Công nghệ kỹ thuật nông nghiệp trồng trọt trong nhà kínhĐược đăng tải lúc 17:30 ngày 14 tháng 10 năm 2022 tại Bắc Kinh.

Với sự gia tăng liên tục của dân số toàn cầu, nhu cầu về lương thực của con người ngày càng tăng, kéo theo đó là những yêu cầu cao hơn về dinh dưỡng và an toàn thực phẩm. Việc trồng các loại cây trồng năng suất cao và chất lượng cao là một phương pháp quan trọng để giải quyết vấn đề lương thực. Tuy nhiên, phương pháp lai tạo truyền thống mất nhiều thời gian để tạo ra các giống ưu tú, điều này hạn chế sự tiến bộ của công tác lai tạo giống. Đối với các cây trồng tự thụ phấn hàng năm, có thể mất từ ​​10 đến 15 năm kể từ lần lai tạo bố mẹ đầu tiên đến khi tạo ra giống mới. Do đó, để đẩy nhanh tiến độ lai tạo giống cây trồng, việc nâng cao hiệu quả lai tạo và rút ngắn thời gian thế hệ là vô cùng cấp thiết.

Nhân giống nhanh là phương pháp tối đa hóa tốc độ sinh trưởng của cây, đẩy nhanh quá trình ra hoa và kết trái, đồng thời rút ngắn chu kỳ sinh trưởng bằng cách kiểm soát các điều kiện môi trường trong phòng trồng khép kín hoàn toàn. Nhà máy trồng cây là một hệ thống nông nghiệp có thể đạt được năng suất cây trồng cao thông qua việc kiểm soát môi trường chính xác cao trong các cơ sở, và đây là môi trường lý tưởng cho nhân giống nhanh. Các điều kiện môi trường trồng trọt như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ CO2 trong nhà máy tương đối dễ kiểm soát, và ít bị ảnh hưởng bởi khí hậu bên ngoài. Dưới điều kiện môi trường được kiểm soát, cường độ ánh sáng, thời gian chiếu sáng và nhiệt độ tối ưu có thể đẩy nhanh các quá trình sinh lý khác nhau của cây, đặc biệt là quang hợp và ra hoa, do đó rút ngắn thời gian sinh trưởng của cây trồng. Sử dụng công nghệ nhà máy trồng cây để kiểm soát sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng, thu hoạch quả sớm, chỉ cần một vài hạt có khả năng nảy mầm là có thể đáp ứng nhu cầu nhân giống.

Chu kỳ ánh sáng, yếu tố môi trường chính ảnh hưởng đến chu kỳ sinh trưởng của cây trồng.

Chu kỳ ánh sáng đề cập đến sự luân phiên giữa thời kỳ chiếu sáng và thời kỳ tối trong một ngày. Chu kỳ ánh sáng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, phát triển, ra hoa và kết trái của cây trồng. Bằng cách cảm nhận sự thay đổi của chu kỳ ánh sáng, cây trồng có thể chuyển từ giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng sang giai đoạn sinh sản và hoàn thành quá trình ra hoa và kết trái. Các giống và kiểu gen cây trồng khác nhau có phản ứng sinh lý khác nhau đối với sự thay đổi quang chu kỳ. Đối với cây ưa nắng dài, khi thời gian chiếu sáng vượt quá độ dài nắng tới hạn, thời gian ra hoa thường được đẩy nhanh do sự kéo dài của quang chu kỳ, ví dụ như yến mạch, lúa mì và lúa mạch. Cây trung tính, bất kể quang chu kỳ, đều sẽ ra hoa, ví dụ như lúa, ngô và dưa chuột. Cây ưa nắng ngắn ngày, ví dụ như bông, đậu nành và kê, cần quang chu kỳ thấp hơn độ dài nắng tới hạn để ra hoa. Trong điều kiện môi trường nhân tạo với 8 giờ chiếu sáng và nhiệt độ cao 30℃, thời gian ra hoa của rau dền sớm hơn hơn 40 ngày so với điều kiện ngoài đồng ruộng. Dưới chế độ chiếu sáng theo chu kỳ 16/8 giờ (sáng/tối), cả bảy giống lúa mạch đều ra hoa sớm: Franklin (36 ngày), Gairdner (35 ngày), Gimmett (33 ngày), Commander (30 ngày), Fleet (29 ngày), Baudin (26 ngày) và Lockyer (25 ngày).

Trong môi trường nhân tạo, thời gian sinh trưởng của lúa mì có thể được rút ngắn bằng cách sử dụng phương pháp nuôi cấy phôi để thu được cây con, sau đó chiếu xạ trong 16 giờ, và có thể tạo ra 8 thế hệ mỗi năm. Thời gian sinh trưởng của đậu Hà Lan được rút ngắn từ 143 ngày trong môi trường ngoài trời xuống còn 67 ngày trong nhà kính nhân tạo với chu kỳ chiếu sáng 16 giờ. Bằng cách kéo dài thời gian chiếu sáng lên 20 giờ và kết hợp với nhiệt độ 21°C/16°C (ngày/đêm), thời gian sinh trưởng của đậu Hà Lan có thể được rút ngắn xuống còn 68 ngày, và tỷ lệ đậu hạt đạt 97,8%. Trong điều kiện môi trường được kiểm soát, sau khi xử lý bằng chu kỳ chiếu sáng 20 giờ, mất 32 ngày từ khi gieo hạt đến khi ra hoa, và toàn bộ thời gian sinh trưởng là 62-71 ngày, ngắn hơn so với điều kiện ngoài trời hơn 30 ngày. Trong điều kiện nhà kính nhân tạo với chu kỳ chiếu sáng 22 giờ, thời gian ra hoa của lúa mì, lúa mạch, cải dầu và đậu gà được rút ngắn trung bình lần lượt là 22, 64, 73 và 33 ngày. Kết hợp với việc thu hoạch hạt giống sớm, tỷ lệ nảy mầm của hạt giống thu hoạch sớm có thể đạt trung bình lần lượt là 92%, 98%, 89% và 94%, đáp ứng đầy đủ nhu cầu nhân giống. Các giống sinh trưởng nhanh nhất có thể liên tục sản xuất 6 thế hệ (lúa mì) và 7 thế hệ (lúa mì). Trong điều kiện chiếu sáng 22 giờ, thời gian ra hoa của yến mạch giảm 11 ngày, và 21 ngày sau khi ra hoa, có thể đảm bảo ít nhất 5 hạt giống khả thi, và có thể nhân giống liên tục 5 thế hệ mỗi năm. Trong nhà kính nhân tạo với chiếu sáng 22 giờ, thời gian sinh trưởng của đậu lăng rút ngắn xuống còn 115 ngày, và chúng có thể sinh sản 3-4 thế hệ mỗi năm. Trong điều kiện chiếu sáng liên tục 24 giờ trong nhà kính nhân tạo, chu kỳ sinh trưởng của lạc giảm từ 145 ngày xuống còn 89 ngày, và có thể nhân giống 4 thế hệ trong một năm.

Chất lượng ánh sáng

Ánh sáng đóng vai trò thiết yếu trong sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Ánh sáng có thể điều khiển sự ra hoa bằng cách tác động đến nhiều thụ thể quang học. Tỷ lệ ánh sáng đỏ (R) so với ánh sáng xanh (B) rất quan trọng đối với sự ra hoa của cây trồng. Bước sóng ánh sáng đỏ từ 600~700nm chứa đỉnh hấp thụ của chất diệp lục ở 660nm, có thể thúc đẩy quá trình quang hợp hiệu quả. Bước sóng ánh sáng xanh từ 400~500nm sẽ ảnh hưởng đến tính hướng sáng của cây, sự mở khí khổng và sự phát triển của cây con. Ở lúa mì, tỷ lệ ánh sáng đỏ so với ánh sáng xanh xấp xỉ 1, có thể kích thích ra hoa sớm nhất. Dưới chất lượng ánh sáng R:B=4:1, thời gian sinh trưởng của các giống đậu nành chín trung bình và chín muộn được rút ngắn từ 120 ngày xuống còn 63 ngày, chiều cao cây và sinh khối dinh dưỡng giảm, nhưng năng suất hạt không bị ảnh hưởng, vẫn đảm bảo ít nhất một hạt mỗi cây, và tỷ lệ nảy mầm trung bình của hạt chưa chín là 81,7%. Trong điều kiện chiếu sáng 10 giờ mỗi ngày và bổ sung ánh sáng xanh, cây đậu nành phát triển thấp và khỏe, ra hoa sau 23 ngày gieo trồng, trưởng thành trong vòng 77 ngày và có thể sinh sản đến 5 thế hệ trong một năm.

Tỷ lệ giữa ánh sáng đỏ và ánh sáng đỏ xa (FR) cũng ảnh hưởng đến sự ra hoa của cây. Sắc tố quang nhạy tồn tại ở hai dạng: hấp thụ ánh sáng đỏ xa (Pfr) và hấp thụ ánh sáng đỏ (Pr). Ở tỷ lệ R:FR thấp, sắc tố quang nhạy được chuyển đổi từ Pfr sang Pr, dẫn đến sự ra hoa của các cây ngày dài. Sử dụng đèn LED để điều chỉnh tỷ lệ R:FR thích hợp (0,66~1,07) có thể làm tăng chiều cao cây, thúc đẩy sự ra hoa của các cây ngày dài (như hoa bìm bìm và hoa mõm chó) và ức chế sự ra hoa của các cây ngày ngắn (như hoa cúc vạn thọ). Khi tỷ lệ R:FR lớn hơn 3,1, thời gian ra hoa của đậu lăng bị chậm lại. Giảm tỷ lệ R:FR xuống 1,9 có thể đạt được hiệu quả ra hoa tốt nhất, và cây có thể nở hoa vào ngày thứ 31 sau khi gieo hạt. Tác dụng của ánh sáng đỏ trong việc ức chế ra hoa được điều hòa bởi sắc tố quang nhạy Pr. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi tỷ lệ R:FR cao hơn 3,5, thời gian ra hoa của năm loại cây họ đậu (đậu Hà Lan, đậu xanh, đậu tằm, đậu lăng và đậu lupin) sẽ bị trì hoãn. Ở một số giống rau dền và lúa, ánh sáng đỏ xa được sử dụng để thúc đẩy quá trình ra hoa sớm hơn lần lượt 10 ngày và 20 ngày.

Phân bón CO₂

CO₂là nguồn carbon chính cho quá trình quang hợp. Nồng độ CO cao₂Thông thường, CO2 có thể thúc đẩy sự sinh trưởng và sinh sản của thực vật C3 hàng năm, trong khi CO2 nồng độ thấp thì không.₂Việc thiếu hụt carbon có thể làm giảm năng suất sinh trưởng và sinh sản. Ví dụ, hiệu quả quang hợp của thực vật C3, như lúa và lúa mì, tăng lên khi nồng độ CO2 tăng.₂mức độ này dẫn đến sự gia tăng sinh khối và ra hoa sớm. Để nhận ra tác động tích cực của CO2₂Khi nồng độ CO2 tăng lên, có thể cần phải tối ưu hóa việc cung cấp nước và chất dinh dưỡng. Do đó, trong điều kiện đầu tư không giới hạn, thủy canh có thể phát huy tối đa tiềm năng sinh trưởng của cây trồng. Nồng độ CO2 thấp₂Nồng độ CO2 cao làm chậm thời gian ra hoa của cây Arabidopsis thaliana, trong khi CO2 cao lại gây hại.₂Nồng độ CO2 cao đã đẩy nhanh thời gian ra hoa của lúa, rút ​​ngắn thời kỳ sinh trưởng của lúa xuống còn 3 tháng và cho năng suất 4 thế hệ mỗi năm. Bằng cách bổ sung CO2₂Khi nồng độ CO2 tăng lên 785,7 μmol/mol trong hộp nuôi cấy nhân tạo, chu kỳ sinh sản của giống đậu nành 'Enrei' được rút ngắn xuống còn 70 ngày, và nó có thể sinh sản 5 thế hệ trong một năm. Khi nồng độ CO2 tăng lên, chu kỳ sinh sản của giống đậu nành 'Enrei' được rút ngắn xuống còn 70 ngày, và nó có thể sinh sản 5 thế hệ trong một năm.₂Khi nồng độ CO2 tăng lên đến 550 μmol/mol, quá trình ra hoa của cây Cajanus cajan bị trì hoãn 8-9 ngày, và thời gian đậu quả và chín cũng bị trì hoãn 9 ngày. Cây Cajanus cajan tích lũy đường không tan ở nồng độ CO2 cao.₂Nồng độ CO2 cao có thể ảnh hưởng đến quá trình truyền tín hiệu của cây và làm chậm quá trình ra hoa. Ngoài ra, trong phòng trồng cây với nồng độ CO2 cao,₂Số lượng và chất lượng hoa đậu nành tăng lên, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lai giống, và tỷ lệ lai giống của nó cao hơn nhiều so với đậu nành trồng ngoài đồng.

Triển vọng tương lai

Nông nghiệp hiện đại có thể đẩy nhanh quá trình chọn giống cây trồng bằng phương pháp lai tạo luân canh và lai tạo trong nhà kính. Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn còn một số nhược điểm, chẳng hạn như yêu cầu khắt khe về địa lý, chi phí nhân công cao và điều kiện tự nhiên không ổn định, không thể đảm bảo thu hoạch giống thành công. Lai tạo trong nhà kính bị ảnh hưởng bởi điều kiện khí hậu, và thời gian bổ sung thế hệ bị hạn chế. Trong khi đó, lai tạo bằng chỉ thị phân tử chỉ đẩy nhanh quá trình chọn lọc và xác định các đặc điểm mục tiêu của giống. Hiện nay, công nghệ lai tạo nhanh đã được áp dụng cho các loại cây họ đậu, họ đậu, họ cải và các loại cây trồng khác. Tuy nhiên, lai tạo nhanh trong nhà kính hoàn toàn loại bỏ ảnh hưởng của điều kiện khí hậu, và có thể điều chỉnh môi trường sinh trưởng theo nhu cầu sinh trưởng và phát triển của cây. Bằng cách kết hợp hiệu quả công nghệ lai tạo nhanh trong nhà kính với phương pháp lai tạo truyền thống, lai tạo bằng chỉ thị phân tử và các phương pháp lai tạo khác, trong điều kiện lai tạo nhanh, thời gian cần thiết để thu được các dòng thuần chủng sau khi lai tạo có thể được rút ngắn, đồng thời, có thể chọn lọc các thế hệ đầu tiên để rút ngắn thời gian cần thiết để thu được các đặc điểm lý tưởng và các thế hệ lai tạo.

Hạn chế chính của công nghệ chọn giống nhanh trong nhà máy là điều kiện môi trường cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của các loại cây trồng khác nhau khá khác biệt, và cần rất nhiều thời gian để có được điều kiện môi trường cho việc chọn giống nhanh các loại cây trồng mục tiêu. Đồng thời, do chi phí xây dựng và vận hành nhà máy trồng trọt cao, việc tiến hành thí nghiệm chọn giống bổ sung quy mô lớn rất khó khăn, thường dẫn đến năng suất hạt giống hạn chế, có thể hạn chế việc đánh giá đặc điểm ngoài đồng ruộng sau đó. Với sự cải tiến và nâng cao dần dần của thiết bị và công nghệ nhà máy trồng trọt, chi phí xây dựng và vận hành nhà máy trồng trọt đang dần giảm xuống. Có thể tối ưu hóa hơn nữa công nghệ chọn giống nhanh và rút ngắn chu kỳ chọn giống bằng cách kết hợp hiệu quả công nghệ chọn giống nhanh trong nhà máy trồng trọt với các kỹ thuật chọn giống khác.

KẾT THÚC

Thông tin được trích dẫn

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Tiến bộ nghiên cứu về công nghệ nhân giống nhanh trong nhà máy thực vật [J]. Công nghệ kỹ thuật nông nghiệp, 2022, 42(22):46-49.