Kasbouw, tuinbouw, landbouwtechniekGepubliceerd om 17:30 op 14 oktober 2022 in Peking

Met de voortdurende groei van de wereldbevolking neemt de vraag naar voedsel dagelijks toe, en worden er steeds hogere eisen gesteld aan de voedingswaarde en veiligheid van voedsel. Het telen van gewassen met een hoge opbrengst en hoge kwaliteit is een belangrijke manier om voedselproblemen op te lossen. De traditionele veredelingsmethoden kosten echter veel tijd om uitstekende rassen te ontwikkelen, wat de vooruitgang in de veredeling beperkt. Voor eenjarige, zelfbestuivende gewassen kan het 10 tot 15 jaar duren van de eerste kruising van de ouderplanten tot de productie van een nieuw ras. Om de vooruitgang in de gewasveredeling te versnellen, is het daarom dringend noodzakelijk om de veredelingsefficiëntie te verbeteren en de generatietijd te verkorten.

Snelle veredeling houdt in dat de groeisnelheid van planten wordt gemaximaliseerd, de bloei en vruchtvorming worden versneld en de veredelingscyclus wordt verkort door de omgevingsomstandigheden te beheersen in een volledig gesloten, gecontroleerde groeiruimte. Een plantenfabriek is een landbouwsysteem dat een zeer efficiënte gewasproductie mogelijk maakt door middel van nauwkeurige omgevingscontrole in faciliteiten, en het is een ideale omgeving voor snelle veredeling. De omgevingsomstandigheden voor de teelt, zoals licht, temperatuur, luchtvochtigheid en CO2-concentratie, zijn in de fabriek relatief goed te beheersen en worden niet of nauwelijks beïnvloed door het externe klimaat. Onder gecontroleerde omgevingsomstandigheden kunnen de optimale lichtintensiteit, lichtduur en temperatuur verschillende fysiologische processen van planten versnellen, met name fotosynthese en bloei, waardoor de generatietijd van de gewasgroei wordt verkort. Door de plantenfabriektechnologie te gebruiken om de groei en ontwikkeling van gewassen te controleren en vruchten vroegtijdig te oogsten, kan, zolang er maar een paar kiemkrachtige zaden zijn, aan de veredelingsbehoeften worden voldaan.

Fotoperiode, de belangrijkste omgevingsfactor die de groeicyclus van gewassen beïnvloedt

De lichtcyclus verwijst naar de afwisseling van licht- en donkerperioden gedurende de dag. De lichtcyclus is een belangrijke factor die de groei, ontwikkeling, bloei en vruchtzetting van gewassen beïnvloedt. Door de verandering in de lichtcyclus waar te nemen, kunnen gewassen overschakelen van vegetatieve groei naar reproductieve groei en uiteindelijk bloeien en vrucht dragen. Verschillende gewasvariëteiten en -genotypen hebben verschillende fysiologische reacties op veranderingen in de fotoperiode. Bij planten die veel zonlicht nodig hebben, wordt de bloeitijd meestal versneld zodra de zonduur de kritische zonduur overschrijdt, zoals bij haver, tarwe en gerst. Neutrale planten, zoals rijst, maïs en komkommer, bloeien ongeacht de fotoperiode. Kortdagplanten, zoals katoen, sojabonen en gierst, hebben een fotoperiode nodig die korter is dan de kritische zonduur om te bloeien. Onder kunstmatige omstandigheden met 8 uur licht en een hoge temperatuur van 30 °C bloeit amarant meer dan 40 dagen eerder dan in het veld. Bij een lichtcyclus van 16/8 uur (licht/donker) bloeiden alle zeven gerstgenotypen vroeg: Franklin (36 dagen), Gairdner (35 dagen), Gimmett (33 dagen), Commander (30 dagen), Fleet (29 dagen), Baudin (26 dagen) en Lockyer (25 dagen).

Onder kunstmatige omstandigheden kan de groeiperiode van tarwe worden verkort door embryocultuur te gebruiken om zaailingen te verkrijgen, die vervolgens 16 uur per dag worden bestraald. Hierdoor kunnen jaarlijks 8 generaties worden geproduceerd. De groeiperiode van erwten werd verkort van 143 dagen in het veld tot 67 dagen in een kunstmatige kas met 16 uur licht. Door de fotoperiode verder te verlengen tot 20 uur en dit te combineren met een dag-nachtcyclus van 21 °C/16 °C, kan de groeiperiode van erwten worden verkort tot 68 dagen, met een zaadzettingspercentage van 97,8%. Onder gecontroleerde omstandigheden duurt het na een fotoperiode van 20 uur 32 dagen van zaaien tot bloei, en de totale groeiperiode bedraagt ​​62-71 dagen, wat meer dan 30 dagen korter is dan in het veld. Onder kunstmatige kasomstandigheden met een fotoperiode van 22 uur wordt de bloeitijd van tarwe, gerst, koolzaad en kikkererwten gemiddeld met respectievelijk 22, 64, 73 en 33 dagen verkort. In combinatie met een vroege oogst van zaden kunnen de kiempercentages van vroeg geoogste zaden gemiddeld respectievelijk 92%, 98%, 89% en 94% bereiken, wat ruimschoots voldoet aan de behoeften van de veredeling. De snelstgroeiende variëteiten kunnen continu 6 (tarwe) en 7 (tarwe) generaties produceren. Onder omstandigheden met een fotoperiode van 22 uur wordt de bloeitijd van haver met 11 dagen verkort, en 21 dagen na de bloei kunnen ten minste 5 kiemkrachtige zaden worden gegarandeerd, waardoor vijf generaties per jaar continu kunnen worden vermeerderd. In een kunstmatige kas met 22 uur licht wordt de groeiperiode van linzen verkort tot 115 dagen, en kunnen ze 3-4 generaties per jaar produceren. Onder de voorwaarde van 24 uur per dag continue verlichting in een kunstmatige kas wordt de groeicyclus van pinda's verkort van 145 dagen tot 89 dagen, en kunnen er in één jaar 4 generaties worden vermeerderd.

Lichtkwaliteit

Licht speelt een essentiële rol in de groei en ontwikkeling van planten. Licht kan de bloei beïnvloeden door vele fotoreceptoren te beïnvloeden. De verhouding tussen rood licht (R) en blauw licht (B) is zeer belangrijk voor de bloei van gewassen. Rood licht met een golflengte van 600-700 nm bevat de absorptiepiek van chlorofyl bij 660 nm, wat de fotosynthese effectief kan bevorderen. Blauw licht met een golflengte van 400-500 nm beïnvloedt de fototropie van planten, de opening van de huidmondjes en de groei van zaailingen. Bij tarwe kan een verhouding van rood licht tot blauw licht van ongeveer 1 de bloei zo vroeg mogelijk induceren. Onder een lichtverhouding van R:B = 4:1 werd de groeiperiode van middel- en laatrijpende sojabonenrassen verkort van 120 dagen naar 63 dagen. De planthoogte en de voedingsbiomassa namen af, maar de zaadopbrengst bleef gelijk; er werd minimaal één zaad per plant geproduceerd. Het gemiddelde kiempercentage van onrijpe zaden bedroeg 81,7%. Onder de voorwaarde van 10 uur belichting en aanvulling met blauw licht werden sojabonenplanten kort en sterk, bloeiden ze 23 dagen na het zaaien, waren ze binnen 77 dagen rijp en konden ze zich gedurende 5 generaties per jaar voortplanten.

De verhouding tussen rood licht en verrood licht (FR) beïnvloedt ook de bloei van planten. Lichtgevoelige pigmenten bestaan ​​in twee vormen: absorptie van verrood licht (Pfr) en absorptie van rood licht (Pr). Bij een lage R:FR-verhouding worden lichtgevoelige pigmenten omgezet van Pfr naar Pr, wat leidt tot bloei bij langdagplanten. Door LED-verlichting te gebruiken om de juiste R:FR-verhouding (0,66-1,07) te reguleren, kan de planthoogte toenemen, de bloei van langdagplanten (zoals winde en leeuwenbek) worden bevorderd en de bloei van kortdagplanten (zoals goudsbloem) worden geremd. Wanneer de R:FR-verhouding groter is dan 3,1, wordt de bloeitijd van linzen vertraagd. Het verlagen van de R:FR-verhouding tot 1,9 geeft het beste bloei-effect, waarbij de planten al op de 31e dag na het zaaien bloeien. Het effect van rood licht op de remming van de bloei wordt gemedieerd door het lichtgevoelige pigment Pr. Uit onderzoek is gebleken dat wanneer de R:FR-verhouding hoger is dan 3,5, de bloeitijd van vijf peulvruchten (erwt, kikkererwt, tuinboon, linze en lupine) wordt vertraagd. Bij sommige genotypes van amarant en rijst wordt verrood licht gebruikt om de bloei respectievelijk met 10 en 20 dagen te vervroegen.

Meststof CO₂

CO₂is de belangrijkste koolstofbron voor fotosynthese. Hoge CO₂-concentratie₂kan doorgaans de groei en voortplanting van C3-eenjarige planten bevorderen, terwijl een lage CO₂-concentratie₂Dit kan de groei en de opbrengst van de voortplanting verminderen als gevolg van koolstofbeperking. De fotosynthetische efficiëntie van C3-planten, zoals rijst en tarwe, neemt bijvoorbeeld toe met de toename van CO₂.₂niveau, wat resulteert in een toename van de biomassa en een vroegere bloei. Om de positieve impact van CO₂ te realiseren.₂Bij een hogere concentratie kan het nodig zijn om de water- en voedingsstoffenvoorziening te optimaliseren. Daarom kan hydrocultuur, onder de voorwaarde van onbeperkte investeringen, het volledige groeipotentieel van planten benutten. Lage CO₂-concentratie₂Een hoge CO₂-concentratie vertraagde de bloeitijd van Arabidopsis thaliana, terwijl een hoge CO₂-concentratie de bloeitijd vertraagde.₂Door CO₂-toevoeging werd de bloeitijd van rijst versneld, de groeiperiode verkort tot 3 maanden en werden er 4 generaties per jaar geproduceerd.₂Bij een CO₂-concentratie van 785,7 μmol/mol in de kunstmatige groeikamer werd de kweekcyclus van het sojabonenras 'Enrei' verkort tot 70 dagen, waardoor er 5 generaties per jaar konden worden gekweekt.₂Bij een concentratie van 550 μmol/mol werd de bloei van Cajanus cajan met 8 tot 9 dagen vertraagd, en de vruchtzetting en rijpingstijd werden eveneens met 9 dagen vertraagd. Cajanus cajan accumuleerde onoplosbare suikers bij een hoge CO₂-concentratie.₂concentratie, wat de signaaloverdracht van planten kan beïnvloeden en de bloei kan vertragen. Bovendien kan dit in de groeiruimte met verhoogde CO₂-concentratie een negatieve invloed hebben.₂Het aantal en de kwaliteit van de sojabonenbloemen nemen toe, wat bevorderlijk is voor hybridisatie, en het hybridisatiepercentage is veel hoger dan dat van sojabonen die in het veld worden geteeld.

Toekomstperspectieven

Moderne landbouw kan het proces van gewasveredeling versnellen door middel van alternatieve veredeling en kweek in fabrieken. Deze methoden hebben echter enkele nadelen, zoals strikte geografische eisen, hoge arbeidskosten en instabiele natuurlijke omstandigheden, waardoor een succesvolle zaadoogst niet gegarandeerd kan worden. Kweek in fabrieken is afhankelijk van klimatologische omstandigheden en de tijd voor het toevoegen van generaties is beperkt. Moleculaire merkerveredeling daarentegen versnelt de selectie en bepaling van de gewenste veredelingseigenschappen. Momenteel wordt snelle veredelingstechnologie toegepast op grassen, peulvruchten, kruisbloemigen en andere gewassen. Snelle generatieveredeling in plantenfabrieken elimineert echter volledig de invloed van klimatologische omstandigheden en kan de groeiomgeving reguleren naar de behoeften van de plantengroei en -ontwikkeling. Door snelle generatieveredeling in plantenfabrieken effectief te combineren met traditionele veredeling, moleculaire merkerveredeling en andere veredelingsmethoden, kan de tijd die nodig is om homozygote lijnen na hybridisatie te verkrijgen, worden verkort. Tegelijkertijd kunnen vroege generaties worden geselecteerd om de tijd die nodig is om ideale eigenschappen en veredelingsgeneraties te verkrijgen, te verkorten.

De belangrijkste beperking van snelle plantenveredeling in fabrieken is dat de omgevingsomstandigheden die nodig zijn voor de groei en ontwikkeling van verschillende gewassen sterk verschillen, en dat het lang duurt om de juiste omstandigheden voor snelle veredeling van de beoogde gewassen te creëren. Tegelijkertijd is het, vanwege de hoge kosten van de bouw en exploitatie van een plantenfabriek, moeilijk om grootschalige additieve veredelingsexperimenten uit te voeren, wat vaak leidt tot een beperkte zaadopbrengst en daardoor de daaropvolgende veldevaluatie kan belemmeren. Door de geleidelijke verbetering van de apparatuur en technologie in plantenfabrieken dalen de bouw- en exploitatiekosten ervan. Door de snelle plantenveredeling in fabrieken effectief te combineren met andere veredelingstechnieken, is het mogelijk de snelle veredelingstechnologie verder te optimaliseren en de veredelingscyclus te verkorten.

EINDE

Geciteerde informatie

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Onderzoeksvooruitgang in de snelle veredelingstechnologie voor plantenfabrieken [J]. Landbouwtechniek, 2022, 42(22): 46-49.