pastāv divās formās: tālās sarkanās gaismas absorbcija (Pfr) un sarkanās gaismas absorbcija (Pr). Pie zemas R:FR attiecības fotosensitīvi pigmenti tiek pārveidoti no Pfr par Pr, kas veicina garās dienas augu ziedēšanu. Izmantojot LED gaismas, lai regulētu atbilstošu R:FR (0,66~1,07), var palielināt auga augstumu, veicināt garās dienas augu (piemēram, ipomejas un lauvmutītes) ziedēšanu un kavēt īsās dienas augu (piemēram, samteņu) ziedēšanu. Ja R:FR ir lielāks par 3,1, lēcu ziedēšanas laiks aizkavējas. Samazinot R:FR līdz 1,9, var iegūt vislabāko ziedēšanas efektu, un tās var ziedēt 31. dienā pēc sēšanas. Sarkanās gaismas ietekmi uz ziedēšanas kavēšanu mediē fotosensitīvs pigments Pr. Pētījumi liecina, ka, ja R:FR ir lielāks par 3,5, piecu pākšaugu (zirņu, turku zirņu, platpupu, lēcu un lupīnu) ziedēšanas laiks aizkavēsies. Dažos amaranta un rīsu genotipos tāli sarkanā gaisma tiek izmantota, lai paātrinātu ziedēšanu attiecīgi par 10 un 20 dienām.

Mēslojuma CO₂

CO₂ir galvenais fotosintēzes oglekļa avots. Augsta CO2 koncentrācija.₂parasti var veicināt C3 viengadīgo augu augšanu un vairošanos, savukārt zemas koncentrācijas CO₂var samazināt augšanas un vairošanās ražu oglekļa ierobežojuma dēļ. Piemēram, C3 augu, piemēram, rīsu un kviešu, fotosintēzes efektivitāte palielinās, palielinoties CO2 daudzumam.₂līmenī, kā rezultātā palielinās biomasa un notiek agrīna ziedēšana. Lai realizētu CO2 pozitīvo ietekmi₂Lai palielinātu koncentrāciju, var būt nepieciešams optimizēt ūdens un barības vielu piegādi. Tādēļ, veicot neierobežotas investīcijas, hidroponika var pilnībā atbrīvot augu augšanas potenciālu. Zems CO2 līmenis.₂koncentrācija aizkavēja Arabidopsis thaliana ziedēšanas laiku, savukārt augsta CO₂koncentrācija paātrināja rīsu ziedēšanas laiku, saīsināja rīsu augšanas periodu līdz 3 mēnešiem un vairojās 4 paaudzes gadā. Papildinot CO₂līdz 785,7 μmol/mol mākslīgajā audzēšanas kastē, sojas pupiņu šķirnes 'Enrei' selekcijas cikls tika saīsināts līdz 70 dienām, un tā varēja pārot 5 paaudzes viena gada laikā. Kad CO₂koncentrācija palielinājās līdz 550 μmol/mol, Cajanus cajan ziedēšana aizkavējās par 8–9 dienām, un augļu aizmešanās un nogatavošanās laiks arī aizkavējās par 9 dienām. Cajanus cajan uzkrāja nešķīstošu cukuru augstā CO2 līmenī.₂koncentrācija, kas var ietekmēt augu signāla pārraidi un aizkavēt ziedēšanu. Turklāt augšanas telpā ar paaugstinātu CO₂, palielinās sojas ziedu skaits un kvalitāte, kas veicina hibridizāciju, un to hibridizācijas ātrums ir daudz augstāks nekā laukā audzētām sojas pupiņām.

Nākotnes perspektīvas

Mūsdienu lauksaimniecība var paātrināt kultūraugu selekcijas procesu, izmantojot alternatīvu selekciju un laboratorijas selekciju. Tomēr šīm metodēm ir daži trūkumi, piemēram, stingras ģeogrāfiskās prasības, dārga darbaspēka pārvaldība un nestabili dabas apstākļi, kas nevar garantēt veiksmīgu sēklu ražu. Laboratorisko selekciju ietekmē klimatiskie apstākļi, un paaudžu pievienošanas laiks ir ierobežots. Tomēr molekulāro marķieru selekcija tikai paātrina selekcijas mērķa pazīmju atlasi un noteikšanu. Pašlaik ātrās selekcijas tehnoloģija tiek pielietota graudzāļu, pākšaugu, krustziežu un citām kultūrām. Tomēr augu fabrikas ātrās paaudžu selekcija pilnībā atbrīvojas no klimatisko apstākļu ietekmes un var regulēt augšanas vidi atbilstoši augu augšanas un attīstības vajadzībām. Apvienojot augu fabrikas ātrās selekcijas tehnoloģiju ar tradicionālo selekciju, molekulāro marķieru selekciju un citām selekcijas metodēm, ātrās selekcijas apstākļos var samazināt laiku, kas nepieciešams homozigotu līniju iegūšanai pēc hibridizācijas, un vienlaikus var atlasīt agrīnās paaudzes, lai saīsinātu laiku, kas nepieciešams ideālu pazīmju un audzēšanas paaudžu iegūšanai.

Augu ātrās selekcijas tehnoloģijas galvenais ierobežojums rūpnīcās ir tas, ka dažādu kultūraugu augšanai un attīstībai nepieciešamie vides apstākļi ir diezgan atšķirīgi, un mērķa kultūraugu ātrai selekcijas vides apstākļu iegūšana prasa ilgu laiku. Tajā pašā laikā augu fabrikas būvniecības un ekspluatācijas augsto izmaksu dēļ ir grūti veikt liela mēroga piedevu selekcijas eksperimentus, kas bieži vien noved pie ierobežotas sēklu ražas, kas var ierobežot turpmāko lauka īpašību novērtējumu. Pakāpeniski uzlabojot un pilnveidojot augu fabrikas aprīkojumu un tehnoloģijas, augu fabrikas būvniecības un ekspluatācijas izmaksas pakāpeniski samazinās. Ir iespējams vēl vairāk optimizēt ātrās selekcijas tehnoloģiju un saīsināt selekcijas ciklu, efektīvi apvienojot augu fabrikas ātrās selekcijas tehnoloģiju ar citām selekcijas metodēm.

BEIGAS

Citētā informācija

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Augu fabrikas ātrās selekcijas tehnoloģijas pētniecības progress [J]. Lauksaimniecības inženiertehnoloģija, 2022, 42(22):46-49.