Tecnologia de engenharia agrícola hortícola em estufaPublicado às 17h30 do dia 14 de outubro de 2022 em Pequim.

Com o crescimento contínuo da população mundial, a demanda por alimentos aumenta a cada dia, e exigências cada vez maiores são impostas em relação à nutrição e segurança alimentar. O cultivo de culturas de alto rendimento e alta qualidade é um meio importante para solucionar os problemas alimentares. No entanto, o método tradicional de melhoramento genético leva muito tempo para se obter variedades excelentes, o que limita o progresso do melhoramento. Para culturas anuais autopolinizadas, pode levar de 10 a 15 anos desde o cruzamento inicial dos genitores até a produção de uma nova variedade. Portanto, para acelerar o progresso do melhoramento genético, é urgente melhorar a eficiência do melhoramento e reduzir o tempo de geração.

O melhoramento genético acelerado consiste em maximizar a taxa de crescimento das plantas, acelerar a floração e a frutificação e encurtar o ciclo de cultivo, controlando as condições ambientais em uma câmara de crescimento totalmente fechada e com ambiente controlado. A fábrica de plantas é um sistema agrícola que permite a produção de culturas de alta eficiência por meio do controle ambiental preciso em suas instalações, sendo um ambiente ideal para o melhoramento genético acelerado. As condições ambientais de cultivo, como luz, temperatura, umidade e concentração de CO2, na fábrica são relativamente controláveis ​​e pouco ou nada afetadas pelo clima externo. Sob condições ambientais controladas, a intensidade luminosa, o tempo de exposição à luz e a temperatura ideais podem acelerar diversos processos fisiológicos das plantas, especialmente a fotossíntese e a floração, encurtando assim o tempo de desenvolvimento da cultura. Utilizando a tecnologia de fábrica de plantas para controlar o crescimento e o desenvolvimento da cultura, com a colheita antecipada dos frutos, basta que algumas sementes com capacidade de germinação atendam às necessidades de melhoramento genético.

O fotoperíodo é o principal fator ambiental que afeta o ciclo de crescimento das culturas.

O ciclo de luz refere-se à alternância entre períodos de luz e escuridão ao longo do dia. O ciclo de luz é um fator importante que afeta o crescimento, o desenvolvimento, a floração e a frutificação das culturas. Ao perceberem a mudança no ciclo de luz, as culturas podem passar do crescimento vegetativo para o reprodutivo e completar a floração e a frutificação. Diferentes variedades e genótipos de culturas apresentam diferentes respostas fisiológicas às mudanças no fotoperíodo. Plantas de dias longos, como aveia, trigo e cevada, geralmente têm seu florescimento acelerado pelo prolongamento do fotoperíodo quando o tempo de insolação ultrapassa o período crítico. Plantas neutras, como arroz, milho e pepino, florescem independentemente do fotoperíodo. Plantas de dias curtos, como algodão, soja e milheto, necessitam de um fotoperíodo inferior ao período crítico para florescer. Em condições de ambiente artificial com 8 horas de luz e temperatura elevada de 30°C, o florescimento do amaranto ocorre mais de 40 dias antes do que em condições de campo. Sob o tratamento de ciclo de luz de 16/8 h (claro/escuro), todos os sete genótipos de cevada floresceram precocemente: Franklin (36 dias), Gairdner (35 dias), Gimmett (33 dias), Commander (30 dias), Fleet (29 dias), Baudin (26 dias) e Lockyer (25 dias).

Em ambiente artificial, o período de crescimento do trigo pode ser encurtado utilizando-se cultura de embriões para obtenção de mudas, seguida de irradiação por 16 horas, permitindo a produção de 8 gerações por ano. O período de crescimento da ervilha foi reduzido de 143 dias em campo aberto para 67 dias em estufa artificial com 16 horas de luz. Ao prolongar ainda mais o fotoperíodo para 20 horas e combiná-lo com 21°C/16°C (dia/noite), o período de crescimento da ervilha pode ser reduzido para 68 dias, com uma taxa de frutificação de 97,8%. Em condições de ambiente controlado, após tratamento com fotoperíodo de 20 horas, o período da semeadura à floração leva 32 dias, e o período total de crescimento é de 62 a 71 dias, o que representa uma redução de mais de 30 dias em comparação com as condições de campo aberto. Em estufa artificial com fotoperíodo de 22 horas, o tempo de floração do trigo, cevada, canola e grão-de-bico é reduzido em média em 22, 64, 73 e 33 dias, respectivamente. Combinando a colheita precoce de sementes, as taxas de germinação podem atingir, em média, 92%, 98%, 89% e 94%, respectivamente, atendendo plenamente às necessidades do melhoramento genético. As variedades de crescimento mais rápido podem produzir continuamente 6 gerações (trigo) e 7 gerações (pinha). Sob fotoperíodo de 22 horas, o tempo de floração da aveia foi reduzido em 11 dias, e 21 dias após a floração, pelo menos 5 sementes viáveis ​​podem ser garantidas, permitindo a propagação contínua por cinco gerações a cada ano. Em estufa artificial com iluminação contínua de 22 horas, o ciclo de crescimento da lentilha é reduzido para 115 dias, possibilitando a reprodução de 3 a 4 gerações por ano. Sob iluminação contínua de 24 horas em estufa artificial, o ciclo de crescimento do amendoim é reduzido de 145 para 89 dias, permitindo a propagação por 4 gerações em um ano.

Qualidade da luz

A luz desempenha um papel vital no crescimento e desenvolvimento das plantas. Ela controla o florescimento ao afetar diversos fotorreceptores. A proporção entre luz vermelha (V) e luz azul (A) é crucial para o florescimento das culturas. O comprimento de onda da luz vermelha, entre 600 e 700 nm, contém o pico de absorção da clorofila em 660 nm, o que promove a fotossíntese de forma eficaz. Já ​​o comprimento de onda da luz azul, entre 400 e 500 nm, influencia o fototropismo, a abertura estomática e o crescimento das plântulas. No trigo, uma proporção de luz vermelha para luz azul de aproximadamente 1 induz o florescimento precocemente. Sob condições de luz V:A = 4:1, o período de crescimento de variedades de soja de ciclo médio e tardio foi reduzido de 120 para 63 dias, e houve diminuição na altura e na biomassa nutricional das plantas, porém a produção de sementes não foi afetada, garantindo pelo menos uma semente por planta. A taxa média de germinação das sementes imaturas foi de 81,7%. Sob condições de 10 horas de iluminação e suplementação com luz azul, as plantas de soja tornaram-se baixas e vigorosas, floresceram 23 dias após a semeadura, amadureceram em 77 dias e puderam se reproduzir por 5 gerações em um ano.

A proporção entre luz vermelha e luz vermelha distante (FR) também afeta o florescimento das plantas. Os pigmentos fotossensíveis existem em duas formas: absorção de luz vermelha distante (Pfr) e absorção de luz vermelha (Pr). Em uma baixa proporção R:FR, os pigmentos fotossensíveis são convertidos de Pfr para Pr, o que leva ao florescimento de plantas de dia longo. O uso de luzes LED para regular a proporção R:FR adequada (0,66~1,07) pode aumentar a altura das plantas, promover o florescimento de plantas de dia longo (como ipomeia e boca-de-leão) e inibir o florescimento de plantas de dia curto (como calêndula). Quando a proporção R:FR é maior que 3,1, o florescimento da lentilha é atrasado. Reduzir a proporção R:FR para 1,9 pode obter o melhor efeito de florescimento, permitindo que a planta floresça no 31º dia após a semeadura. O efeito da luz vermelha na inibição do florescimento é mediado pelo pigmento fotossensível Pr. Estudos têm demonstrado que, quando a relação R:FR é superior a 3,5, o florescimento de cinco leguminosas (ervilha, grão-de-bico, fava, lentilha e tremoço) é atrasado. Em alguns genótipos de amaranto e arroz, a luz vermelha distante é utilizada para antecipar o florescimento em 10 e 20 dias, respectivamente.

Fertilizante CO₂

CO₂é a principal fonte de carbono da fotossíntese. Alta concentração de CO₂₂geralmente pode promover o crescimento e a reprodução de plantas anuais C3, enquanto baixas concentrações de CO₂ podem causar esse problema.₂A limitação de carbono pode reduzir o crescimento e a produtividade reprodutiva. Por exemplo, a eficiência fotossintética de plantas C3, como arroz e trigo, aumenta com o aumento de CO₂.₂nível, resultando no aumento da biomassa e floração precoce. Para concretizar o impacto positivo do CO₂Com o aumento da concentração, pode ser necessário otimizar o fornecimento de água e nutrientes. Portanto, sob a condição de investimento ilimitado, a hidroponia pode liberar totalmente o potencial de crescimento das plantas. Baixo CO₂₂A alta concentração de CO₂ atrasou o florescimento de Arabidopsis thaliana, enquanto o CO₂ elevado₂A concentração acelerou o período de floração do arroz, reduziu o ciclo de crescimento para 3 meses e permitiu a propagação por 4 gerações ao ano. Isso foi obtido com a suplementação de CO₂.₂Com uma concentração de CO₂ de 785,7 μmol/mol em câmara de crescimento artificial, o ciclo de melhoramento da variedade de soja 'Enrei' foi reduzido para 70 dias, permitindo a obtenção de 5 gerações em um ano. Quando o CO₂ aumentou, a concentração de CO₂ aumentou para 785,7 μmol/mol em câmara de crescimento artificial.₂Com o aumento da concentração para 550 μmol/mol, o florescimento de Cajanus cajan foi atrasado em 8 a 9 dias, e o tempo de frutificação e maturação também foi atrasado em 9 dias. Cajanus cajan acumulou açúcar insolúvel em altas concentrações de CO₂.₂concentração, que pode afetar a transmissão de sinais das plantas e atrasar o florescimento. Além disso, em câmaras de crescimento com CO₂ elevado, ocorre aumento da concentração de CO₂.₂, o número e a qualidade das flores de soja aumentam, o que é favorável à hibridização, e sua taxa de hibridização é muito maior do que a da soja cultivada no campo.

Perspectivas futuras

A agricultura moderna pode acelerar o processo de melhoramento de culturas por meio de técnicas alternativas de melhoramento e melhoramento em ambiente controlado. No entanto, esses métodos apresentam algumas desvantagens, como exigências geográficas rigorosas, custos elevados de mão de obra e condições naturais instáveis, o que não garante o sucesso na colheita de sementes. O melhoramento em ambiente controlado é influenciado pelas condições climáticas e o tempo para adição de gerações é limitado. Por outro lado, o melhoramento por marcadores moleculares acelera a seleção e a determinação das características-alvo do melhoramento. Atualmente, a tecnologia de melhoramento rápido tem sido aplicada a gramíneas, leguminosas, crucíferas e outras culturas. O melhoramento rápido em ambiente controlado, por sua vez, elimina completamente a influência das condições climáticas e permite regular o ambiente de crescimento de acordo com as necessidades de crescimento e desenvolvimento da planta. Combinando efetivamente a tecnologia de melhoramento rápido em ambiente controlado com o melhoramento tradicional, o melhoramento por marcadores moleculares e outros métodos, é possível reduzir o tempo necessário para a obtenção de linhagens homozigotas após a hibridização e, ao mesmo tempo, selecionar gerações precoces, encurtando o tempo necessário para a obtenção de características ideais e gerações de melhoramento.

A principal limitação da tecnologia de melhoramento genético rápido em fábricas é que as condições ambientais necessárias para o crescimento e desenvolvimento de diferentes culturas são bastante distintas, e leva muito tempo para se obter as condições ambientais ideais para o melhoramento rápido das culturas-alvo. Ao mesmo tempo, devido ao alto custo de construção e operação de fábricas de plantas, é difícil realizar experimentos de melhoramento aditivo em larga escala, o que frequentemente resulta em produção limitada de sementes, podendo restringir a avaliação posterior das características em campo. Com o aprimoramento gradual dos equipamentos e da tecnologia de fábricas de plantas, o custo de construção e operação dessas instalações tem diminuído progressivamente. É possível otimizar ainda mais a tecnologia de melhoramento genético rápido e encurtar o ciclo de melhoramento, combinando-a efetivamente com outras técnicas de melhoramento.

FIM

Informações citadas

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Progresso da pesquisa da tecnologia de melhoramento rápido de fábrica de plantas [J]. Tecnologia de Engenharia Agrícola, 2022,42(22):46-49.