温室园艺农业工程技术2022年10月14日北京时间17:30发布

随着全球人口的持续增长，人们对食物的需求日益增加，对食物的营养和安全提出了更高的要求。培育高产优质的作物是解决粮食问题的重要途径。然而，传统的育种方法培育优良品种耗时较长，限制了育种进程。对于一年生自花授粉作物而言，从最初的亲本杂交到培育出新品种可能需要10~15年的时间。因此，为了加快作物育种进程，亟需提高育种效率，缩短世代周期。

快速育种是指通过在全封闭可控环境生长室中控制环境条件，最大限度地提高植物生长速度，加速开花结果，缩短育种周期。植物工厂是一种农业系统，它通过在设施内进行高精度环境控制，实现高效的作物生产，是快速育种的理想环境。工厂内的光照、温度、湿度和二氧化碳浓度等种植环境条件相对可控，受外部气候的影响较小或几乎没有影响。在可控的环境条件下，最佳的光照强度、光照时间和温度可以加速植物的各种生理过程，特别是光合作用和开花，从而缩短作物生长周期。利用植物工厂技术控制作物的生长发育，提前收获果实，只需少量具有发芽能力的种子即可满足育种需求。

光周期是影响作物生长周期的主要环境因素

光周期是指一天中光照时间和黑暗时间的交替。光周期是影响作物生长、发育、开花结果的重要因素。作物通过感知光周期的变化，可以从营养生长阶段过渡到生殖生长阶段，并最终完成开花结果。不同的作物品种和基因型对光周期变化的生理反应各不相同。喜阳作物，一旦日照时间超过临界日照时长，通常会通过延长光周期来加速开花，例如燕麦、小麦和大麦。中性作物，无论光周期如何都会开花，例如水稻、玉米和黄瓜。短日照作物，例如棉花、大豆和小米，需要低于临界日照时长的光周期才能开花。在8小时光照、30℃高温的人工环境下，苋菜的开花时间比田间环境提前40多天。在 16/8 小时光照周期（光照/黑暗）处理下，所有七个大麦基因型都提前开花：富兰克林（36 天）、盖尔德纳（35 天）、吉米特（33 天）、指挥官（30 天）、舰队（29 天）、博丹（26 天）和洛克耶（25 天）。

在人工环境下，利用胚芽培养获得小麦幼苗，再进行16小时光照，可以缩短小麦的生育期，每年可生产8代。豌豆的生育期在田间环境下为143天，在人工温室中经16小时光照后缩短至67天。进一步将光照时间延长至20小时，并结合21℃/16℃（昼/夜）的温度条件，豌豆的生育期可缩短至68天，结实率达到97.8%。在人工控制环境下，经20小时光照处理后，从播种到开花仅需32天，整个生育期为62～71天，比田间条件下缩短30多天。在22小时光照的人工温室条件下，小麦、大麦、油菜和鹰嘴豆的开花期平均分别缩短了22天、64天、73天和33天。结合提前收获种子，提前收获种子的平均发芽率分别可达92%、98%、89%和94%，完全能够满足育种需求。生长速度最快的品种可以连续繁殖6代（小麦）和7代（小麦）。在22小时光照条件下，燕麦的开花期缩短了11天，开花后21天即可保证至少5粒可育种子，每年可连续繁殖5代。在22小时光照的人工温室中，扁豆的生长期缩短至115天，每年可繁殖3-4代。在人工温室24小时连续光照条件下，花生的生长周期从145天缩短到89天，一年可繁殖4代。

光线质量

光照在植物的生长发育中起着至关重要的作用。光照可以通过影响多种光受体来调控开花。红光（R）与蓝光（B）的比例对作物开花至关重要。波长为600~700nm的红光包含叶绿素在660nm处的吸收峰，能够有效促进光合作用。波长为400~500nm的蓝光会影响植物的向光性、气孔开放和幼苗生长。在小麦中，红光与蓝光的比例约为1时，可以最早诱导其开花。在红蓝光比例为4:1的光照条件下，中晚熟大豆品种的生育期从120天缩短至63天，株高和营养生物量有所降低，但种子产量不受影响，至少可以保证每株结一粒种子，未成熟种子的平均发芽率为81.7%。在每天10小时光照和蓝光补充的条件下，大豆植株矮壮，播种后23天开花，77天内成熟，一年可繁殖5代。

红光与远红光（FR）的比例也会影响植物开花。光敏色素以两种形式存在：远红光吸收（Pfr）和红光吸收（Pr）。当红光与远红光的比例较低时，光敏色素会从Pfr转化为Pr，从而促进长日照植物开花。使用LED灯调节合适的红光与远红光比例（0.66~1.07）可以增加植物高度，促进长日照植物（如牵牛花和金鱼草）开花，并抑制短日照植物（如万寿菊）开花。当红光与远红光的比例大于3.1时，扁豆的开花时间会延迟。将红光与远红光的比例降低到1.9可以获得最佳的开花效果，使其在播种后第31天开花。红光抑制开花的作用是通过光敏色素Pr介导的。研究指出，当红光与远红光（R:FR）比值高于3.5时，五种豆科植物（豌豆、鹰嘴豆、蚕豆、扁豆和羽扇豆）的开花时间会延迟。在某些苋菜和水稻基因型中，远红光分别可使开花期提前10天和20天。

肥料二氧化碳₂

CO₂是光合作用的主要碳源。高浓度二氧化碳₂通常情况下，低浓度二氧化碳可以促进C3一年生植物的生长和繁殖。₂碳限制可能会降低植物的生长和繁殖产量。例如，C3植物（如水稻和小麦）的光合效率会随着CO₂浓度的增加而提高。₂水平升高，导致生物量增加和提早开花。为了实现二氧化碳的积极影响。₂随着浓度的增加，可能需要优化水和营养的供应。因此，在投入无限的情况下，水培法可以充分释放植物的生长潜力。低二氧化碳浓度₂浓度过高会延迟拟南芥的开花时间，而高浓度二氧化碳则会抑制其开花。₂浓度升高加快了水稻的开花时间，将水稻的生长期缩短至3个月，并实现了一年4代的繁殖。通过补充二氧化碳，₂在人工生长箱中，CO₂浓度降至785.7μmol/mol时，大豆品种“恩瑞”的育种周期缩短至70天，一年可育5代。₂当浓度增加到550μmol/mol时，木豆的开花期延迟了8~9天，坐果和成熟期也延迟了9天。在高浓度CO₂条件下，木豆会积累不溶性糖。₂浓度升高可能会影响植物的信号传递并延迟开花。此外，在二氧化碳浓度升高的生长室中，也会出现这种情况。₂大豆花的数量和质量增加，有利于杂交，其杂交率远高于田间种植的大豆。

前景

现代农业可以通过替代育种和设施育种等方式加快作物育种进程。然而，这些方法也存在一些不足，例如对地理条件要求严格、劳动力管理成本高昂以及自然条件不稳定，无法保证种子成功收获。设施育种受气候条件影响，且世代增加时间有限。而分子标记育种则能加速育种目标性状的选择和确定。目前，快速育种技术已应用于禾本科、豆科、十字花科等作物。然而，植物工厂快速世代育种完全摆脱了气候条件的影响，并可根据植物生长发育的需要调控生长环境。将植物工厂快速育种技术与传统育种、分子标记育种等育种方法有效结合，在快速育种的前提下，可以缩短杂交后获得纯合系所需的时间，同时，还可以对早期世代进行选择，从而缩短获得理想性状和育种世代所需的时间。

工厂化植物快速育种技术的主要局限在于不同作物生长发育所需的环境条件差异较大，需要较长时间才能获得目标作物快速育种所需的环境条件。同时，由于植物工厂建设和运营成本高昂，难以开展大规模的增材育种试验，往往导致种子产量有限，进而限制了后续的田间性状评价。随着植物工厂设备和技术的逐步改进和完善，其建设和运营成本逐渐降低。通过有效结合植物工厂快速育种技术与其他育种技术，有望进一步优化快速育种技术，缩短育种周期。

结尾

引用信息

刘凯哲，刘厚城. 植物工厂快速育种技术的研究进展[J]. 农业工程技术, 2022,42(22):46-49.