Tecnología de ingeniería agrícola hortícola de invernaderoPublicado a las 17:30 el 14 de octubre de 2022 en Pekín

Con el continuo crecimiento de la población mundial, la demanda de alimentos aumenta día a día y se imponen mayores exigencias en materia de nutrición y seguridad alimentaria. Cultivar cultivos de alto rendimiento y calidad es un medio importante para resolver los problemas alimentarios. Sin embargo, el método tradicional de mejoramiento genético requiere mucho tiempo para obtener variedades excelentes, lo que limita el progreso del mejoramiento. En el caso de los cultivos anuales autopolinizantes, pueden transcurrir entre 10 y 15 años desde el cruce inicial de progenitores hasta la producción de una nueva variedad. Por lo tanto, para acelerar el progreso del mejoramiento genético, es urgente mejorar la eficiencia del mejoramiento genético y acortar el tiempo de generación.

La crianza rápida significa maximizar la tasa de crecimiento de las plantas, acelerar la floración y la fructificación, y acortar el ciclo de crianza mediante el control de las condiciones ambientales en una sala de crecimiento con ambiente controlado completamente cerrado. La fábrica de plantas es un sistema agrícola que puede lograr una producción de cultivos de alta eficiencia a través del control ambiental de alta precisión en las instalaciones, y es un entorno ideal para la crianza rápida. Las condiciones del entorno de siembra, como la luz, la temperatura, la humedad y la concentración de CO2 en la fábrica, son relativamente controlables y no se ven afectadas o se ven poco afectadas por el clima externo. En condiciones ambientales controladas, la mejor intensidad de luz, el tiempo de luz y la temperatura pueden acelerar varios procesos fisiológicos de las plantas, especialmente la fotosíntesis y la floración, acortando así el tiempo de generación del crecimiento del cultivo. Utilizando la tecnología de la fábrica de plantas para controlar el crecimiento y desarrollo de los cultivos, cosechando frutos con anticipación, siempre que unas pocas semillas con capacidad de germinación puedan satisfacer las necesidades de crianza.

Fotoperiodo, principal factor ambiental que afecta al ciclo de crecimiento de los cultivos

El ciclo de luz se refiere a la alternancia del período de luz y el período de oscuridad en un día. El ciclo de luz es un factor importante que afecta el crecimiento, desarrollo, floración y fructificación de los cultivos. Al detectar el cambio del ciclo de luz, los cultivos pueden pasar del crecimiento vegetativo al crecimiento reproductivo y completar la floración y fructificación. Diferentes variedades de cultivos y genotipos tienen diferentes respuestas fisiológicas a los cambios de fotoperiodo. Plantas de sol largo, una vez que el tiempo de sol excede la longitud crítica de sol, el tiempo de floración generalmente se acelera por la prolongación del fotoperiodo, como la avena, el trigo y la cebada. Las plantas neutras, independientemente del fotoperiodo, florecerán, como el arroz, el maíz y el pepino. Las plantas de día corto, como el algodón, la soja y el mijo, necesitan un fotoperiodo menor que la longitud crítica de sol para florecer. Bajo las condiciones ambientales artificiales de 8 h de luz y 30 ℃ de temperatura alta, el tiempo de floración del amaranto es más de 40 días antes que en el entorno de campo. Bajo el tratamiento del ciclo de luz 16/8 h (luz/oscuridad), los siete genotipos de cebada florecieron temprano: Franklin (36 días), Gairdner (35 días), Gimmett (33 días), Commander (30 días), Fleet (29 días), Baudin (26 días) y Lockyer (25 días).

En un entorno artificial, el período de crecimiento del trigo se puede acortar utilizando un cultivo de embriones para obtener plántulas y luego irradiando durante 16 horas, y se pueden producir 8 generaciones cada año. El período de crecimiento del guisante se acortó de 143 días en un entorno de campo a 67 días en un invernadero artificial con 16 h de luz. Al prolongar aún más el fotoperíodo a 20 h y combinarlo con 21 °C/16 °C (día/noche), el período de crecimiento del guisante se puede acortar a 68 días, y la tasa de fijación de semillas es del 97,8 %. En condiciones de entorno controlado, después de un tratamiento con fotoperíodo de 20 horas, transcurren 32 días desde la siembra hasta la floración, y el período de crecimiento completo es de 62 a 71 días, que es más corto que en condiciones de campo en más de 30 días. En condiciones de invernadero artificial con fotoperíodo de 22 h, el tiempo de floración del trigo, la cebada, la colza y el garbanzo se acorta en 22, 64, 73 y 33 días de media, respectivamente. Combinado con la cosecha temprana de semillas, las tasas de germinación de las semillas de cosecha temprana pueden alcanzar el 92%, 98%, 89% y 94% en promedio, respectivamente, lo que puede satisfacer completamente las necesidades de mejoramiento. Las variedades más rápidas pueden producir continuamente 6 generaciones (trigo) y 7 generaciones (trigo). Bajo la condición de fotoperíodo de 22 horas, el tiempo de floración de la avena se redujo en 11 días, y 21 días después de la floración, se podrían garantizar al menos 5 semillas viables, y se podrían propagar continuamente cinco generaciones cada año. En el invernadero artificial con iluminación de 22 horas, el período de crecimiento de las lentejas se acorta a 115 días, y pueden reproducirse durante 3-4 generaciones al año. Bajo la condición de iluminación continua de 24 horas en invernadero artificial, el ciclo de crecimiento del maní se reduce de 145 días a 89 días, y se puede propagar durante 4 generaciones en un año.

Calidad de la luz

La luz juega un papel vital en el crecimiento y desarrollo de las plantas. La luz puede controlar la floración al afectar a muchos fotorreceptores. La proporción de luz roja (R) a luz azul (B) es muy importante para la floración de los cultivos. La longitud de onda de la luz roja de 600~700 nm contiene el pico de absorción de clorofila de 660 nm, que puede promover eficazmente la fotosíntesis. La longitud de onda de la luz azul de 400~500 nm afectará el fototropismo de la planta, la apertura estomática y el crecimiento de las plántulas. En el trigo, la proporción de luz roja a luz azul es de aproximadamente 1, lo que puede inducir la floración lo más temprano posible. Bajo la calidad de luz de R:B=4:1, el período de crecimiento de las variedades de soja de maduración media y tardía se acortó de 120 días a 63 días, y la altura de la planta y la biomasa nutricional se redujeron, pero el rendimiento de semillas no se vio afectado, lo que pudo satisfacer al menos una semilla por planta, y la tasa promedio de germinación de semillas inmaduras fue del 81,7%. Bajo la condición de una iluminación de 10 horas y un suplemento de luz azul, las plantas de soja se volvieron cortas y fuertes, florecieron 23 días después de la siembra, maduraron en 77 días y pudieron reproducirse durante 5 generaciones en un año.

La relación entre la luz roja y la luz roja lejana (FR) también afecta la floración de las plantas. Los pigmentos fotosensibles existen en dos formas: absorción de luz roja lejana (Pfr) y absorción de luz roja (Pr). Con una relación R:FR baja, los pigmentos fotosensibles se convierten de Pfr a Pr, lo que provoca la floración de las plantas de día largo. El uso de luces LED para regular la R:FR adecuada (0,66~1,07) puede aumentar la altura de la planta, promover la floración de las plantas de día largo (como la gloria de la mañana y la boca de dragón) e inhibir la floración de las plantas de día corto (como la caléndula). Cuando la R:FR es superior a 3,1, se retrasa el tiempo de floración de las lentejas. Reducir la R:FR a 1,9 puede obtener el mejor efecto de floración, y puede florecer el día 31 después de la siembra. El efecto de la luz roja en la inhibición de la floración está mediado por el pigmento fotosensible Pr. Diversos estudios han señalado que, cuando la relación R:FR es superior a 3,5, se retrasa la floración de cinco leguminosas (guisante, garbanzo, haba, lenteja y altramuz). En algunos genotipos de amaranto y arroz, se utiliza luz roja lejana para adelantar la floración 10 y 20 días, respectivamente.

Fertilizante CO₂

CO₂es la principal fuente de carbono de la fotosíntesis. Alta concentración de CO₂Por lo general, puede promover el crecimiento y la reproducción de las anuales C3, mientras que el CO2 en bajas concentraciones₂Puede reducir el crecimiento y la reproducción debido a la limitación de carbono. Por ejemplo, la eficiencia fotosintética de las plantas C3, como el arroz y el trigo, aumenta con el aumento del CO2.₂nivel, lo que resulta en un aumento de la biomasa y una floración temprana. Para aprovechar el impacto positivo del CO₂Si aumenta la concentración, puede ser necesario optimizar el suministro de agua y nutrientes. Por lo tanto, con una inversión ilimitada, la hidroponía puede liberar plenamente el potencial de crecimiento de las plantas. Bajo CO2.₂La concentración de CO2 retrasó el tiempo de floración de Arabidopsis thaliana, mientras que las altas concentraciones de CO2₂La concentración aceleró la floración del arroz, acortó su período de crecimiento a 3 meses y propagó 4 generaciones al año. Al complementar con CO₂A 785,7 μmol/mol en la caja de crecimiento artificial, el ciclo de reproducción de la variedad de soja 'Enrei' se acortó a 70 días y pudo reproducir cinco generaciones en un año. Cuando el CO₂La concentración aumentó a 550 μmol/mol, lo que retrasó la floración de Cajanus cajan entre 8 y 9 días, y el cuajado y la maduración del fruto también se retrasaron 9 días. Cajanus cajan acumuló azúcar insoluble con altos niveles de CO2.₂Concentración, que puede afectar la transmisión de señales de las plantas y retrasar la floración. Además, en la sala de crecimiento con mayor CO₂, el número y la calidad de las flores de soja aumentan, lo que favorece la hibridación, y su tasa de hibridación es mucho mayor que la de la soja cultivada en el campo.

Perspectivas futuras

La agricultura moderna puede acelerar el proceso de mejoramiento de cultivos mediante el mejoramiento alternativo y el mejoramiento en instalaciones. Sin embargo, estos métodos presentan algunas deficiencias, como los estrictos requisitos geográficos, la costosa gestión de la mano de obra y la inestabilidad de las condiciones naturales, que impiden una cosecha exitosa de semillas. El mejoramiento en instalaciones se ve afectado por las condiciones climáticas, y el tiempo para la adición de generaciones es limitado. Sin embargo, el mejoramiento con marcadores moleculares solo acelera la selección y determinación de los caracteres objetivo. Actualmente, la tecnología de mejoramiento rápido se ha aplicado a gramíneas, leguminosas, crucíferas y otros cultivos. Sin embargo, el mejoramiento rápido de generaciones en plantas industriales elimina por completo la influencia de las condiciones climáticas y permite regular el entorno de crecimiento según las necesidades del crecimiento y desarrollo de las plantas. Al combinar eficazmente la tecnología de mejoramiento rápido de plantas industriales con el mejoramiento tradicional, el mejoramiento con marcadores moleculares y otros métodos de mejoramiento, en condiciones de mejoramiento rápido, se puede reducir el tiempo necesario para obtener líneas homocigotas tras la hibridación y, al mismo tiempo, se pueden seleccionar las primeras generaciones para acortar el tiempo necesario para obtener caracteres y generaciones ideales.

La principal limitación de la tecnología de mejoramiento rápido de plantas en las fábricas radica en la gran diversidad de condiciones ambientales requeridas para el crecimiento y desarrollo de los diferentes cultivos, lo que requiere un largo tiempo para obtener las condiciones ambientales necesarias para el mejoramiento rápido de los cultivos objetivo. Al mismo tiempo, debido al alto costo de construcción y operación de las fábricas, resulta difícil realizar experimentos de mejoramiento aditivo a gran escala, lo que a menudo resulta en una producción de semillas limitada, lo que puede limitar la evaluación posterior de las características de campo. Con la mejora gradual de los equipos y la tecnología de las fábricas, el costo de construcción y operación se reduce gradualmente. Es posible optimizar aún más la tecnología de mejoramiento rápido y acortar el ciclo de mejoramiento mediante la combinación efectiva de la tecnología de mejoramiento rápido de plantas con otras técnicas de mejoramiento.

FIN

Información citada

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Avances en la investigación de la tecnología de mejoramiento rápido de plantas industriales [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022, 42(22):46-49.