Gewächshaus-Gartenbau-AgrartechnikVeröffentlicht am 14. Oktober 2022 um 17:30 Uhr in Peking

Angesichts des stetigen Wachstums der Weltbevölkerung steigt der Nahrungsmittelbedarf kontinuierlich, und die Anforderungen an Nährwert und Lebensmittelsicherheit nehmen zu. Der Anbau ertragreicher und qualitativ hochwertiger Nutzpflanzen ist ein wichtiger Ansatzpunkt zur Lösung der Ernährungsprobleme. Die traditionelle Züchtungsmethode ist jedoch zeitaufwendig und hemmt den Fortschritt der Pflanzenzüchtung. Bei einjährigen, selbstbefruchtenden Pflanzen können von der ersten Kreuzung der Elternpflanzen bis zur Entstehung einer neuen Sorte 10 bis 15 Jahre vergehen. Um den Fortschritt der Pflanzenzüchtung zu beschleunigen, ist es daher dringend erforderlich, die Züchtungseffizienz zu steigern und die Generationszeit zu verkürzen.

Schnelle Pflanzenzüchtung bedeutet, das Pflanzenwachstum zu maximieren, Blüte und Fruchtbildung zu beschleunigen und den Züchtungszyklus durch die Kontrolle der Umweltbedingungen in einem vollständig geschlossenen Klimaraum zu verkürzen. Eine Pflanzenfabrik ist ein Agrarsystem, das durch hochpräzise Umweltkontrolle eine hocheffiziente Pflanzenproduktion ermöglicht und ideale Bedingungen für die schnelle Pflanzenzüchtung bietet. Die Umweltbedingungen wie Licht, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO₂-Konzentration sind in der Fabrik relativ gut kontrollierbar und werden kaum vom Außenklima beeinflusst. Unter kontrollierten Umweltbedingungen beschleunigen optimale Lichtintensität, Lichtdauer und Temperatur verschiedene physiologische Prozesse der Pflanzen, insbesondere Photosynthese und Blüte, und verkürzen so die Generationszeit. Durch die Nutzung der Pflanzenfabrik-Technologie zur Steuerung von Wachstum und Entwicklung sowie zur frühzeitigen Ernte der Früchte können bereits wenige keimfähige Samen den Züchtungsbedarf decken.

Photoperiode, der wichtigste Umweltfaktor, der den Pflanzenwachstumszyklus beeinflusst

Der Lichtzyklus beschreibt den Wechsel von Licht- und Dunkelphasen innerhalb eines Tages. Er ist ein wichtiger Faktor für Wachstum, Entwicklung, Blüte und Fruchtbildung von Nutzpflanzen. Durch die Wahrnehmung von Veränderungen im Lichtzyklus können Pflanzen vom vegetativen zum reproduktiven Wachstum übergehen und schließlich blühen und Früchte tragen. Verschiedene Pflanzensorten und Genotypen reagieren unterschiedlich auf Veränderungen der Photoperiode. Bei langsonnenliebenden Pflanzen wie Hafer, Weizen und Gerste beschleunigt sich die Blütezeit in der Regel, sobald die Sonnenscheindauer die kritische Länge überschreitet. Neutrale Pflanzen wie Reis, Mais und Gurken blühen unabhängig von der Photoperiode. Kurztagpflanzen wie Baumwolle, Sojabohnen und Hirse benötigen eine Photoperiode unterhalb der kritischen Sonnenscheindauer, um zu blühen. Unter künstlichen Umweltbedingungen mit 8 Stunden Licht und 30 °C Temperatur blüht Amarant mehr als 40 Tage früher als im Freiland. Bei einer Licht-Dunkel-Bedingung von 16/8 Stunden blühten alle sieben Gerstengenotypen früh: Franklin (36 Tage), Gairdner (35 Tage), Gimmett (33 Tage), Commander (30 Tage), Fleet (29 Tage), Baudin (26 Tage) und Lockyer (25 Tage).

Unter künstlichen Bedingungen lässt sich die Wachstumsperiode von Weizen verkürzen, indem man Keimlinge mittels Embryokultur gewinnt und diese anschließend 16 Stunden lang bestrahlt. So können jährlich acht Generationen erzeugt werden. Die Wachstumsperiode von Erbsen verkürzte sich von 143 Tagen im Freiland auf 67 Tage im Gewächshaus mit 16 Stunden Licht. Durch eine weitere Verlängerung der Photoperiode auf 20 Stunden in Kombination mit einer Tag-/Nachttemperatur von 21 °C/16 °C konnte die Wachstumsperiode auf 68 Tage verkürzt werden, bei einer Kornansatzrate von 97,8 %. Unter kontrollierten Bedingungen dauert es nach einer 20-stündigen Photoperiode 32 Tage von der Aussaat bis zur Blüte, die gesamte Wachstumsperiode beträgt 62–71 Tage und ist damit mehr als 30 Tage kürzer als im Freiland. Unter den Bedingungen eines künstlichen Gewächshauses mit 22-stündiger Photoperiode verkürzt sich die Blütezeit von Weizen, Gerste, Raps und Kichererbse im Durchschnitt um 22, 64, 73 bzw. 33 Tage. In Kombination mit der frühen Saatguternte erreichen die Keimungsraten des früh geernteten Saatguts durchschnittlich 92 %, 98 %, 89 % bzw. 94 % und erfüllen damit die Anforderungen der Züchtung vollumfänglich. Die schnellsten Sorten können bis zu 6 (Weizen) bzw. 7 (Kichererbsen) Generationen hervorbringen. Unter den Bedingungen einer 22-stündigen Photoperiode verkürzt sich die Blütezeit von Hafer um 11 Tage. 21 Tage nach der Blüte sind mindestens 5 keimfähige Samen vorhanden, sodass jährlich fünf Generationen vermehrt werden können. Im künstlichen Gewächshaus mit 22-stündiger Beleuchtung verkürzt sich die Wachstumsperiode von Linsen auf 115 Tage, und sie können 3–4 Generationen pro Jahr hervorbringen. Unter der Bedingung einer 24-stündigen Dauerbeleuchtung im künstlichen Gewächshaus verkürzt sich der Wachstumszyklus der Erdnuss von 145 Tagen auf 89 Tage, und sie kann innerhalb eines Jahres über 4 Generationen vermehrt werden.

Lichtqualität

Licht spielt eine entscheidende Rolle für Wachstum und Entwicklung von Pflanzen. Es steuert die Blüte durch Beeinflussung zahlreicher Photorezeptoren. Das Verhältnis von Rotlicht (R) zu Blaulicht (B) ist für die Blütenbildung von Nutzpflanzen von großer Bedeutung. Die Wellenlänge des roten Lichts (600–700 nm) enthält das Absorptionsmaximum des Chlorophylls bei 660 nm und fördert so effektiv die Photosynthese. Die Wellenlänge des blauen Lichts (400–500 nm) beeinflusst den Phototropismus der Pflanzen, die Stomataöffnung und das Wachstum der Keimlinge. Bei Weizen führt ein Rotlicht-Blaulicht-Verhältnis von etwa 1 zur frühesten Blüte. Unter einer Lichtqualität von R:B = 4:1 verkürzte sich die Wachstumsperiode mittel- und spätreifender Sojabohnensorten von 120 auf 63 Tage. Pflanzenhöhe und Nährstoffbiomasse nahmen ab, der Samenertrag blieb jedoch unbeeinträchtigt und erreichte mindestens einen Samen pro Pflanze. Die durchschnittliche Keimrate unreifer Samen lag bei 81,7 %. Unter der Bedingung einer 10-stündigen Beleuchtung und zusätzlicher Blaulichtzufuhr wurden die Sojabohnenpflanzen klein und kräftig, blühten 23 Tage nach der Aussaat, reiften innerhalb von 77 Tagen und konnten sich in einem Jahr über 5 Generationen fortpflanzen.

Das Verhältnis von Rotlicht zu Fernrotlicht (FR) beeinflusst die Blütenbildung von Pflanzen. Lichtempfindliche Pigmente existieren in zwei Formen: Fernrotlicht-absorbierend (Pfr) und Rotlicht-absorbierend (Pr). Bei einem niedrigen R:FR-Verhältnis werden die lichtempfindlichen Pigmente von Pfr in Pr umgewandelt, was zur Blüte von Langtagpflanzen führt. Durch die Verwendung von LED-Lampen zur Regulierung des optimalen R:FR-Verhältnisses (0,66–1,07) kann das Pflanzenwachstum gefördert, die Blüte von Langtagpflanzen (wie Prunkwinde und Löwenmäulchen) angeregt und die Blüte von Kurztagpflanzen (wie Ringelblumen) gehemmt werden. Bei einem R:FR-Verhältnis über 3,1 verzögert sich die Blüte von Linsen. Eine Reduzierung des R:FR-Verhältnisses auf 1,9 führt zu einer optimalen Blüte, die am 31. Tag nach der Aussaat einsetzt. Die hemmende Wirkung von Rotlicht auf die Blüte wird durch das lichtempfindliche Pigment Pr vermittelt. Studien haben gezeigt, dass sich die Blütezeit von fünf Leguminosen (Erbse, Kichererbse, Ackerbohne, Linse und Lupine) verzögert, wenn das Rot/Fernrot-Verhältnis (R:FR) über 3,5 liegt. Bei einigen Amarant- und Reissorten wird Fernrotlicht eingesetzt, um die Blüte um 10 bzw. 20 Tage vorzuverlegen.

Dünger CO₂

CO₂ist die Hauptkohlenstoffquelle der Photosynthese. Hohe CO₂-Konzentrationen₂kann in der Regel das Wachstum und die Vermehrung von C3-Einjährigen fördern, während niedrige CO2-Konzentrationen in der Regel das Wachstum und die Fortpflanzung von C3-Einjährigen fördern.₂Kohlenstoffmangel kann das Wachstum und die Reproduktionsrate verringern. Beispielsweise steigt die Photosyntheseeffizienz von C3-Pflanzen wie Reis und Weizen mit zunehmendem CO₂-Gehalt.₂Dies führt zu einer Zunahme der Biomasse und einer früheren Blüte. Um die positiven Auswirkungen von CO₂ zu realisieren, muss der CO₂-Gehalt erhöht werden.₂Bei steigender Konzentration kann eine Optimierung der Wasser- und Nährstoffversorgung erforderlich sein. Daher kann die Hydrokultur bei unbegrenzten Investitionsmöglichkeiten das Wachstumspotenzial von Pflanzen voll ausschöpfen. Niedriges CO₂₂Eine hohe CO₂-Konzentration verzögerte die Blütezeit von Arabidopsis thaliana.₂Die Konzentration beschleunigte die Blütezeit des Reises, verkürzte die Wachstumsperiode auf 3 Monate und ermöglichte die Vermehrung von 4 Generationen pro Jahr. Durch die Zugabe von CO₂₂Bei einer CO₂-Konzentration von 785,7 μmol/mol in der künstlichen Wachstumskammer verkürzte sich der Zuchtzyklus der Sojabohnensorte „Enrei“ auf 70 Tage, und sie konnte fünf Generationen pro Jahr hervorbringen.₂Bei einer CO₂-Konzentration von 550 μmol/mol verzögerte sich die Blüte von Cajanus cajan um 8–9 Tage, und auch der Fruchtansatz und die Fruchtreife verzögerten sich um 9 Tage. Cajanus cajan reicherte bei hohen CO₂-Konzentrationen unlöslichen Zucker an.₂Die erhöhte CO₂-Konzentration kann die Signalübertragung der Pflanzen beeinträchtigen und die Blüte verzögern. Zudem kann es in Wachstumsräumen mit erhöhtem CO₂-Gehalt zu einer erhöhten CO₂-Konzentration kommen.₂, die Anzahl und Qualität der Sojabohnenblüten nehmen zu, was die Hybridisierung begünstigt, und ihre Hybridisierungsrate ist viel höher als die von Sojabohnen, die auf dem Feld angebaut werden.

Zukunftsaussichten

Die moderne Landwirtschaft kann die Pflanzenzüchtung durch alternative und industrielle Züchtung beschleunigen. Diese Methoden weisen jedoch Nachteile auf, wie z. B. strenge geografische Anforderungen, hohen Arbeitsaufwand und instabile natürliche Bedingungen, die keine erfolgreiche Saatguternte garantieren. Die industrielle Züchtung ist von klimatischen Bedingungen beeinflusst, und die Generationszeit ist begrenzt. Molekularmarker-Züchtung hingegen beschleunigt lediglich die Selektion und Bestimmung der gewünschten Züchtungsmerkmale. Derzeit wird die Schnellzüchtungstechnologie bei Süßgräsern, Hülsenfrüchtlern, Kreuzblütlern und anderen Kulturpflanzen angewendet. Die industrielle Schnellzüchtung umgeht jedoch vollständig den Einfluss klimatischer Bedingungen und ermöglicht die Regulierung der Wachstumsbedingungen entsprechend den Bedürfnissen der Pflanzen. Durch die effektive Kombination der industriellen Schnellzüchtungstechnologie mit traditioneller Züchtung, molekularmarker-Züchtung und anderen Züchtungsmethoden kann unter den Bedingungen der Schnellzüchtung die Zeit bis zur Gewinnung homozygoter Linien nach der Hybridisierung verkürzt werden. Gleichzeitig können frühe Generationen selektiert werden, um die Zeit bis zur Gewinnung idealer Merkmale und Zuchtgenerationen zu verkürzen.

Die größte Einschränkung der Pflanzenzüchtungstechnologie in Pflanzenfabriken besteht darin, dass die für das Wachstum und die Entwicklung verschiedener Nutzpflanzen erforderlichen Umweltbedingungen sehr unterschiedlich sind und es lange dauert, die für die schnelle Züchtung der Zielpflanzen notwendigen Bedingungen zu schaffen. Gleichzeitig erschweren die hohen Kosten für Bau und Betrieb von Pflanzenfabriken groß angelegte additive Züchtungsversuche, was häufig zu geringen Saatguterträgen führt und die anschließende Feldbewertung der Eigenschaften einschränken kann. Mit der stetigen Verbesserung der Anlagen und Technologien in Pflanzenfabriken lassen sich die Bau- und Betriebskosten schrittweise senken. Durch die effektive Kombination der Pflanzenzüchtungstechnologie in Pflanzenfabriken mit anderen Züchtungsmethoden ist es möglich, die Technologie weiter zu optimieren und den Züchtungszyklus zu verkürzen.

ENDE

Zitierte Informationen

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Forschungsfortschritte bei der Schnellzüchtungstechnologie für Pflanzenfabriken [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022, 42(22): 46-49.