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

CO_2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CO_2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CO_2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 CO_2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.