مهندسی فناوری کشاورزی باغبانی گلخانهایمنتشر شده در ساعت ۱۷:۳۰ در ۱۴ اکتبر ۲۰۲۲ در پکن
با افزایش مداوم جمعیت جهان، تقاضای مردم برای غذا روز به روز در حال افزایش است و الزامات بالاتری برای تغذیه و ایمنی مواد غذایی مطرح میشود. کشت محصولات پربازده و باکیفیت، وسیلهای مهم برای حل مشکلات غذایی است. با این حال، روش اصلاح سنتی برای پرورش گونههای عالی زمان زیادی میبرد که پیشرفت اصلاح نژاد را محدود میکند. برای محصولات خودگردهافشان یک ساله، ممکن است 10 تا 15 سال از تلاقی اولیه والدین تا تولید گونه جدید طول بکشد. بنابراین، برای سرعت بخشیدن به پیشرفت اصلاح نژاد محصولات، بهبود راندمان اصلاح نژاد و کوتاه کردن زمان تولید نسل ضروری است.
پرورش سریع به معنای به حداکثر رساندن سرعت رشد گیاهان، تسریع گلدهی و میوهدهی و کوتاه کردن چرخه پرورش با کنترل شرایط محیطی در یک اتاق رشد کاملاً بسته و کنترلشده است. کارخانه گیاهی یک سیستم کشاورزی است که میتواند از طریق کنترل دقیق محیطی در تأسیسات، به تولید محصول با راندمان بالا دست یابد و محیطی ایدهآل برای پرورش سریع است. شرایط محیط کاشت مانند نور، دما، رطوبت و غلظت CO2 در کارخانه نسبتاً قابل کنترل است و تحت تأثیر آب و هوای خارجی قرار نمیگیرد یا کمتر تحت تأثیر قرار میگیرد. در شرایط محیطی کنترلشده، بهترین شدت نور، زمان نور و دما میتواند فرآیندهای مختلف فیزیولوژیکی گیاهان، به ویژه فتوسنتز و گلدهی را تسریع کند و در نتیجه زمان تولید مثل رشد محصول را کوتاه کند. استفاده از فناوری کارخانه گیاهی برای کنترل رشد و نمو محصول، برداشت میوهها از قبل، تا زمانی که چند بذر با قابلیت جوانهزنی بتوانند نیازهای پرورش را برآورده کنند.
دوره نوری، عامل محیطی اصلی مؤثر بر چرخه رشد محصول
چرخه نور به تناوب دوره نور و دوره تاریکی در یک روز اشاره دارد. چرخه نور عامل مهمی است که بر رشد، نمو، گلدهی و میوهدهی محصولات کشاورزی تأثیر میگذارد. با حس کردن تغییر چرخه نور، محصولات میتوانند از رشد رویشی به رشد زایشی و گلدهی و میوهدهی کامل تغییر کنند. گونهها و ژنوتیپهای مختلف محصولات کشاورزی پاسخهای فیزیولوژیکی متفاوتی به تغییرات دوره نوری دارند. گیاهانی که به مدت طولانی در معرض نور خورشید قرار دارند، هنگامی که زمان تابش آفتاب از طول بحرانی آفتاب فراتر میرود، معمولاً با طولانی شدن دوره نوری، زمان گلدهی آنها تسریع میشود، مانند جو دوسر، گندم و جو. گیاهان خنثی، صرف نظر از دوره نوری، مانند برنج، ذرت و خیار، شکوفا میشوند. گیاهان روز کوتاه، مانند پنبه، سویا و ارزن، برای شکوفه دادن به دوره نوری کمتر از طول بحرانی آفتاب نیاز دارند. در شرایط محیط مصنوعی ۸ ساعت نور و دمای بالای ۳۰ درجه سانتیگراد، زمان گلدهی آمارانت بیش از ۴۰ روز زودتر از محیط مزرعه است. تحت تیمار چرخه نوری ۱۶/۸ ساعته (روشنایی/تاریکی)، هر هفت ژنوتیپ جو زود شکوفا شدند: فرانکلین (۳۶ روز)، گیردنر (۳۵ روز)، گیمت (۳۳ روز)، کوماندر (۳۰ روز)، فلیت (۲۹ روز)، باودین (۲۶ روز) و لاکیر (۲۵ روز).
در محیط مصنوعی، میتوان دوره رشد گندم را با استفاده از کشت جنین برای به دست آوردن نهال و سپس تابش به مدت ۱۶ ساعت کوتاه کرد و هر ساله ۸ نسل تولید کرد. دوره رشد نخود فرنگی از ۱۴۳ روز در محیط مزرعه به ۶۷ روز در گلخانه مصنوعی با ۱۶ ساعت نور کاهش یافت. با طولانیتر کردن دوره نوری به ۲۰ ساعت و ترکیب آن با ۲۱ درجه سانتیگراد/۱۶ درجه سانتیگراد (روز/شب)، دوره رشد نخود فرنگی میتواند به ۶۸ روز کوتاه شود و میزان تشکیل بذر ۹۷.۸٪ است. در شرایط محیط کنترل شده، پس از ۲۰ ساعت تیمار دوره نوری، از کاشت تا گلدهی ۳۲ روز طول میکشد و کل دوره رشد ۶۲-۷۱ روز است که بیش از ۳۰ روز کوتاهتر از شرایط مزرعه است. در شرایط گلخانه مصنوعی با ۲۲ ساعت دوره نوری، زمان گلدهی گندم، جو، کلزا و نخود به طور متوسط به ترتیب ۲۲، ۶۴، ۷۳ و ۳۳ روز کوتاهتر میشود. همراه با برداشت زودهنگام بذرها، میزان جوانهزنی بذرهای برداشت زودهنگام میتواند به طور متوسط به ترتیب به ۹۲٪، ۹۸٪، ۸۹٪ و ۹۴٪ برسد که میتواند نیازهای اصلاح نژاد را به طور کامل برآورده کند. سریعترین گونهها میتوانند به طور مداوم ۶ نسل (گندم) و ۷ نسل (گندم) تولید کنند. تحت شرایط دوره نوری ۲۲ ساعته، زمان گلدهی جو دوسر ۱۱ روز کاهش یافت و ۲۱ روز پس از گلدهی، حداقل ۵ بذر زنده تضمین شد و هر ساله میتوان به طور مداوم پنج نسل را تکثیر کرد. در گلخانه مصنوعی با روشنایی ۲۲ ساعته، دوره رشد عدس به ۱۱۵ روز کاهش مییابد و آنها میتوانند ۳ تا ۴ نسل در سال تولید مثل کنند. تحت شرایط روشنایی مداوم ۲۴ ساعته در گلخانه مصنوعی، چرخه رشد بادام زمینی از ۱۴۵ روز به ۸۹ روز کاهش مییابد و میتوان آن را در یک سال به مدت ۴ نسل تکثیر کرد.
کیفیت نور
نور نقش حیاتی در رشد و نمو گیاهان دارد. نور میتواند با تأثیر بر بسیاری از گیرندههای نوری، گلدهی را کنترل کند. نسبت نور قرمز (R) به نور آبی (B) برای گلدهی محصولات بسیار مهم است. طول موج نور قرمز ۶۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر حاوی پیک جذب کلروفیل ۶۶۰ نانومتر است که میتواند به طور مؤثر فتوسنتز را تقویت کند. طول موج نور آبی ۴۰۰ تا ۵۰۰ نانومتر بر نورگرایی گیاه، باز شدن روزنهها و رشد گیاهچه تأثیر میگذارد. در گندم، نسبت نور قرمز به نور آبی حدود ۱ است که میتواند گلدهی را در اسرع وقت القا کند. تحت کیفیت نور R:B=4:1، دوره رشد انواع سویای میانرس و دیررس از ۱۲۰ روز به ۶۳ روز کوتاه شد و ارتفاع گیاه و زیست توده غذایی کاهش یافت، اما عملکرد دانه تحت تأثیر قرار نگرفت، که میتوانست حداقل یک دانه در هر گیاه را تأمین کند و میانگین سرعت جوانهزنی دانههای نارس ۸۱.۷ درصد بود. تحت شرایط روشنایی 10 ساعته و نور آبی مکمل، گیاهان سویا کوتاه و قوی شدند، 23 روز پس از کاشت شکوفا شدند، ظرف 77 روز بالغ شدند و توانستند در یک سال 5 نسل تولید مثل کنند.
نسبت نور قرمز به نور قرمز دور (FR) نیز بر گلدهی گیاهان تأثیر میگذارد. رنگدانههای حساس به نور به دو شکل وجود دارند: جذب نور قرمز دور (Pfr) و جذب نور قرمز (Pr). در نسبت R:FR پایین، رنگدانههای حساس به نور از Pfr به Pr تبدیل میشوند که منجر به گلدهی گیاهان روز بلند میشود. استفاده از چراغهای LED برای تنظیم R:FR مناسب (0.66~1.07) میتواند ارتفاع گیاه را افزایش دهد، گلدهی گیاهان روز بلند (مانند نیلوفر پیچ و گل میمون) را افزایش دهد و گلدهی گیاهان روز کوتاه (مانند گل همیشه بهار) را مهار کند. وقتی R:FR بیشتر از 3.1 باشد، زمان گلدهی عدس به تأخیر میافتد. کاهش R:FR به 1.9 میتواند بهترین اثر گلدهی را داشته باشد و میتواند در 31 روز پس از کاشت شکوفا شود. تأثیر نور قرمز بر مهار گلدهی توسط رنگدانه حساس به نور Pr انجام میشود. مطالعات نشان دادهاند که وقتی نسبت R:FR بالاتر از ۳.۵ باشد، زمان گلدهی پنج گیاه حبوبات (نخود فرنگی، نخود، باقلا، عدس و لوپین) به تأخیر میافتد. در برخی از ژنوتیپهای آمارانت و برنج، از نور قرمز دور برای جلو انداختن گلدهی به ترتیب ۱۰ روز و ۲۰ روز استفاده میشود.
کود CO۲
CO۲منبع اصلی کربن فتوسنتز است. غلظت بالای CO2۲معمولاً میتواند رشد و تولید مثل گیاهان یکساله C3 را افزایش دهد، در حالی که غلظت پایین CO2۲ممکن است به دلیل محدودیت کربن، رشد و تولید مثل را کاهش دهد. به عنوان مثال، راندمان فتوسنتز گیاهان C3 مانند برنج و گندم با افزایش CO2 افزایش مییابد.۲سطح، منجر به افزایش زیست توده و گلدهی زودهنگام میشود. به منظور تحقق تأثیر مثبت CO2۲با افزایش غلظت، ممکن است بهینهسازی تأمین آب و مواد مغذی ضروری باشد. بنابراین، تحت شرایط سرمایهگذاری نامحدود، هیدروپونیک میتواند پتانسیل رشد گیاهان را به طور کامل آزاد کند. CO2 کم۲غلظت بالای CO2 زمان گلدهی گیاه Arabidopsis thaliana را به تأخیر انداخت، در حالی که غلظت بالای CO2۲غلظت CO2 زمان گلدهی برنج را تسریع کرد، دوره رشد برنج را به ۳ ماه کوتاه کرد و ۴ نسل در سال تکثیر کرد. با افزودن CO2۲با رساندن غلظت CO به 785.7 میکرومول بر مول در جعبه رشد مصنوعی، چرخه تولید مثل گونه سویای «انری» به 70 روز کاهش یافت و این گونه توانست در یک سال 5 نسل تولید مثل کند. وقتی CO۲غلظت به ۵۵۰ میکرومول بر مول افزایش یافت، گلدهی کاجانوس کاجان به مدت ۸ تا ۹ روز به تأخیر افتاد و زمان تشکیل میوه و رسیدن آن نیز به مدت ۹ روز به تأخیر افتاد. کاجانوس کاجان در غلظت بالای CO2 قند نامحلول را تجمع داد.۲غلظت، که ممکن است بر انتقال سیگنال گیاهان تأثیر بگذارد و گلدهی را به تأخیر بیندازد. علاوه بر این، در اتاق رشد با افزایش CO2۲، تعداد و کیفیت گلهای سویا افزایش مییابد که این امر برای هیبریداسیون مساعد است و سرعت هیبریداسیون آن بسیار بیشتر از سویاهایی است که در مزرعه کشت میشوند.
چشماندازهای آینده
کشاورزی مدرن میتواند با استفاده از روشهای اصلاح نژاد جایگزین و اصلاح نژاد در شرایط آزمایشگاهی، روند اصلاح نژاد محصولات کشاورزی را تسریع کند. با این حال، برخی کاستیها در این روشها وجود دارد، مانند الزامات جغرافیایی سختگیرانه، مدیریت پرهزینه نیروی کار و شرایط طبیعی ناپایدار که نمیتوانند برداشت موفقیتآمیز بذر را تضمین کنند. اصلاح نژاد در شرایط آزمایشگاهی تحت تأثیر شرایط آب و هوایی قرار دارد و زمان لازم برای اضافه کردن نسل محدود است. با این حال، اصلاح نژاد با نشانگر مولکولی فقط انتخاب و تعیین صفات هدف اصلاح نژاد را تسریع میکند. در حال حاضر، فناوری اصلاح نژاد سریع برای گرامینهها، حبوبات، چلیپاییان و سایر محصولات کشاورزی اعمال شده است. با این حال، اصلاح نژاد سریع کارخانهای گیاهان به طور کامل از تأثیر شرایط آب و هوایی خلاص میشود و میتواند محیط رشد را با توجه به نیازهای رشد و نمو گیاه تنظیم کند. ترکیب فناوری اصلاح نژاد سریع کارخانهای گیاهان با اصلاح نژاد سنتی، اصلاح نژاد با نشانگر مولکولی و سایر روشهای اصلاح نژاد به طور مؤثر، تحت شرایط اصلاح نژاد سریع، میتواند زمان لازم برای به دست آوردن لاینهای هموزیگوت پس از هیبریداسیون را کاهش دهد و در عین حال، میتوان نسلهای اولیه را برای کوتاه کردن زمان لازم برای به دست آوردن صفات ایدهآل و نسلهای اصلاح نژاد انتخاب کرد.
محدودیت اصلی فناوری اصلاح سریع گیاهان در کارخانهها این است که شرایط محیطی مورد نیاز برای رشد و توسعه محصولات مختلف کاملاً متفاوت است و دستیابی به شرایط محیطی برای اصلاح سریع محصولات هدف زمان زیادی میبرد. در عین حال، به دلیل هزینه بالای ساخت و بهرهبرداری از کارخانههای گیاهی، انجام آزمایشهای اصلاح افزایشی در مقیاس بزرگ دشوار است که اغلب منجر به محدود شدن عملکرد بذر میشود و ممکن است ارزیابی ویژگیهای مزرعهای بعدی را محدود کند. با بهبود و پیشرفت تدریجی تجهیزات و فناوری کارخانههای گیاهی، هزینه ساخت و بهرهبرداری از کارخانههای گیاهی به تدریج کاهش مییابد. میتوان با ترکیب مؤثر فناوری اصلاح سریع کارخانههای گیاهی با سایر تکنیکهای اصلاح، فناوری اصلاح سریع را بیشتر بهینه کرد و چرخه اصلاح را کوتاه نمود.
پایان
اطلاعات ذکر شده
لیو کایژه، لیو هوچنگ. پیشرفت تحقیقاتی فناوری پرورش سریع گیاهان در کارخانه [J]. فناوری مهندسی کشاورزی، 2022، 42(22): 46-49.
زمان ارسال: ۲۸ اکتبر ۲۰۲۲