טכנולוגיית הנדסה חקלאית לגננות חממהפורסם בשעה 17:30 ב-14 באוקטובר 2022 בבייג'ינג

עם הגידול המתמשך של אוכלוסיית העולם, הביקוש של אנשים למזון עולה מיום ליום, ועולות דרישות גבוהות יותר לתזונת המזון ולבטיחותו. גידול גידולים בעלי תפוקה גבוהה ואיכותית הוא אמצעי חשוב לפתרון בעיות מזון. עם זאת, שיטת הרבייה המסורתית אורכת זמן רב לטיפוח זנים מצוינים, דבר המגביל את התקדמות הרבייה. עבור גידולים חד-שנתיים בעלי האבקה עצמית, ייתכן שיחלפו 10-15 שנים מההכלאה הראשונית של ההורים ועד לייצור זן חדש. לכן, על מנת להאיץ את התקדמות הרבייה, דחוף לשפר את יעילות הרבייה ולקצר את זמן הדור.

גידול מהיר פירושו למקסם את קצב הצמיחה של צמחים, להאיץ את הפריחה והפרי, ולקצר את מחזור הרבייה על ידי שליטה בתנאי הסביבה בחדר גידול סגור לחלוטין עם סביבה מבוקרת. מפעל צמחים הוא מערכת חקלאית שיכולה להשיג ייצור יבולים ביעילות גבוהה באמצעות בקרת סביבה מדויקת במתקנים, והוא מהווה סביבה אידיאלית לגידול מהיר. תנאי סביבת השתילה כגון אור, טמפרטורה, לחות וריכוז CO2 במפעל ניתנים לשליטה יחסית, ואינם מושפעים או פחות מושפעים מהאקלים החיצוני. בתנאי סביבה מבוקרים, עוצמת האור, זמן האור והטמפרטורה הטובים ביותר יכולים להאיץ תהליכים פיזיולוגיים שונים של צמחים, במיוחד פוטוסינתזה ופריחה, ובכך לקצר את זמן ייצור הגידול. שימוש בטכנולוגיית מפעל צמחים לשליטה בגדילת והתפתחות היבולים, קציר פירות מראש, כל עוד מספר זרעים עם יכולת נביטה יכול לענות על צרכי הרבייה.

פוטו-פרקיודה, הגורם הסביבתי העיקרי המשפיע על מחזור גידול היבולים

מחזור האור מתייחס לסירוגין בין תקופת האור לתקופת החושך ביום. מחזור האור הוא גורם חשוב המשפיע על הצמיחה, ההתפתחות, הפריחה והפרי של גידולים. על ידי חישת השינוי במחזור האור, גידולים יכולים לעבור מצמיחה וגטטיבית לצמיחה רבייתית ופריחה ופירות מלאים. זני גידולים וגנוטיפים שונים תגובות פיזיולוגיות שונות לשינויים בתקופת האור. צמחים בעלי אור שמש ארוך, ברגע שזמן אור השמש חורג מאורך אור השמש הקריטי, זמן הפריחה בדרך כלל מואץ על ידי הארכת תקופת האור, כגון שיבולת שועל, חיטה ושעורה. צמחים ניטרליים, ללא קשר לתקופת האור, יפרחו, כגון אורז, תירס ומלפפון. צמחים בעלי יום קצר, כגון כותנה, סויה ודוחן, זקוקים לתקופת אור קצרה מאורך אור השמש הקריטי כדי לפרוח. בתנאי סביבה מלאכותית של 8 שעות אור וטמפרטורה גבוהה של 30 מעלות צלזיוס, זמן הפריחה של אמרנט מוקדם יותר מ-40 יום מזה שבסביבת שדה. תחת טיפול במחזור אור של 16/8 שעות (בהיר/חושך), כל שבעת הגנוטיפים של שעורה פרחו מוקדם: פרנקלין (36 ימים), גיירדנר (35 ימים), גימט (33 ימים), קומנדר (30 ימים), פליט (29 ימים), באודין (26 ימים) ולוקייר (25 ימים).

בסביבה מלאכותית, ניתן לקצר את תקופת הגידול של חיטה על ידי שימוש בתרבית עוברים להשגת שתילים, ולאחר מכן הקרנה במשך 16 שעות, וניתן לייצר 8 דורות בכל שנה. תקופת הגידול של אפונה קוצרה מ-143 ימים בסביבת שדה ל-67 ימים בחממה מלאכותית עם 16 שעות אור. על ידי הארכת תקופת האור ל-20 שעות ושילובה עם 21°C/16°C (יום/לילה), ניתן לקצר את תקופת הגידול של אפונה ל-68 ימים, וקצב התייבשות הזרעים הוא 97.8%. בתנאי סביבה מבוקרת, לאחר טיפול אור של 20 שעות, לוקח 32 ימים מזריעה לפריחה, ותקופת הגידול הכוללת היא 62-71 ימים, קצרה יותר מזה שבתנאי שדה ביותר מ-30 ימים. בתנאי חממה מלאכותית עם תקופת אור של 22 שעות, זמן הפריחה של חיטה, שעורה, קנולה וחומוס מתקצר בממוצע ב-22, 64, 73 ו-33 ימים, בהתאמה. בשילוב עם קציר מוקדם של זרעים, שיעורי הנביטה של ​​זרעים שנקטפו מוקדם יכולים להגיע ל-92%, 98%, 89% ו-94% בממוצע, בהתאמה, מה שיכול לענות באופן מלא על צרכי הרבייה. הזנים המהירים ביותר יכולים לייצר ברציפות 6 דורות (חיטה) ו-7 דורות (חיטה). בתנאי תקופת אור של 22 שעות, זמן הפריחה של שיבולת שועל קוצר ב-11 ימים, ו-21 ימים לאחר הפריחה, ניתן להבטיח לפחות 5 זרעים ברי קיימא, וניתן להתרבות ברציפות של חמישה דורות בכל שנה. בחממה מלאכותית עם תאורה של 22 שעות, תקופת הגידול של עדשים מתקצרת ל-115 ימים, והן יכולות להתרבות במשך 3-4 דורות בשנה. בתנאי תאורה רציפה של 24 שעות בחממה מלאכותית, מחזור הגידול של בוטנים מצטמצם מ-145 ימים ל-89 ימים, וניתן להתרבות במשך 4 דורות בשנה אחת.

איכות האור

לאור תפקיד חיוני בגדילה ובהתפתחות של צמחים. אור יכול לשלוט בפריחה על ידי השפעה על קולטני אור רבים. היחס בין אור אדום (R) לאור כחול (B) חשוב מאוד לפריחה של גידולים. אורך גל אור אדום של 600~700 ננומטר מכיל שיא ספיגה של כלורופיל של 660 ננומטר, שיכול לקדם ביעילות פוטוסינתזה. אורך גל אור כחול של 400~500 ננומטר ישפיע על פוטוטרופיזם של הצמח, פתיחת הפיוניות וצמיחת השתילים. בחיטה, היחס בין אור אדום לאור כחול הוא כ-1, מה שיכול לגרום לפריחה מוקדם ככל האפשר. תחת איכות אור של R:B=4:1, תקופת הגידול של זני סויה בינונית ומאוחרת התקצרה מ-120 ימים ל-63 ימים, וגובה הצמח והביומסה התזונתית פחתו, אך תנובת הזרעים לא נפגעה, מה שיכול לספק לפחות זרע אחד לכל צמח, ושיעור הנביטה הממוצע של זרעים לא בשלים היה 81.7%. בתנאי תאורה של 10 שעות ותוספת אור כחול, צמחי סויה הפכו קצרים וחזקים, פרחו 23 ימים לאחר הזריעה, התבגרו תוך 77 ימים, ויכלו להתרבות במשך 5 דורות בשנה אחת.

היחס בין אור אדום לאור אדום רחוק (FR) משפיע גם הוא על פריחת הצמחים. פיגמנטים רגישים לאור קיימים בשתי צורות: בליעת אור אדום רחוק (Pfr) ובליעת אור אדום (Pr). ביחס R:FR נמוך, פיגמנטים רגישים לאור מומרים מ-Pfr ל-Pr, מה שמוביל לפריחה של צמחים בעלי אור יום ארוך. שימוש בנורות LED לוויסות ה-R:FR המתאים (0.66~1.07) יכול להגדיל את גובה הצמח, לקדם את הפריחה של צמחים בעלי אור יום ארוך (כגון פרפר ולוע הארי), ולעכב את הפריחה של צמחים בעלי אור יום קצר (כגון ציפורני חתול). כאשר ה-R:FR גדול מ-3.1, זמן הפריחה של עדשים מתעכב. הפחתת ה-R:FR ל-1.9 יכולה להשיג את אפקט הפריחה הטוב ביותר, והן יכולות לפרוח ביום ה-31 לאחר הזריעה. השפעת האור האדום על עיכוב הפריחה מתווכת על ידי הפיגמנט הרגיש לאור Pr. מחקרים הצביעו על כך שכאשר R:FR גבוה מ-3.5, זמן הפריחה של חמישה צמחי קטניות (אפונה, חומוס, פול, עדשים ותורמוס) יתעכב. בגנוטיפים מסוימים של אמרנט ואורז, אור אדום רחוק משמש כדי להקדים את הפריחה ב-10 ימים ו-20 ימים בהתאמה.

דשן CO₂

CO₂הוא מקור הפחמן העיקרי לפוטוסינתזה. CO בריכוז גבוה₂בדרך כלל יכול לקדם צמיחה ורבייה של צמחים חד-שנתיים מסוג C3, בעוד ש-CO2 בריכוז נמוך₂עלול להפחית את תפוקת הצמיחה והרבייה עקב מגבלת פחמן. לדוגמה, יעילות הפוטוסינתזה של צמחי C3, כמו אורז וחיטה, עולה עם העלייה ב-CO2₂רמה, וכתוצאה מכך עלייה בביומסה ופריחה מוקדמת. על מנת לממש את ההשפעה החיובית של CO2₂עם עלייה בריכוז, ייתכן שיהיה צורך לייעל את אספקת המים והחומרים המזינים. לכן, בתנאי השקעה בלתי מוגבלת, הידרופוניקה יכולה לממש את מלוא פוטנציאל הצמיחה של הצמחים. CO2 נמוך₂ריכוז עיכב את זמן הפריחה של ארבידופסיס ת'ליאנה, בעוד ש-CO גבוה₂ריכוז האיץ את זמן הפריחה של האורז, קיצר את תקופת הגידול של האורז ל-3 חודשים, והתרבה ​​4 דורות בשנה. על ידי תוספת CO₂ל-785.7 מיקרומול/מול בתיבת הגידול המלאכותית, מחזור הרבייה של זן הסויה 'Enrei' קוצר ל-70 יום, והוא יכול היה להתרבות 5 דורות בשנה אחת. כאשר ה-CO₂כאשר הריכוז עלה ל-550 מיקרומול/מול, הפריחה של צמח ה-Cajanus cajan התעכבה ב-8~9 ימים, וגם זמן ההבשלה והקיבוע של הפרי התעכבו ב-9 ימים. צמח ה-Cajanus cajan צבר סוכר בלתי מסיס ב-CO גבוה.₂ריכוז, אשר עלול להשפיע על העברת האותות של הצמחים ולעכב את הפריחה. בנוסף, בחדר הגידול עם CO2 מוגבר₂, מספר ואיכות פרחי הסויה עולים, דבר התורם להכלאה, ושיעור ההכלאה שלהם גבוה בהרבה מזה של פולי סויה הגדלים בשדה.

סיכויים עתידיים

חקלאות מודרנית יכולה להאיץ את תהליך גידול הגידולים באמצעות גידול אלטרנטיבי וגידול במתקנים. עם זאת, ישנם כמה חסרונות בשיטות אלו, כגון דרישות גיאוגרפיות מחמירות, ניהול עבודה יקר ותנאים טבעיים לא יציבים, שאינם יכולים להבטיח קציר זרעים מוצלח. גידול במתקנים מושפע מתנאי אקלים, והזמן להוספת דורות מוגבל. עם זאת, גידול בסמנים מולקולריים רק מאיץ את הבחירה והקביעה של תכונות יעד לגידול. כיום, טכנולוגיית גידול מהיר יושמה על גרמינה, קטניות, מצליבים וגידולים אחרים. עם זאת, גידול מהיר בדור מפעלי צמחים מסיר לחלוטין את השפעת תנאי האקלים, ויכול לווסת את סביבת הגידול בהתאם לצורכי צמיחת והתפתחות הצמח. שילוב יעיל של טכנולוגיית גידול מהיר בדור מפעלי צמחים עם גידול מסורתי, גידול בסמנים מולקולריים ושיטות גידול אחרות, בתנאי גידול מהיר, ניתן להפחית את הזמן הנדרש להשגת קווים הומוזיגוטיים לאחר הכלאה, ובמקביל, ניתן לבחור את הדורות המוקדמים כדי לקצר את הזמן הנדרש להשגת תכונות ודורות גידול אידיאליים.

המגבלה העיקרית של טכנולוגיית הרבייה המהירה של צמחים במפעלים היא שתנאי הסביבה הנדרשים לצמיחה והתפתחות של גידולים שונים שונים למדי, ולוקח זמן רב להשיג את התנאים הסביבתיים לרבייה מהירה של גידולי המטרה. יחד עם זאת, בגלל העלות הגבוהה של בנייה ותפעול של מפעלי צמחים, קשה לבצע ניסוי רבייה תוספי בקנה מידה גדול, מה שלעתים קרובות מוביל ליבול זרעים מוגבל, מה שעשוי להגביל את הערכת אופי השדה לאחר מכן. עם השיפור ההדרגתי של ציוד וטכנולוגיה של מפעלי צמחים, עלות הבנייה והתפעול של מפעלי צמחים מצטמצמת בהדרגה. ניתן לייעל עוד יותר את טכנולוגיית הרבייה המהירה ולקצר את מחזור הרבייה על ידי שילוב יעיל של טכנולוגיית הרבייה המהירה של מפעלי צמחים עם טכניקות רבייה אחרות.

סוֹף

מידע מצוטט

ליו קאיז'ה, ליו הוצ'נג. התקדמות המחקר של טכנולוגיית גידול מהיר במפעלי צמחים [J]. טכנולוגיית הנדסה חקלאית, 2022,42(22):46-49.