温室園芸農業工学技術2022年10月14日17時30分に北京で公開

世界人口の継続的な増加に伴い、人々の食糧需要は日々高まり、食品の栄養と安全性に対する要求も高まっています。高収量・高品質の作物の栽培は、食糧問題を解決する重要な手段です。しかし、従来の育種方法では優れた品種の育成に長い時間がかかり、育種の進歩に限界があります。一年生自殖作物の場合、最初の親交配から新品種の生産まで10～15年かかることもあります。そのため、作物育種の進歩を加速させるためには、育種効率の向上と世代時間の短縮が急務となっています。

急速育種とは、全閉鎖型の制御環境栽培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、開花と結実を加速させ、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を通じて高効率の農作物生産を実現できる農業システムであり、急速育種にとって理想的な環境です。工場内の光、温度、湿度、CO2濃度などの栽培環境条件は比較的制御可能であり、外部の気候による影響を受けにくいです。制御された環境条件下では、最適な光強度、光時間、温度が植物のさまざまな生理プロセス、特に光合成と開花を促進し、農作物の成長時間を短縮します。植物工場の技術を使用して作物の生育と発育を制御し、事前に果実を収穫し、発芽能力のある種子がいくつかあれば、育種のニーズを満たすことができます。

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光周期

光周期とは、1日の明期と暗期の交代を指します。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。光周期の変化を感知することで、作物は栄養成長から生殖成長に切り替え、開花と結実を完了することができます。異なる作物の品種と遺伝子型は、光周期の変化に対して異なる生理的反応を示します。長日照植物は、日照時間が臨界日照長を超えると、通常、オート麦、小麦、大麦などの光周期が延長されるため、開花時期が早まります。中性植物は、イネ、トウモロコシ、キュウリなど、光周期に関係なく開花します。短日植物、綿、大豆、キビなどは、開花するために臨界日照長よりも短い光周期が必要です。8時間光と30℃の高温の人工環境条件下では、アマランサスの開花時期は、圃場環境よりも40日以上早くなります。 16/8 時間の光サイクル (明/暗) の処理下では、7 つの大麦遺伝子型すべてが早期に開花しました: Franklin (36 日)、Gairdner (35 日)、Gimmett (33 日)、Commander (30 日)、Fleet (29 日)、Baudin (26 日)、Lockyer (25 日)。

人工環境下では、胚培養で苗を採取し、16時間照射することで小麦の生育期間を短縮でき、年間8世代の生産が可能となる。エンドウの生育期間は、圃場環境では143日から、16時間光の人工温室では67日に短縮された。さらに日長を20時間に延長し、21℃/16℃（昼/夜）と組み合わせることで、エンドウの生育期間を68日に短縮でき、結実率は97.8%となる。制御された環境下では、20時間日長処理後、播種から開花ま​​で32日かかり、全体の生育期間は62～71日で、圃場条件よりも30日以上短くなる。 22時間日長の人工温室の条件下では、小麦、大麦、菜種、ひよこ豆の開花期間はそれぞれ平均22、64、73、33日短縮されます。種子の早期収穫と組み合わせることで、早期収穫種子の発芽率はそれぞれ平均92％、98％、89％、94％に達し、育種のニーズを完全に満たすことができます。最も発芽の早い品種は、6世代（小麦）と7世代（小麦）を連続して生産できます。22時間日長の条件下では、オート麦の開花期間は11日短縮され、開花後21日で少なくとも5つの生存種子を保証でき、毎年5世代を連続して繁殖できます。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世代繁殖できます。人工温室で24時間連続照明の条件下では、落花生の成長周期は145日から89日に短縮され、1年間で4世代繁殖することができます。

光の質

光は植物の成長と発育に重要な役割を果たしています。光は多くの光受容体に作用することで開花を制御できます。作物の開花には赤色光（R）と青色光（B）の比率が非常に重要です。600～700nmの赤色光の波長は、クロロフィルの吸収ピークである660nmを含み、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、気孔の開通、そして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は約1で、最も早く開花を誘導できます。R：B＝4：1の光質下では、中晩生大豆品種の生育期間は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ましたが、種子収量には影響がなく、1株あたり少なくとも1粒の種子が得られ、未熟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、大豆植物は短く強くなり、播種後23日で開花し、77日以内に成熟し、1年間で5世代繁殖することができました。

赤色光と遠赤色光（FR）の比率も植物の開花に影響を与えます。感光色素には、遠赤色光吸収（Pfr）と赤色光吸収（Pr）の2つの形式があります。R：FR比が低い場合、感光色素が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、植物の高さが高まり、長日植物（アサガオやキンギョソウなど）の開花が促進され、短日植物（マリーゴールドなど）の開花が抑制されます。R：FRが3.1を超えると、レンズ豆の開花時期が遅れます。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日目に開花することができます。赤色光の開花抑制に対する影響は、感光色素Prによって媒介されます。研究によると、R:FRが3.5を超えると、5種類のマメ科植物（エンドウ豆、ヒヨコマメ、ソラマメ、レンズマメ、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、遠赤色光を用いることで、それぞれ10日と20日開花を早めることができます。

肥料CO₂

CO₂光合成の主な炭素源です。高濃度CO₂通常、C3の一年生植物の成長と繁殖を促進するが、低濃度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る。例えば、イネや小麦などのC3植物の光合成効率は、CO濃度の増加とともに増加する。₂レベルが上昇し、バイオマスの増加と開花の早期化がもたらされる。CO₂濃度が上昇すると、水と栄養分の供給を最適化する必要があるかもしれません。したがって、無制限の投資条件下では、水耕栽培は植物の成長ポテンシャルを最大限に引き出すことができます。低CO₂濃度が高いとシロイヌナズナの開花時期が遅れ、高CO₂濃度を高めることでイネの開花時期が早まり、生育期間が3ヶ月に短縮され、年間4世代の繁殖が可能になった。CO₂人工栽培箱内のCO濃度を785.7μmol/molにまで高めることで、大豆品種「エンレイ」の育種周期は70日に短縮され、1年間で5世代の育種が可能になった。₂濃度が550μmol/molに上昇すると、Cajanus cajanの開花は8～9日遅れ、果実の着果と成熟も9日遅れた。Cajanus cajanは高CO₂濃度が上昇し、植物のシグナル伝達に影響を与え、開花を遅らせる可能性があります。さらに、CO濃度が上昇した栽培室では、₂すると、大豆の花の数と質が増し、交雑が促進され、その交雑率は圃場で栽培された大豆よりもはるかに高くなります。

将来の展望

現代農業は、代替育種や施設育種によって作物の育種プロセスを加速させることができます。しかし、これらの方法には、厳しい地理的条件、高額な労働管理、不安定な自然条件など、いくつかの欠点があり、種子の収穫が必ずしも成功とは限りません。施設育種は気候条件の影響を受け、世代追加に要する時間が限られています。一方、分子マーカー育種は、育種対象形質の選択と決定を加速させるだけです。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適用されています。しかし、植物工場における急速世代育種は、気候条件の影響を完全に排除し、植物の生育と発育のニーズに合わせ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を伝統的な育種、分子マーカー育種などの育種方法と効果的に組み合わせることで、急速育種の条件下で、交配後にホモ接合体系統を得るまでの時間を短縮できると同時に、初期世代を選択して理想的な形質と育種世代を得るまでの時間を短縮することができます。

工場における植物急速育種技術の主な制約は、異なる作物の生育と発育に必要な環境条件がそれぞれ大きく異なり、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いコストがかかるため、大規模な相加育種実験を行うことが難しく、種子収量が限られることが多く、その後の圃場での特性評価が制限される可能性がある。植物工場の設備と技術の漸進的な改善と向上に伴い、植物工場の建設と運営コストは徐々に削減されている。植物工場の急速育種技術を他の育種技術と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になる。

終わり

引用情報

劉 凱哲、劉 厚成. 植物工場における急速育種技術の研究進展 [J]. 農業工学技術, 2022,42(22):46-49.