施設園芸農業工学技術2022年10月14日17時30分、北京で公開

世界人口の継続的な増加に伴い、人々の食糧需要は日に日に増大しており、食品の栄養と安全性に対する要求はますます高まっています。収量が多く高品質な作物を栽培することは、食糧問題を解決するための重要な手段です。しかし、従来の育種法では優れた品種を育成するまでに長い時間がかかり、育種の進歩には限界がありました。一年生自家受粉作物の場合、最初の親交雑から新しい品種の生産までに10〜15年かかる場合があります。したがって、作物の育種の進歩を加速するためには、育種効率を向上させ、世代時間を短縮することが急務となっている。

急速育種とは、完全に密閉された管理された環境の生育室で環境条件を制御することにより、植物の成長速度を最大化し、開花と結実を促進し、育種サイクルを短縮することを意味します。植物工場は、施設内の高精度な環境制御により高効率な作物生産を実現できる農業システムであり、急速な育種に最適な環境です。工場内の光、温度、湿度、CO2濃度などの植栽環境条件は比較的制御可能であり、外部気候の影響をほとんど受けません。制御された環境条件下では、最適な光強度、光時間、温度により、植物のさまざまな生理学的プロセス、特に光合成と開花が促進され、作物の成長の世代時間が短縮されます。植物工場技術を利用して作物の成長と発達を制御し、発芽能力のある少数の種子が育種ニーズを満たすことができる限り、事前に果実を収穫します。

作物の成長サイクルに影響を与える主な環境要因である日長

明周期とは、1 日の明期と暗期の交互のことを指します。光周期は、作物の成長、発育、開花、結実に影響を与える重要な要素です。光サイクルの変化を感知することで、作物は栄養生長から生殖生長に変化し、開花と結実が完了します。作物の品種や遺伝子型が異なれば、光周期の変化に対する生理学的反応も異なります。オート麦、小麦、大麦などの日照時間の長い植物では、日照時間が臨界日照長を超えると、通常、日長の延長によって開花時期が早まります。イネ、トウモロコシ、キュウリなど、日長に関係なく中性の植物が開花します。綿、大豆、アワなどの短日植物は、開花するために必要な日照時間よりも短い日長を必要とします。8時間の光と30℃の高温という人工環境条件下では,アマランサスの開花時期は野外環境よりも40日以上早かった。16/8 時間の光周期 (明/暗) の処理下では、7 つの大麦遺伝子型すべてが早く開花しました: フランクリン (36 日)、ガードナー (35 日)、ギメット (33 日)、コマンダー (30 日)、フリート (29 日)日）、ボーディン（26 日）、ロッキャー（25 日）。

人工環境下では、胚培養により苗を取得し、その後16時間照射することで小麦の生育期間を短縮し、毎年8世代生産することが可能です。エンドウの生育期間は、野外環境での143日から、16時間光を当てた人工温室では67日に短縮された。日長をさらに20時間に延長し、21℃/16℃(昼/夜)と組み合わせると、エンドウの生育期間は68日に短縮され、結実率は97.8%になります。制御された環境条件下では、20時間の光周期処理の後、播種から開花ま​​で32日かかり、全生育期間は62〜71日であり、圃場条件よりも30日以上短い。光周期22時間の人工温室条件下では,小麦,大麦,アブラナ,ひよこ豆の開花時期は平均してそれぞれ22,64,73,33日短縮された。種子の早期収穫と組み合わせると、早期収穫種子の発芽率は平均してそれぞれ92%、98%、89%、94%に達し、育種のニーズを十分に満たすことができます。最速の品種は、6 世代 (小麦) と 7 世代 (小麦) を連続生産できます。日長22時間の条件下では、オーツ麦の開花時間は11日短縮され、開花後21日後には少なくとも5個の生存可能な種子が保証され、毎年5世代継続的に繁殖することができた。22時間照明の人工温室では、レンズ豆の生育期間が115日に短縮され、年間3〜4世代繁殖することができます。人工温室での24時間連続照明の条件下では、落花生の生育周期が145日から89日に短縮され、1年で4世代増殖することができる。

光の質

光は植物の成長と発育に重要な役割を果たします。光は多くの光受容体に影響を与えることで開花を制御できます。赤色光 (R) と青色光 (B) の比率は、作物の開花にとって非常に重要です。赤色光の波長600~700nmには660nmのクロロフィルの吸収ピークが含まれており、光合成を効果的に促進します。400~500nmの青色光の波長は、植物の光屈性、気孔の開口、苗の成長に影響を与えます。小麦では、赤色光と青色光の比率が約 1 であるため、最も早く開花を誘導できます。R:B=4:1の光質下では、中晩生ダイズ品種の生育期間が120日から63日に短縮され、草丈と栄養バイオマスは減少したが、種子収量には影響がなかった。 、植物あたり少なくとも 1 つの種子を満たすことができ、未熟な種子の平均発芽率は 81.7% でした。10時間の照明と青色光補充の条件下では、ダイズ植物は短くて強くなり、播種後23日で開花し、77日以内に成熟し、1年で5世代繁殖することができた。

赤色光と遠赤色光（FR）の比も植物の開花に影響します。感光性色素には、遠赤色光吸収 (Pfr) と赤色光吸収 (Pr) の 2 つの形式が存在します。R:FR 比が低いと、感光性色素が Pfr から Pr に変換され、長日植物の開花につながります。LEDライトを使用して適切なR:FR(0.66~1.07)を制御すると、草丈を伸ばし、長日植物(アサガオやキンギョソウなど)の開花を促進し、短日植物(マリーゴールドなど)の開花を抑制することができます。 ）。R:FR が 3.1 を超えると、レンズ豆の開花時期が遅くなります。R:FRを1.9に下げると最高の開花効果が得られ、播種後31日目に開花する可能性があります。開花阻害に対する赤色光の影響は、感光性色素 Pr によって媒介されます。研究では、R:FR が 3.5 を超えると、5 つのマメ科植物 (エンドウ豆、ヒヨコマメ、ソラマメ、レンズ豆、ルピナス) の開花時期が遅れることが指摘されています。アマランサスとイネの一部の遺伝子型では、開花をそれぞれ 10 日および 20 日早めるために遠赤色光が使用されます。

肥料CO₂

CO₂光合成の主な炭素源です。高濃度CO₂通常、C3 一年生植物の成長と繁殖を促進することができますが、低濃度の CO₂炭素制限により、成長と繁殖収量が減少する可能性があります。例えば、米や小麦などのC3植物の光合成効率は、COの増加とともに増加します。₂レベルが向上し、バイオマスが増加し、開花が早まります。COのプラス効果を実現するために₂濃度が増加すると、水と栄養素の供給を最適化する必要がある場合があります。したがって、水耕栽培は、無制限の投資を条件に、植物の成長能力を最大限に引き出すことができます。低CO₂CO2濃度が高いとシロイヌナズナの開花時期が遅れた₂濃縮によりイネの開花時期が早まり、イネの生育期間が3か月に短縮され、1年に4世代繁殖しました。COを補給することで₂人工生育箱内での785.7μmol/molまでのダイズ品種「エンレイ」の育種サイクルは70日に短縮され、1年で5世代の育種が可能となった。COのとき₂濃度が 550μmol/mol に増加すると、Cajanus cajan の開花が 8 ～ 9 日遅れ、結実と成熟時間も 9 日遅れました。Cajanus cajan は高 CO2 環境で不溶性糖を蓄積した₂濃度が高くなり、植物のシグナル伝達に影響を及ぼし、開花を遅らせる可能性があります。また、COが増加した成長室では₂、大豆の花の数と品質が増加し、交雑が起こりやすくなり、その交配率は畑で栽培された大豆よりもはるかに高くなります。

今後の展望

現代の農業は、代替育種と施設育種によって作物育種のプロセスをスピードアップできます。ただし、これらの方法には、厳しい地理的要件、高価な労働管理、不安定な自然条件などのいくつかの欠点があり、種子の収穫が成功することは保証できません。施設繁殖は気候条件に影響され、世代追加の時間も限られています。しかし、分子マーカー育種は、育種目標形質の選択と決定を加速するだけです。現在、急速育種技術はイネ科、マメ科、アブラナ科などの作物に応用されています。しかし、植物工場の急速世代育種では、気候条件の影響を完全に排除し、植物の成長と発育のニーズに応じて生育環境を調整することができます。植物工場の急速育種技術と伝統的な育種、分子マーカー育種などの育種法を効果的に組み合わせることで、急速育種の条件下で交配後のホモ接合系統の取得に必要な時間を短縮し、同時に初期世代を取得することができます。理想的な形質と繁殖世代を得るために必要な時間を短縮するために選択されました。

工場における植物急速育種技術の主な限界は、作物の成長と発育に必要な環境条件が大きく異なり、対象作物の急速育種のための環境条件を得るまでに長い時間がかかることである。同時に、植物工場の建設と運営には高額な費用がかかるため、大規模な添加育種実験を行うことは困難であり、種子収量が制限されることが多く、追跡調査の圃場形質評価が制限される可能性があります。植物工場の設備と技術が徐々に改善され、改善されるにつれて、植物工場の建設と運営のコストは徐々に削減されます。植物工場急速育種技術と他の育種技術を効果的に組み合わせることで、急速育種技術をさらに最適化し、育種サイクルを短縮することが可能です。

終わり

引用情報

劉開哲、劉侯成。植物工場の急速育種技術の研究進捗[J]。農業工学技術、2022、42(22):46-49。