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

Dengan terus meningkatnya populasi global, permintaan masyarakat akan pangan semakin meningkat dari hari ke hari, dan tuntutan yang lebih tinggi diajukan untuk nutrisi dan keamanan pangan. Budidaya tanaman berdaya hasil tinggi dan berkualitas tinggi merupakan cara penting untuk memecahkan masalah pangan. Namun, metode pemuliaan tradisional membutuhkan waktu lama untuk menghasilkan varietas unggul, yang membatasi kemajuan pemuliaan. Untuk tanaman tahunan yang melakukan penyerbukan sendiri, mungkin dibutuhkan 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 memperpendek waktu generasi.

Pemuliaan cepat berarti memaksimalkan laju pertumbuhan tanaman, mempercepat pembungaan dan pembuahan, serta memperpendek siklus pemuliaan dengan mengendalikan kondisi lingkungan di ruang pertumbuhan lingkungan terkontrol yang tertutup sepenuhnya. Pabrik tanaman adalah sistem pertanian yang dapat mencapai produksi tanaman berefisiensi tinggi melalui pengendalian lingkungan yang sangat presisi di 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 dipengaruhi oleh iklim eksternal. Di bawah kondisi lingkungan yang terkontrol, intensitas cahaya, waktu penyinaran, dan suhu yang optimal dapat mempercepat berbagai proses fisiologis tanaman, terutama fotosintesis dan pembungaan, sehingga memperpendek waktu generasi pertumbuhan tanaman. Dengan menggunakan teknologi pabrik tanaman untuk mengendalikan pertumbuhan dan perkembangan tanaman, memanen buah lebih awal, selama beberapa benih dengan kemampuan berkecambah dapat memenuhi kebutuhan pemuliaan.

Fotoperiode, faktor lingkungan utama yang memengaruhi siklus pertumbuhan tanaman.

Siklus cahaya mengacu pada pergantian periode terang dan gelap dalam sehari. Siklus cahaya merupakan faktor penting yang memengaruhi pertumbuhan, perkembangan, pembungaan, dan pembuahan tanaman. Dengan merasakan perubahan siklus cahaya, tanaman dapat beralih dari pertumbuhan vegetatif ke pertumbuhan reproduktif dan menyelesaikan pembungaan dan pembuahan. Varietas dan genotipe tanaman yang berbeda memiliki respons fisiologis yang berbeda terhadap perubahan fotoperiode. Tanaman yang membutuhkan sinar matahari lama, begitu waktu sinar matahari melebihi panjang sinar matahari kritis, waktu pembungaan biasanya dipercepat dengan perpanjangan fotoperiode, seperti gandum, jelai, dan barley. Tanaman netral, terlepas dari fotoperiode, akan berbunga, seperti padi, jagung, dan mentimun. Tanaman hari pendek, seperti kapas, kedelai, dan millet, membutuhkan fotoperiode yang lebih rendah dari panjang sinar matahari kritis untuk berbunga. Di bawah kondisi lingkungan buatan dengan 8 jam cahaya dan suhu tinggi 30℃, waktu pembungaan amaranth lebih dari 40 hari lebih awal daripada di lingkungan lapangan. Di bawah perlakuan siklus cahaya 16/8 jam (terang/gelap), ketujuh genotipe jelai berbunga lebih awal: Franklin (36 hari), Gairdner (35 hari), Gimmett (33 hari), Commander (30 hari), Fleet (29 hari), Baudin (26 hari) dan Lockyer (25 hari).

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

Kualitas cahaya

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 dapat secara efektif mendorong fotosintesis. Panjang gelombang cahaya biru 400~500nm akan memengaruhi fototropisme tanaman, pembukaan stomata, dan pertumbuhan bibit. Pada gandum, rasio cahaya merah terhadap cahaya biru sekitar 1, yang dapat menginduksi pembungaan paling awal. Di bawah kualitas cahaya R:B=4:1, periode pertumbuhan varietas kedelai yang berumur sedang dan akhir dipersingkat dari 120 hari menjadi 63 hari, dan tinggi tanaman serta biomassa nutrisi berkurang, tetapi hasil biji tidak terpengaruh, yang dapat memenuhi setidaknya satu biji per tanaman, dan tingkat perkecambahan rata-rata biji yang belum matang adalah 81,7%. Dengan kondisi pencahayaan 10 jam dan tambahan cahaya biru, tanaman kedelai tumbuh pendek dan kuat, berbunga 23 hari setelah tanam, matang dalam waktu 77 hari, dan dapat bereproduksi hingga 5 generasi dalam satu tahun.

Rasio cahaya merah terhadap cahaya merah jauh (FR) juga memengaruhi 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. Penggunaan lampu LED untuk mengatur R:FR yang sesuai (0,66~1,07) 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 dapat menghasilkan efek pembungaan terbaik, dan dapat berbunga pada hari ke-31 setelah penyemaian. Efek cahaya merah pada penghambatan pembungaan dimediasi oleh pigmen fotosensitif Pr. Penelitian menunjukkan bahwa ketika rasio R:FR lebih tinggi dari 3,5, waktu berbunga lima tanaman legum (kacang polong, buncis, kacang fava, lentil, dan lupin) akan tertunda. Pada beberapa genotipe amaranth dan padi, cahaya merah jauh digunakan untuk mempercepat pembungaan masing-masing selama 10 hari dan 20 hari.

Pupuk CO₂

CO₂merupakan sumber karbon utama fotosintesis. Konsentrasi CO2 yang tinggi₂biasanya dapat mendorong pertumbuhan dan reproduksi tanaman tahunan C3, sementara konsentrasi CO yang rendah₂Keterbatasan karbon dapat mengurangi pertumbuhan dan hasil reproduksi. Misalnya, efisiensi fotosintesis tanaman C3, seperti padi dan gandum, meningkat seiring dengan peningkatan CO₂.₂tingkat, yang mengakibatkan peningkatan biomassa dan pembungaan dini. Untuk mewujudkan dampak positif CO₂Dengan meningkatnya konsentrasi CO2, mungkin perlu dilakukan optimasi pasokan air dan nutrisi. Oleh karena itu, dengan kondisi investasi tak terbatas, hidroponik dapat sepenuhnya memaksimalkan potensi pertumbuhan tanaman. CO2 rendah₂Konsentrasi CO2 tinggi menunda waktu berbunga Arabidopsis thaliana, sedangkan CO2 tinggi₂Konsentrasi CO2 mempercepat waktu pembungaan padi, memperpendek masa pertumbuhan padi menjadi 3 bulan, dan memperbanyak 4 generasi per tahun. Dengan menambahkan CO2₂Pada konsentrasi CO2 hingga 785,7 μmol/mol dalam kotak pertumbuhan buatan, siklus pembiakan varietas kedelai 'Enrei' dipersingkat menjadi 70 hari, dan dapat menghasilkan 5 generasi dalam satu tahun. Ketika CO2₂Ketika konsentrasi CO2 meningkat menjadi 550 μmol/mol, pembungaan Cajanus cajan tertunda selama 8-9 hari, dan waktu pembentukan dan pematangan buah juga tertunda selama 9 hari. Cajanus cajan mengakumulasi gula tak larut pada konsentrasi CO2 tinggi.₂konsentrasi, yang dapat memengaruhi transmisi sinyal tanaman dan menunda pembungaan. Selain itu, di ruang pertumbuhan dengan peningkatan CO2₂, jumlah dan kualitas bunga kedelai meningkat, yang kondusif untuk hibridisasi, dan tingkat hibridisasinya jauh lebih tinggi daripada kedelai yang ditanam di lahan terbuka.

Prospek masa depan

Pertanian modern dapat mempercepat proses pemuliaan tanaman melalui pemuliaan alternatif dan pemuliaan fasilitas. Namun, terdapat beberapa kekurangan dalam metode ini, seperti persyaratan geografis yang ketat, manajemen 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 untuk 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. Dengan 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 galur homozigot setelah hibridisasi dapat dikurangi, dan pada saat yang sama, generasi awal dapat dipilih untuk mempersingkat waktu yang dibutuhkan untuk mendapatkan sifat ideal dan generasi pemuliaan.

Keterbatasan utama teknologi pemuliaan cepat tanaman di pabrik adalah kondisi lingkungan yang dibutuhkan untuk pertumbuhan dan perkembangan berbagai tanaman sangat berbeda, dan membutuhkan waktu lama untuk mendapatkan kondisi lingkungan yang sesuai untuk pemuliaan cepat tanaman target. Pada saat yang sama, karena biaya pembangunan dan pengoperasian pabrik tanaman yang tinggi, sulit untuk melakukan eksperimen pemuliaan aditif skala besar, yang seringkali menyebabkan hasil benih terbatas, yang dapat membatasi evaluasi karakter lapangan selanjutnya. Dengan peningkatan dan perbaikan bertahap peralatan dan teknologi pabrik tanaman, biaya pembangunan dan pengoperasian pabrik tanaman secara bertahap berkurang. Dimungkinkan untuk lebih mengoptimalkan teknologi pemuliaan cepat dan mempersingkat siklus pemuliaan dengan menggabungkan teknologi pemuliaan cepat pabrik tanaman dengan teknik pemuliaan lainnya secara efektif.

AKHIR

Informasi yang dikutip

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