Teknologi rekayasa pertanian hortikultura rumah kacaDiterbitkan pukul 17:30 tanggal 14 Oktober 2022 di Beijing

Dengan terus bertambahnya populasi global, permintaan orang akan makanan meningkat dari hari ke hari, dan persyaratan yang lebih tinggi diajukan untuk nutrisi dan keamanan makanan.Membudidayakan tanaman dengan hasil tinggi dan berkualitas tinggi merupakan cara penting untuk memecahkan masalah pangan.Namun, metode pemuliaan tradisional membutuhkan waktu lama untuk membudidayakan varietas unggul, yang membatasi kemajuan pemuliaan.Untuk tanaman penyerbukan sendiri tahunan, diperlukan waktu 10~15 tahun dari persilangan induk awal hingga produksi varietas baru.Oleh karena itu, untuk mempercepat kemajuan pemuliaan tanaman, sangat mendesak untuk meningkatkan efisiensi pemuliaan dan mempersingkat waktu generasi.

Perkembangbiakan cepat berarti memaksimalkan laju pertumbuhan tanaman, mempercepat pembungaan dan pembuahan, serta mempersingkat siklus perkembangbiakan dengan mengendalikan kondisi lingkungan dalam ruang pertumbuhan lingkungan yang tertutup sepenuhnya.Pabrik tanaman adalah sistem pertanian yang dapat mencapai produksi tanaman dengan efisiensi tinggi melalui kontrol lingkungan dengan presisi tinggi dalam fasilitas, dan merupakan lingkungan yang ideal untuk pemuliaan cepat.Kondisi lingkungan tanam seperti cahaya, suhu, kelembaban dan konsentrasi CO2 di dalam pabrik relatif dapat dikendalikan, dan tidak atau kurang terpengaruh oleh iklim luar.Di bawah kondisi lingkungan yang terkendali, intensitas cahaya, waktu cahaya dan suhu terbaik dapat mempercepat berbagai proses fisiologis tanaman, terutama fotosintesis dan pembungaan, sehingga mempersingkat waktu generasi pertumbuhan tanaman.Menggunakan teknologi pabrik tanaman untuk mengontrol pertumbuhan dan perkembangan tanaman, memanen buah terlebih dahulu, selama beberapa benih dengan kemampuan berkecambah dapat memenuhi kebutuhan pemuliaan.

Fotoperiode, faktor lingkungan utama yang mempengaruhi siklus pertumbuhan tanaman

Siklus terang mengacu pada pergantian periode terang dan periode gelap dalam sehari.Siklus cahaya merupakan faktor penting yang mempengaruhi pertumbuhan, perkembangan, pembungaan dan pembuahan tanaman.Dengan merasakan perubahan siklus cahaya, tanaman dapat berubah dari pertumbuhan vegetatif menjadi pertumbuhan reproduktif dan pembungaan dan pembuahan yang sempurna.Varietas dan genotipe tanaman yang berbeda memiliki respon fisiologis yang berbeda terhadap perubahan penyinaran.Tumbuhan dengan sinar matahari panjang, setelah waktu sinar matahari melebihi panjang sinar matahari kritis, waktu pembungaan biasanya dipercepat dengan perpanjangan penyinaran, seperti gandum, gandum dan jelai.Tumbuhan netral, terlepas dari penyinaran, akan mekar, seperti padi, jagung, dan mentimun.Tanaman hari pendek, seperti kapas, kedelai, dan jawawut, membutuhkan penyinaran yang lebih rendah dari panjang sinar matahari kritis untuk mekar.Di bawah kondisi lingkungan buatan dengan cahaya 8 jam dan suhu tinggi 30 ℃, waktu berbunga bayam lebih dari 40 hari lebih awal daripada di lingkungan lapangan.Di bawah perlakuan siklus cahaya 16/8 jam (terang/gelap), ketujuh genotipe jelai mekar lebih awal: Franklin (36 hari), Gairdner (35 hari), Gimmett (33 hari), Komandan (30 hari), Armada (29 hari), Baudin (26 hari) dan Lockyer (25 hari).

Di bawah lingkungan buatan, masa pertumbuhan gandum dapat dipersingkat dengan menggunakan kultur embrio untuk mendapatkan bibit, kemudian disinari selama 16 jam, dan 8 generasi dapat diproduksi setiap tahun.Masa pertumbuhan kacang dipersingkat dari 143 hari di lingkungan lapangan menjadi 67 hari di rumah kaca buatan dengan pencahayaan 16 jam.Dengan memperpanjang penyinaran hingga 20 jam dan menggabungkannya dengan 21°C/16°C (siang/malam), periode pertumbuhan kacang polong dapat dipersingkat menjadi 68 hari, dan laju pembentukan benih menjadi 97,8%.Di bawah kondisi lingkungan yang terkendali, setelah 20 jam perawatan penyinaran, dibutuhkan 32 hari dari penaburan hingga pembungaan, dan seluruh periode pertumbuhan adalah 62-71 hari, yang lebih pendek dari pada kondisi lapangan lebih dari 30 hari.Di bawah kondisi rumah kaca buatan dengan fotoperiode 22 jam, waktu pembungaan gandum, jelai, lobak, dan buncis dipersingkat rata-rata masing-masing 22, 64, 73, dan 33 hari.Dikombinasikan dengan panen awal benih, tingkat perkecambahan benih panen awal masing-masing dapat mencapai 92%, 98%, 89% dan 94%, yang sepenuhnya dapat memenuhi kebutuhan pemuliaan.Varietas tercepat dapat terus menghasilkan 6 generasi (gandum) dan 7 generasi (gandum).Di bawah kondisi penyinaran 22 jam, waktu pembungaan gandum berkurang 11 hari, dan 21 hari setelah pembungaan, setidaknya 5 benih yang layak dapat dijamin, dan lima generasi dapat terus diperbanyak setiap tahun.Di rumah kaca buatan dengan penerangan 22 jam, masa pertumbuhan lentil dipersingkat menjadi 115 hari, dan mereka dapat bereproduksi selama 3-4 generasi setahun.Di bawah kondisi pencahayaan terus menerus 24 jam di rumah kaca buatan, siklus pertumbuhan kacang tanah berkurang dari 145 hari menjadi 89 hari, dan dapat diperbanyak selama 4 generasi dalam satu tahun.

Kualitas ringan

Cahaya memainkan peran penting dalam pertumbuhan dan perkembangan tanaman.Cahaya dapat mengontrol pembungaan dengan memengaruhi banyak fotoreseptor.Rasio cahaya merah (R) terhadap cahaya biru (B) sangat penting untuk pembungaan tanaman.Panjang gelombang cahaya merah 600~700nm mengandung puncak penyerapan klorofil 660nm, yang secara efektif dapat mendorong fotosintesis.Panjang gelombang cahaya biru 400~500nm akan mempengaruhi fototropisme tanaman, pembukaan stomata dan pertumbuhan bibit.Dalam gandum, rasio cahaya merah ke cahaya biru sekitar 1, yang dapat memicu pembungaan paling awal.Di bawah kualitas cahaya R:B=4:1, masa pertumbuhan varietas kedelai umur menengah dan akhir dipersingkat dari 120 hari menjadi 63 hari, dan tinggi tanaman serta biomassa nutrisi berkurang, tetapi hasil biji tidak terpengaruh. , yang dapat memenuhi sedikitnya satu benih per tanaman, dan tingkat perkecambahan rata-rata benih yang belum menghasilkan adalah 81,7%.Di bawah kondisi pencahayaan 10 jam dan suplemen cahaya biru, tanaman kedelai menjadi pendek dan kuat, berbunga 23 hari setelah disemai, matang dalam 77 hari, dan dapat bereproduksi selama 5 generasi dalam satu tahun.

Rasio lampu merah dengan lampu merah jauh (FR) juga mempengaruhi pembungaan tanaman.Pigmen fotosensitif ada dalam dua bentuk: penyerapan cahaya merah jauh (Pfr) dan penyerapan cahaya merah (Pr).Pada rasio R:FR yang rendah, pigmen fotosensitif diubah dari Pfr menjadi Pr, yang menyebabkan pembungaan tanaman hari panjang.Menggunakan lampu LED untuk mengatur R:FR(0,66~1,07) yang sesuai dapat meningkatkan tinggi tanaman, mendorong pembungaan tanaman hari panjang (seperti morning glory dan snapdragon), dan menghambat pembungaan tanaman hari pendek (seperti marigold ).Ketika R:FR lebih besar dari 3,1, waktu pembungaan lentil tertunda.Mengurangi R:FR menjadi 1,9 bisa mendapatkan efek pembungaan terbaik, dan dapat berbunga pada hari ke-31 setelah semai.Efek lampu merah pada penghambatan pembungaan dimediasi oleh pigmen fotosensitif Pr.Studi telah menunjukkan bahwa ketika R:FR lebih tinggi dari 3,5, waktu pembungaan lima tanaman polongan (kacang polong, buncis, buncis, miju-miju dan lupin) akan tertunda.Pada beberapa genotipe bayam dan beras, cahaya merah jauh digunakan untuk memajukan pembungaan masing-masing selama 10 hari dan 20 hari.

Pupuk CO₂

CO₂merupakan sumber karbon utama fotosintesis.CO konsentrasi tinggi₂biasanya dapat mendorong pertumbuhan dan reproduksi tahunan C3, sementara CO konsentrasi rendah₂dapat mengurangi pertumbuhan dan hasil reproduksi karena keterbatasan karbon.Sebagai contoh, efisiensi fotosintesis tanaman C3, seperti padi dan gandum, meningkat dengan meningkatnya CO₂tingkat, menghasilkan peningkatan biomassa dan pembungaan awal.Untuk mewujudkan dampak positif dari CO₂peningkatan konsentrasi, mungkin perlu untuk mengoptimalkan pasokan air dan nutrisi.Oleh karena itu, dengan syarat investasi yang tidak terbatas, hidroponik dapat sepenuhnya melepaskan potensi pertumbuhan tanaman.CO rendah₂konsentrasi menunda waktu pembungaan Arabidopsis thaliana, sedangkan CO tinggi₂konsentrasi mempercepat waktu pembungaan padi, mempersingkat masa pertumbuhan padi menjadi 3 bulan, dan diperbanyak 4 generasi dalam setahun.Dengan melengkapi CO₂menjadi 785,7μmol/mol dalam kotak pertumbuhan buatan, siklus pemuliaan kedelai varietas 'Enrei' dipersingkat menjadi 70 hari, dan dapat berkembang biak 5 generasi dalam satu tahun.Ketika CO₂konsentrasi meningkat menjadi 550μmol/mol, pembungaan Cajanus cajan tertunda selama 8~9 hari, dan waktu pematangan buah juga tertunda selama 9 hari.Cajanus cajan mengakumulasi gula yang tidak larut pada CO tinggi₂konsentrasi, yang dapat mempengaruhi transmisi sinyal tanaman dan menunda pembungaan.Selain itu, di ruang pertumbuhan dengan peningkatan CO₂, jumlah dan kualitas bunga kedelai meningkat, yang kondusif untuk hibridisasi, dan tingkat hibridisasinya jauh lebih tinggi daripada kedelai yang ditanam di lapangan.

Prospek masa depan

Pertanian modern dapat mempercepat proses pemuliaan tanaman melalui pemuliaan alternatif dan pemuliaan fasilitas.Namun, ada beberapa kekurangan dalam metode ini, seperti persyaratan geografis yang ketat, pengelolaan tenaga kerja yang mahal, dan kondisi alam yang tidak stabil, yang tidak dapat menjamin keberhasilan panen benih.Pemuliaan fasilitas dipengaruhi oleh kondisi iklim, dan waktu penambahan generasi terbatas.Namun, pemuliaan penanda molekuler hanya mempercepat seleksi dan penentuan sifat target pemuliaan.Saat ini, teknologi pemuliaan cepat telah diterapkan pada Gramineae, Leguminosae, Cruciferae dan tanaman lainnya.Namun, pemuliaan generasi cepat pabrik tanaman sepenuhnya menghilangkan pengaruh kondisi iklim, dan dapat mengatur lingkungan pertumbuhan sesuai dengan kebutuhan pertumbuhan dan perkembangan tanaman.Menggabungkan teknologi pemuliaan cepat pabrik tanaman dengan pemuliaan tradisional, pemuliaan penanda molekuler dan metode pemuliaan lainnya secara efektif, dalam kondisi pemuliaan cepat, waktu yang dibutuhkan untuk mendapatkan garis homozigot setelah hibridisasi dapat dikurangi, dan pada saat yang sama, generasi awal dapat dipilih untuk mempersingkat waktu yang dibutuhkan untuk mendapatkan sifat-sifat ideal dan generasi pemuliaan.

Keterbatasan utama dari teknologi pemuliaan tanaman cepat di pabrik adalah bahwa kondisi lingkungan yang diperlukan untuk pertumbuhan dan perkembangan tanaman yang berbeda sangat berbeda, dan membutuhkan waktu lama untuk mendapatkan kondisi lingkungan untuk tanaman target pemuliaan cepat.Pada saat yang sama, karena tingginya biaya pembangunan dan pengoperasian pabrik tanaman, sulit untuk melakukan percobaan pemuliaan aditif skala besar, yang sering mengarah pada hasil benih yang terbatas, yang dapat membatasi tindak lanjut evaluasi karakter lapangan.Dengan peningkatan bertahap dan peningkatan peralatan dan teknologi pabrik pabrik, biaya konstruksi dan pengoperasian pabrik pabrik secara bertahap berkurang.Dimungkinkan untuk lebih mengoptimalkan teknologi pemuliaan cepat dan mempersingkat siklus pemuliaan dengan menggabungkan teknologi pemuliaan cepat pabrik tanaman secara efektif dengan teknik pemuliaan lainnya.

AKHIR

Informasi yang dikutip

Liu Kaizhe, Liu Houcheng.Progres penelitian teknologi pemuliaan cepat pabrik tanaman [J].Teknologi Rekayasa Pertanian, 2022,42(22):46-49.