تكنولوجيا الهندسة الزراعية البستانية في البيوت الزجاجيةنُشر في الساعة 17:30 يوم 14 أكتوبر 2022 في بكين

مع تزايد عدد سكان العالم باستمرار، يرتفع الطلب على الغذاء يومًا بعد يوم، وتتزايد متطلبات التغذية والسلامة الغذائية. ويُعدّ إنتاج محاصيل عالية الإنتاجية والجودة وسيلةً مهمةً لحلّ مشكلات الغذاء. إلا أن أساليب التهجين التقليدية تستغرق وقتًا طويلاً لإنتاج أصناف ممتازة، مما يُعيق تقدّم عملية التهجين. فبالنسبة للمحاصيل السنوية ذاتية التلقيح، قد يستغرق الأمر من 10 إلى 15 عامًا من التهجين الأولي للآباء إلى إنتاج صنف جديد. لذا، ولتسريع وتيرة تطوير المحاصيل، من الضروري تحسين كفاءة التهجين وتقصير دورة حياة الأجيال.

يهدف التكاثر السريع إلى زيادة معدل نمو النباتات إلى أقصى حد، وتسريع الإزهار والإثمار، وتقصير دورة التكاثر من خلال التحكم في الظروف البيئية داخل غرفة نمو مغلقة تمامًا. يُعدّ مصنع النباتات نظامًا زراعيًا يُحقق إنتاجًا عالي الكفاءة للمحاصيل من خلال التحكم الدقيق في البيئة داخل المنشآت، وهو بيئة مثالية للتكاثر السريع. تتميز ظروف بيئة الزراعة، كالإضاءة ودرجة الحرارة والرطوبة وتركيز ثاني أكسيد الكربون، في المصنع بإمكانية التحكم بها نسبيًا، وهي لا تتأثر أو تتأثر بشكل طفيف بالمناخ الخارجي. في ظل هذه الظروف البيئية المُتحكّم بها، يُمكن لشدة الإضاءة المثلى ومدة الإضاءة ودرجة الحرارة المناسبة تسريع مختلف العمليات الفسيولوجية للنباتات، وخاصة التمثيل الضوئي والإزهار، مما يُقلل من مدة نمو المحصول. باستخدام تقنية مصنع النباتات للتحكم في نمو المحاصيل وتطورها، يُمكن حصاد الثمار مُبكرًا، حيث يكفي عدد قليل من البذور القادرة على الإنبات لتلبية احتياجات التكاثر.

الفترة الضوئية، العامل البيئي الرئيسي الذي يؤثر على دورة نمو المحاصيل

تشير دورة الضوء إلى تعاقب فترات الضوء والظلام خلال اليوم. وتُعدّ دورة الضوء عاملاً هاماً يؤثر على نمو المحاصيل وتطورها وإزهارها وإثمارها. فمن خلال استشعار تغير دورة الضوء، تنتقل المحاصيل من مرحلة النمو الخضري إلى مرحلة النمو التكاثري، ثم تُكمل الإزهار والإثمار. وتختلف الاستجابات الفسيولوجية لتغيرات الفترة الضوئية باختلاف أصناف المحاصيل وأنماطها الوراثية. فالنباتات التي تحتاج إلى ضوء الشمس لفترة طويلة، مثل الشوفان والقمح والشعير، تتسارع عادةً في الإزهار بمجرد تجاوز مدة سطوع الشمس الحد الحرج. أما النباتات المحايدة، مثل الأرز والذرة والخيار، فتزهر بغض النظر عن مدة سطوع الشمس. بينما تحتاج النباتات التي تحتاج إلى ضوء النهار لفترة قصيرة، مثل القطن وفول الصويا والدخن، إلى مدة سطوع شمس أقل من الحد الحرج للإزهار. وفي ظل ظروف بيئية اصطناعية، كإضاءة لمدة 8 ساعات ودرجة حرارة 30 درجة مئوية، يزهر نبات القطيفة قبل موعد إزهاره في الحقل بأكثر من 40 يوماً. في ظل معالجة دورة الضوء 16/8 ساعة (ضوء/ظلام)، أزهرت جميع الأنماط الوراثية السبعة للشعير مبكراً: فرانكلين (36 يوماً)، غاردنر (35 يوماً)، غيميت (33 يوماً)، كوماندير (30 يوماً)، فليت (29 يوماً)، بودان (26 يوماً) ولوكير (25 يوماً).

في البيئة الاصطناعية، يمكن تقصير فترة نمو القمح باستخدام زراعة الأجنة للحصول على الشتلات، ثم تعريضها للإشعاع لمدة 16 ساعة، مما يسمح بإنتاج 8 أجيال سنويًا. كما تم تقصير فترة نمو البازلاء من 143 يومًا في الحقل إلى 67 يومًا في البيوت الزجاجية الاصطناعية مع 16 ساعة من الإضاءة. وبزيادة فترة الإضاءة إلى 20 ساعة مع ضبط درجة الحرارة على 21 درجة مئوية نهارًا و16 درجة مئوية ليلًا، يمكن تقصير فترة نمو البازلاء إلى 68 يومًا، مع نسبة إنبات تصل إلى 97.8%. وفي ظل ظروف البيئة المُتحكم بها، وبعد تعريضها لضوء لمدة 20 ساعة، تستغرق عملية الإزهار 32 يومًا، وتتراوح فترة النمو الإجمالية بين 62 و71 يومًا، أي أقصر من فترة النمو في الحقل بأكثر من 30 يومًا. في ظل ظروف البيوت الزجاجية الاصطناعية ذات فترة إضاءة 22 ساعة، يتقلص وقت إزهار القمح والشعير واللفت والحمص بمقدار 22 و64 و73 و33 يومًا في المتوسط ​​على التوالي. ومع الحصاد المبكر للبذور، تصل معدلات إنباتها إلى 92% و98% و89% و94% في المتوسط ​​على التوالي، مما يلبي احتياجات التربية بشكل كامل. ويمكن للأصناف الأسرع إنتاج 6 أجيال (القمح) و7 أجيال (الحمص) بشكل متواصل. وفي ظل فترة إضاءة 22 ساعة، انخفض وقت إزهار الشوفان بمقدار 11 يومًا، وبعد 21 يومًا من الإزهار، يمكن ضمان الحصول على 5 بذور قابلة للإنبات على الأقل، ويمكن إنتاج 5 أجيال بشكل متواصل كل عام. وفي البيوت الزجاجية الاصطناعية ذات الإضاءة 22 ساعة، تتقلص فترة نمو العدس إلى 115 يومًا، ويمكنه التكاثر لمدة 3-4 أجيال سنويًا. في ظل ظروف الإضاءة المستمرة لمدة 24 ساعة في البيوت الزجاجية الاصطناعية، انخفضت دورة نمو الفول السوداني من 145 يومًا إلى 89 يومًا، ويمكن تكاثره لمدة 4 أجيال في عام واحد.

جودة الإضاءة

يلعب الضوء دورًا حيويًا في نمو النباتات وتطورها. فهو يتحكم في الإزهار من خلال تأثيره على العديد من المستقبلات الضوئية. وتُعد نسبة الضوء الأحمر إلى الضوء الأزرق بالغة الأهمية لإزهار المحاصيل. يحتوي الضوء الأحمر، الذي يتراوح طول موجته بين 600 و700 نانومتر، على ذروة امتصاص الكلوروفيل عند 660 نانومتر، مما يُعزز عملية التمثيل الضوئي بفعالية. أما الضوء الأزرق، الذي يتراوح طول موجته بين 400 و500 نانومتر، فيؤثر على الانتحاء الضوئي للنبات، وفتح الثغور، ونمو الشتلات. في القمح، تبلغ نسبة الضوء الأحمر إلى الأزرق حوالي 1، مما يُحفز الإزهار في وقت مبكر. عند جودة إضاءة بنسبة 4:1 (أحمر:أزرق)، تقلصت فترة نمو أصناف فول الصويا متوسطة ومتأخرة النضج من 120 يومًا إلى 63 يومًا، وانخفض طول النبات وكتلته الحيوية الغذائية، لكن محصول البذور لم يتأثر، إذ يكفي وجود بذرة واحدة على الأقل لكل نبات، وبلغ متوسط ​​معدل إنبات البذور غير الناضجة 81.7%. في ظل ظروف الإضاءة لمدة 10 ساعات مع إضافة الضوء الأزرق، أصبحت نباتات فول الصويا قصيرة وقوية، وأزهرت بعد 23 يومًا من الزراعة، ونضجت في غضون 77 يومًا، ويمكنها التكاثر لمدة 5 أجيال في عام واحد.

تؤثر نسبة الضوء الأحمر إلى الضوء الأحمر البعيد (FR) على إزهار النباتات. توجد الأصباغ الحساسة للضوء في صورتين: امتصاص الضوء الأحمر البعيد (Pfr) وامتصاص الضوء الأحمر (Pr). عند انخفاض نسبة R:FR، تتحول الأصباغ الحساسة للضوء من Pfr إلى Pr، مما يؤدي إلى إزهار نباتات النهار الطويل. يمكن استخدام مصابيح LED لضبط نسبة R:FR المناسبة (0.66-1.07) لزيادة طول النبات، وتعزيز إزهار نباتات النهار الطويل (مثل زهرة الصباح وزهرة أنف العجل)، وتثبيط إزهار نباتات النهار القصير (مثل زهرة القطيفة). عندما تكون نسبة R:FR أكبر من 3.1، يتأخر وقت إزهار العدس. يمكن الحصول على أفضل تأثير للإزهار عن طريق خفض نسبة R:FR إلى 1.9، ويمكن أن يزهر النبات في اليوم الحادي والثلاثين بعد الزراعة. يتوسط تأثير الضوء الأحمر على تثبيط الإزهار بواسطة الصبغة الحساسة للضوء Pr. أشارت الدراسات إلى أنه عندما تتجاوز نسبة الضوء الأحمر إلى الضوء الأحمر البعيد 3.5، يتأخر موعد إزهار خمسة نباتات بقولية (البازلاء، والحمص، والفول، والعدس، والترمس). وفي بعض الأصناف الوراثية من القطيفة والأرز، يُستخدم الضوء الأحمر البعيد لتسريع الإزهار بمقدار 10 أيام و20 يومًا على التوالي.

شركة الأسمدة₂

CO₂يُعد ثاني أكسيد الكربون المصدر الرئيسي للكربون في عملية التمثيل الضوئي. تركيز عالٍ من ثاني أكسيد الكربون₂يمكن أن يعزز ثاني أكسيد الكربون عادةً نمو وتكاثر النباتات الحولية من نوع C3، بينما يؤدي تركيزه المنخفض إلى₂قد يؤدي نقص الكربون إلى انخفاض معدل النمو والتكاثر. فعلى سبيل المثال، تزداد كفاءة التمثيل الضوئي لنباتات C3، مثل الأرز والقمح، مع زيادة ثاني أكسيد الكربون.₂يؤدي ارتفاع مستوى ثاني أكسيد الكربون إلى زيادة الكتلة الحيوية والإزهار المبكر. وذلك لتحقيق التأثير الإيجابي لثاني أكسيد الكربون.₂مع زيادة التركيز، قد يكون من الضروري تحسين إمدادات المياه والمغذيات. لذلك، في ظل استثمار غير محدود، يمكن للزراعة المائية إطلاق العنان الكامل لإمكانات نمو النباتات. انخفاض ثاني أكسيد الكربون₂أدى التركيز العالي لثاني أكسيد الكربون إلى تأخير وقت إزهار نبات الأرابيدوبسيس ثاليانا، بينما أدى ارتفاع تركيز ثاني أكسيد الكربون إلى تأخير وقت الإزهار.₂أدى التركيز إلى تسريع وقت إزهار الأرز، وتقصير فترة نموه إلى 3 أشهر، وإنتاج 4 أجيال في السنة. وذلك عن طريق إضافة ثاني أكسيد الكربون.₂عند وصول تركيز ثاني أكسيد الكربون إلى 785.7 ميكرومول/مول في صندوق النمو الاصطناعي، تم تقصير دورة تكاثر صنف فول الصويا "إنري" إلى 70 يومًا، وأصبح بالإمكان إنتاج 5 أجيال في عام واحد.₂مع ارتفاع التركيز إلى 550 ميكرومول/مول، تأخر إزهار نبات الكاجانوس كاجان لمدة 8-9 أيام، كما تأخر عقد الثمار ونضجها لمدة 9 أيام. تراكم السكر غير القابل للذوبان في نبات الكاجانوس كاجان عند ارتفاع تركيز ثاني أكسيد الكربون.₂قد يؤثر التركيز على نقل الإشارات في النباتات ويؤخر الإزهار. بالإضافة إلى ذلك، في غرفة النمو ذات تركيز ثاني أكسيد الكربون المرتفع₂يزداد عدد وجودة أزهار فول الصويا، مما يساعد على التهجين، ومعدل تهجينها أعلى بكثير من معدل تهجين فول الصويا المزروع في الحقل.

الآفاق المستقبلية

يمكن للزراعة الحديثة تسريع عملية تحسين المحاصيل من خلال التربية البديلة والتربية في المحميات. مع ذلك، تعاني هذه الأساليب من بعض أوجه القصور، كالمتطلبات الجغرافية الصارمة، وتكاليف إدارة العمالة الباهظة، وعدم استقرار الظروف الطبيعية، ما لا يضمن نجاح حصاد البذور. تتأثر التربية في المحميات بالظروف المناخية، كما أن مدة إضافة الأجيال محدودة. أما التربية باستخدام المؤشرات الجزيئية، فتُسرّع فقط عملية اختيار وتحديد الصفات المستهدفة. وقد طُبقت تقنية التربية السريعة على محاصيل النجيليات والبقوليات والصلبان وغيرها. إلا أن التربية السريعة في مصانع النباتات تتجاوز تمامًا تأثير الظروف المناخية، وتُتيح تنظيم بيئة النمو وفقًا لاحتياجات النبات وتطوره. إن الجمع بين تقنية التكاثر السريع في المصانع النباتية والتكاثر التقليدي والتكاثر باستخدام العلامات الجزيئية وغيرها من أساليب التكاثر بشكل فعال، في ظل ظروف التكاثر السريع، يمكن تقليل الوقت اللازم للحصول على سلالات متماثلة الزيجوت بعد التهجين، وفي الوقت نفسه، يمكن اختيار الأجيال المبكرة لتقصير الوقت اللازم للحصول على الصفات المثالية وأجيال التكاثر.

يتمثل القيد الرئيسي لتقنية التربية السريعة للنباتات في المصانع في اختلاف الظروف البيئية اللازمة لنمو وتطور المحاصيل المختلفة، مما يستلزم وقتًا طويلاً لتوفير هذه الظروف. في الوقت نفسه، ونظرًا لارتفاع تكلفة إنشاء وتشغيل المصانع النباتية، يصعب إجراء تجارب تربية إضافية واسعة النطاق، مما يؤدي غالبًا إلى انخفاض إنتاجية البذور، وبالتالي صعوبة تقييم خصائص المحاصيل في الحقل لاحقًا. مع التحسين المستمر لمعدات وتقنيات المصانع النباتية، انخفضت تكلفة إنشائها وتشغيلها تدريجيًا. ومن الممكن تحسين تقنية التربية السريعة وتقصير دورة التربية من خلال دمجها بفعالية مع تقنيات تربية أخرى.

نهاية

المعلومات المذكورة

ليو كايزي، ليو هوتشنغ. التقدم البحثي في ​​تقنية التربية السريعة في مصانع النباتات [J]. هندسة التكنولوجيا الزراعية، 2022، 42(22): 46-49.