温室园艺农业工程技术北京时间2022-10-14 17:30 发表
随着全球人口的不断增加,人们对食品的需求与日俱增,对食品的营养和安全提出了更高的要求。培育高产优质农作物是解决粮食问题的重要手段。但传统育种方法培育优良品种耗时长,限制了育种进度。对于一年生自花授粉作物,从最初的亲本杂交到产生新品种可能需要10~15年的时间。因此,为加快作物育种进程,提高育种效率、缩短世代时间已刻不容缓。
快速育种是指在全封闭的可控环境生长室中,通过控制环境条件,最大限度地提高植物的生长速度,加速开花结果,缩短育种周期。植物工厂是通过设施内的高精度环境控制,实现农作物高效生产的农业系统,是快速繁育的理想环境。厂区光照、温度、湿度、CO2浓度等种植环境条件相对可控,不受或较少受外界气候影响。在受控的环境条件下,最佳光照强度、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,从而缩短作物生长的世代时间。利用植物工厂技术控制农作物的生长发育,提前收获果实,只要少量具有发芽能力的种子即可满足育种需要。
光周期,影响作物生长周期的主要环境因子
光照周期是指一天中光照期和黑暗期的交替。光照周期是影响作物生长发育、开花结果的重要因素。通过感知光周期的变化,作物可以从营养生长转变为生殖生长并完成开花结果。不同的作物品种和基因型对光周期变化有不同的生理反应。长日照植物,一旦日照时间超过临界日照时长,开花时间通常会因光周期的延长而加快,如燕麦、小麦和大麦。中性植物,不管光周期如何,都会开花,如水稻、玉米和黄瓜。棉花、大豆和小米等短日照植物需要低于临界日照长度的光周期才能开花。在8h光照和30℃高温的人工环境条件下,苋菜开花时间比田间环境提前40天以上。在 16/8 h 光周期(光/暗)处理下,7 个大麦基因型均提前开花:Franklin(36 天)、Gairdner(35 天)、Gimmett(33 天)、Commander(30 天)、Fleet(29天)、博丹(26 天)和洛克耶(25 天)。
在人工环境下,利用胚胎培养取苗,再照射16小时,可缩短小麦生育期,每年可生产8代。豌豆生长期从田间环境的143天缩短到16小时光照人工温室的67天。进一步延长光周期至20h,结合21℃/16℃(昼/夜),豌豆生育期可缩短至68天,结实率为97.8%。在受控环境条件下,经过20小时的光周期处理,从播种到开花需要32天,整个生育期为62-71天,比大田条件缩短了30多天。在22h光周期人工温室条件下,小麦、大麦、油菜和鹰嘴豆的开花时间平均分别缩短了22、64、73和33天。结合早收种子,早收种子的平均发芽率分别可以达到92%、98%、89%和94%,完全可以满足育种需要。最快的品种可以连续生产6代(小麦)和7代(小麦)。在22小时光周期条件下,燕麦开花时间缩短11天,开花后21天至少可保证5粒活种子,每年可连续繁殖5代。在22小时光照的人工温室中,扁豆生长期缩短至115天,一年可繁殖3-4代。在人工温室24小时连续光照条件下,花生生长周期由145天缩短为89天,一年可繁殖4代。
光质
光在植物的生长发育中起着至关重要的作用。光可以通过影响许多光感受器来控制开花。红光 (R) 与蓝光 (B) 的比例对于作物开花非常重要。600~700nm的红光波长含有660nm的叶绿素吸收峰,能有效促进光合作用。400~500nm波长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,可以最早诱导开花。R:B=4:1光质下,中晚熟大豆品种生育期由120天缩短至63天,株高和营养生物量降低,但不影响种子产量,可满足一株至少一粒种子,未成熟种子平均发芽率为81.7%。在光照10h、补蓝光条件下,大豆植株长得矮小强壮,播后23天开花,77天成熟,一年可繁殖5代。
红光与远红光 (FR) 的比例也会影响植物的开花。光敏颜料有两种形式:远红光吸收(Pfr)和红光吸收(Pr)。在较低的 R:FR 比率下,光敏颜料从 Pfr 转化为 Pr,从而导致长日照植物开花。使用LED灯调节合适的R:FR(0.66~1.07)可以增加株高,促进长日照植物(如牵牛花、金鱼草)开花,抑制短日照植物(如万寿菊)开花).当R:FR大于3.1时,扁豆开花时间延迟。降低R:FR至1.9可获得最佳开花效果,播后第31天即可开花。红光对开花的抑制作用是由光敏色素Pr介导的。研究指出,当R:FR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。在苋菜和水稻的某些基因型中,远红光分别用于提前 10 天和 20 天开花。
化肥一氧化碳2个
CO2个是光合作用的主要碳源。高浓度一氧化碳2个通常可以促进C3一年生植物的生长繁殖,而低浓度CO2个由于碳限制,可能会降低生长和繁殖产量。例如水稻、小麦等 C3 植物的光合效率随着 CO2 的增加而增加2个水平,导致生物量增加和早花。为了实现CO的积极影响2个浓度增加,可能需要优化水和养分供应。因此,在无限投入的情况下,水培可以充分释放植物的生长潜力。低二氧化碳2个浓度延迟拟南芥开花时间,而高CO2个浓度加速了水稻的开花时间,将水稻生育期缩短至3个月,一年可繁殖4代。通过补充 CO2个人工生长箱中785.7μmol/mol,大豆品种'Enrei'的育种周期缩短为70天,一年可育5代。当一氧化碳2个浓度增加到550μmol/mol,木豆开花延迟8~9天,座果成熟时间也延迟9天。Cajanus cajan 在高 CO2 条件下积累不溶性糖2个浓度,可能会影响植物的信号传递,延缓开花。此外,在CO增加的生长室内2个,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。但这些方法都存在地理要求严格、人工管理费用高、自然条件不稳定等缺点,不能保证种子的成功收获。设施育种受气候条件影响,加代时间有限。然而,分子标记育种只是加速了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。而植物工厂快传育种则完全摆脱了气候条件的影响,可以根据植物生长发育的需要调节生长环境。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,在快速育种的条件下,可以减少杂交后获得纯合子系所需的时间,同时可以对早代进行育种。选择以缩短获得理想性状和育种世代所需的时间。
工厂化植物快繁技术的关键局限在于,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繁的环境条件。同时,由于植物工厂建设和运营成本高,难以进行大规模的加性育种试验,往往导致种子产量有限,可能限制后续田间性状评价。随着植物工厂设备和技术的逐步完善和完善,植物工厂的建设和运营成本逐渐降低。将植物工厂快速育种技术与其他育种技术有效结合,可以进一步优化快速育种技术,缩短育种周期。
结尾
引用信息
刘开哲,刘厚诚。植物工厂快速育种技术研究进展[J].农业工程技术, 2022,42(22):46-49.
发布时间:Oct-28-2022