Tecnologia de engenharia agrícola de horticultura com efeito de estufaPublicado às 17:30 em 14 de outubro de 2022 em Pequim

Com o aumento contínuo da população global, a demanda das pessoas por alimentos está aumentando dia a dia, e requisitos mais elevados são apresentados para nutrição e segurança alimentar.Cultivar culturas de alto rendimento e de alta qualidade é um meio importante para resolver os problemas alimentares.No entanto, o método de melhoramento tradicional leva muito tempo para cultivar excelentes variedades, o que limita o progresso do melhoramento.Para culturas autopolinizadoras anuais, pode levar de 10 a 15 anos desde o cruzamento inicial dos pais até a produção de uma nova variedade.Portanto, para acelerar o progresso do melhoramento das culturas, é urgente melhorar a eficiência do melhoramento e diminuir o tempo de geração.

A reprodução rápida significa maximizar a taxa de crescimento das plantas, acelerar a floração e a frutificação e encurtar o ciclo de reprodução controlando as condições ambientais em uma sala de crescimento totalmente fechada e controlada.A fábrica de plantas é um sistema agrícola que pode alcançar a produção de culturas de alta eficiência por meio de controle ambiental de alta precisão nas instalações, e é um ambiente ideal para reprodução rápida.As condições do ambiente de plantio como luz, temperatura, umidade e concentração de CO2 na fábrica são relativamente controláveis, e não são ou são menos afetadas pelo clima externo.Sob condições ambientais controladas, a melhor intensidade de luz, tempo de luz e temperatura podem acelerar vários processos fisiológicos das plantas, principalmente a fotossíntese e a floração, encurtando assim o tempo de geração de crescimento da cultura.Usando a tecnologia da fábrica de plantas para controlar o crescimento e o desenvolvimento das culturas, colhendo os frutos com antecedência, desde que algumas sementes com capacidade de germinação possam atender às necessidades de reprodução.

Fotoperíodo, o principal fator ambiental que afeta o ciclo de crescimento das culturas

O ciclo de luz refere-se à alternância do período de luz e do período de escuridão em um dia.O ciclo de luz é um fator importante que afeta o crescimento, desenvolvimento, floração e frutificação das culturas.Ao sentir a mudança do ciclo de luz, as culturas podem passar do crescimento vegetativo para o crescimento reprodutivo e completar a floração e frutificação.Diferentes variedades e genótipos de culturas têm diferentes respostas fisiológicas às mudanças do fotoperíodo.Plantas de sol longo, uma vez que o tempo de sol excede o comprimento crítico de sol, o tempo de floração é geralmente acelerado pelo prolongamento do fotoperíodo, como aveia, trigo e cevada.Plantas neutras, independentemente do fotoperíodo, florescerão, como arroz, milho e pepino.Plantas de dias curtos, como algodão, soja e milheto, precisam de fotoperíodo menor que o comprimento crítico da luz do sol para florescer.Sob as condições do ambiente artificial de 8 horas de luz e 30 ℃ de alta temperatura, o tempo de floração do amaranto é mais de 40 dias mais cedo do que no ambiente de campo.Sob 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 dias), Baudin (26 dias) e Lockyer (25 dias).

Sob o ambiente artificial, o período de crescimento do trigo pode ser encurtado usando a cultura de embriões para obter mudas e, em seguida, irradiando por 16 horas, e 8 gerações podem ser produzidas a cada ano.O período de crescimento da ervilha foi reduzido de 143 dias em ambiente de campo para 67 dias em casa de vegetação artificial com 16h de luz.Prolongando ainda mais o fotoperíodo para 20h e combinando-o com 21°C/16°C (dia/noite), o período de crescimento da ervilha pode ser encurtado para 68 dias e a taxa de formação de sementes é de 97,8%.Sob a condição de ambiente controlado, após 20 horas de tratamento de fotoperíodo, leva 32 dias desde a semeadura até a floração, e todo o período de crescimento é de 62-71 dias, o que é mais curto do que em condições de campo em mais de 30 dias.Na condição de estufa artificial com fotoperíodo de 22h, o tempo de floração do trigo, cevada, colza e grão-de-bico é reduzido em 22, 64, 73 e 33 dias em média, respectivamente.Combinado com a colheita precoce de sementes, as taxas de germinação das sementes de colheita precoce podem atingir 92%, 98%, 89% e 94% em média, respectivamente, o que pode atender plenamente às necessidades de reprodução.As variedades mais rápidas podem produzir continuamente 6 gerações (trigo) e 7 gerações (trigo).Sob a condição de 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 e cinco gerações podem ser propagadas continuamente a cada ano.Na estufa artificial com iluminação de 22 horas, o período de crescimento das lentilhas é reduzido para 115 dias e elas podem se reproduzir por 3-4 gerações por ano.Sob a condição de iluminação contínua de 24 horas em estufa artificial, o ciclo de crescimento do amendoim é reduzido de 145 dias para 89 dias, podendo ser propagado por 4 gerações em um ano.

Qualidade de luz

A luz desempenha um papel vital no crescimento e desenvolvimento das plantas.A luz pode controlar a floração afetando muitos fotorreceptores.A proporção de luz vermelha (R) para luz azul (B) é muito importante para a floração da cultura.O comprimento de onda da luz vermelha de 600~700nm contém o pico de absorção de clorofila de 660nm, que pode efetivamente promover a fotossíntese.O comprimento de onda da luz azul de 400~500nm afetará o fototropismo da planta, a abertura dos estômatos e o crescimento das mudas.No trigo, a proporção de luz vermelha para luz azul é de cerca de 1, o que pode induzir a floração o mais cedo possível.Sob a qualidade de luz de R:B=4:1, o período de crescimento das variedades de soja de maturação média e tardia foi reduzido de 120 dias para 63 dias, e a altura da planta e a biomassa nutricional foram reduzidas, mas o rendimento de sementes não foi afetado , o que poderia satisfazer pelo menos uma semente por planta, e a taxa média de germinação de sementes imaturas foi de 81,7%.Sob condição de 10h de iluminação e suplemento de luz azul, as plantas de soja tornaram-se curtas e fortes, floresceram 23 dias após a semeadura, amadureceram em 77 dias e puderam se reproduzir por 5 gerações em um ano.

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

Fertilizante CO₂

CO₂é a principal fonte de carbono da fotossíntese.Alta concentração de CO₂geralmente pode promover o crescimento e a reprodução de plantas anuais C3, enquanto a baixa concentração de CO₂pode reduzir o rendimento de crescimento e reprodução devido à limitação de carbono.Por exemplo, a eficiência fotossintética de plantas C3, como arroz e trigo, aumenta com o aumento de CO₂nível, resultando no aumento da biomassa e floração precoce.Para perceber o impacto positivo do CO₂aumento 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 CO₂concentração atrasou o tempo de floração de Arabidopsis thaliana, enquanto altas concentrações de CO₂A concentração acelerou o tempo de floração do arroz, encurtou o período de crescimento do arroz para 3 meses e propagou 4 gerações por ano.Suplementando CO₂para 785,7μmol/mol na caixa de crescimento artificial, o ciclo de reprodução da variedade de soja 'Enrei' foi reduzido para 70 dias, podendo produzir 5 gerações em um ano.Quando o CO₂A concentração aumentou para 550μmol/mol, a floração de Cajanus cajan foi atrasada por 8 a 9 dias, e o tempo de vingamento e amadurecimento também foi atrasado por 9 dias.Cajanus cajan acumulou açúcar insolúvel em alto CO₂concentração, o que pode afetar a transmissão do sinal das plantas e retardar a floração.Além disso, na sala de crescimento com aumento de CO₂, o número e a qualidade das flores da soja aumentam, o que é propício 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 melhoramento alternativo e melhoramento de instalações.No entanto, existem algumas deficiências nestes métodos, tais como requisitos geográficos rigorosos, gestão de mão-de-obra dispendiosa e condições naturais instáveis, que não podem garantir uma colheita de sementes bem-sucedida.A criação de instalações é influenciada pelas condições climáticas e o tempo para adição de geração é limitado.No entanto, o melhoramento de marcadores moleculares apenas acelera a seleção e determinação de características alvo de melhoramento.Atualmente, a tecnologia de reprodução rápida tem sido aplicada a Gramineae, Leguminosae, Cruciferae e outras culturas.No entanto, a criação de geração rápida de fábrica de plantas elimina completamente a influência das condições climáticas e pode regular o ambiente de crescimento de acordo com as necessidades de crescimento e desenvolvimento da planta.Combinando a tecnologia de reprodução rápida da fábrica de plantas com a reprodução tradicional, a criação de marcadores moleculares e outros métodos de criação de forma eficaz, sob a condição de criação rápida, o tempo necessário para obter linhagens homozigóticas após a hibridação pode ser reduzido e, ao mesmo tempo, as primeiras gerações podem ser selecionados para encurtar o tempo necessário para obter características ideais e gerações reprodutivas.

A principal limitação da tecnologia de reprodução rápida de plantas nas fábricas é que as condições ambientais necessárias para o crescimento e desenvolvimento de diferentes culturas são bastante diferentes e leva muito tempo para obter as condições ambientais para a reprodução rápida de culturas alvo.Ao mesmo tempo, devido ao alto custo de construção e operação da fábrica, é difícil realizar experimentos de reprodução aditiva em larga escala, o que geralmente leva a um rendimento limitado de sementes, o que pode limitar a avaliação de caráter de campo de acompanhamento.Com a melhoria gradual e melhoria do equipamento e tecnologia da fábrica, o custo de construção e operação da fábrica é gradualmente reduzido.É possível otimizar ainda mais a tecnologia de melhoramento rápido e encurtar o ciclo de melhoramento combinando efetivamente a tecnologia de melhoramento rápido da fábrica de plantas com outras técnicas de melhoramento.

FIM

Informação citada

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