เทคโนโลยีวิศวกรรมการเกษตรด้านพืชสวนในเรือนกระจกเผยแพร่เมื่อเวลา 17:30 น. ของวันที่ 14 ตุลาคม 2565 ณ กรุงปักกิ่ง

ด้วยจำนวนประชากรโลกที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความต้องการอาหารของผู้คนจึงเพิ่มขึ้นทุกวัน และข้อกำหนดด้านโภชนาการและความปลอดภัยของอาหารก็สูงขึ้นตามไปด้วย การปลูกพืชที่ให้ผลผลิตสูงและมีคุณภาพดีเยี่ยมเป็นวิธีการสำคัญในการแก้ปัญหาด้านอาหาร อย่างไรก็ตาม วิธีการผสมพันธุ์แบบดั้งเดิมใช้เวลานานในการพัฒนาพันธุ์ที่ดีเยี่ยม ซึ่งจำกัดความก้าวหน้าของการปรับปรุงพันธุ์ สำหรับพืชที่ผสมเกสรเองได้ในแต่ละปี อาจใช้เวลา 10-15 ปี ตั้งแต่การผสมพันธุ์พ่อแม่ครั้งแรกจนถึงการผลิตพันธุ์ใหม่ ดังนั้น เพื่อเร่งความก้าวหน้าของการปรับปรุงพันธุ์พืช จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องปรับปรุงประสิทธิภาพการผสมพันธุ์และลดระยะเวลาการพัฒนาสายพันธุ์

การเร่งขยายพันธุ์หมายถึงการเพิ่มอัตราการเจริญเติบโตของพืชให้สูงสุด เร่งการออกดอกและติดผล และลดระยะเวลาการขยายพันธุ์โดยการควบคุมสภาพแวดล้อมในห้องเพาะปลูกแบบปิดที่มีการควบคุมสภาพแวดล้อมอย่างสมบูรณ์ โรงงานเพาะปลูกเป็นระบบการเกษตรที่สามารถบรรลุการผลิตพืชผลที่มีประสิทธิภาพสูงผ่านการควบคุมสภาพแวดล้อมที่มีความแม่นยำสูงภายในโรงงาน และเป็นสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมสำหรับการเร่งขยายพันธุ์ สภาพแวดล้อมในการปลูก เช่น แสง อุณหภูมิ ความชื้น และความเข้มข้นของ CO2 ในโรงงานสามารถควบคุมได้ค่อนข้างดี และได้รับผลกระทบจากสภาพอากาศภายนอกน้อยหรือไม่ได้รับผลกระทบเลย ภายใต้สภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้ ความเข้มของแสง เวลาที่ได้รับแสง และอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดสามารถเร่งกระบวนการทางสรีรวิทยาต่างๆ ของพืช โดยเฉพาะอย่างยิ่งการสังเคราะห์แสงและการออกดอก จึงช่วยลดระยะเวลาการเจริญเติบโตของพืช การใช้เทคโนโลยีโรงงานเพาะปลูกเพื่อควบคุมการเจริญเติบโตและการพัฒนาของพืช การเก็บเกี่ยวผลไม้ล่วงหน้า เพียงแค่มีเมล็ดที่มีความสามารถในการงอกเพียงไม่กี่เมล็ดก็สามารถตอบสนองความต้องการในการขยายพันธุ์ได้แล้ว

ช่วงเวลาที่มีแสงแดด ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมหลักที่มีผลต่อวงจรการเจริญเติบโตของพืช

วัฏจักรแสงหมายถึงการสลับกันระหว่างช่วงเวลาที่มีแสงและช่วงเวลาที่มืดในหนึ่งวัน วัฏจักรแสงเป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อการเจริญเติบโต การพัฒนา การออกดอก และการติดผลของพืช การรับรู้การเปลี่ยนแปลงของวัฏจักรแสงทำให้พืชสามารถเปลี่ยนจากการเจริญเติบโตทางลำต้นไปสู่การเจริญเติบโตทางดอกและผล รวมถึงการออกดอกและติดผลได้ พืชแต่ละสายพันธุ์และแต่ละพันธุกรรมมีปฏิกิริยาทางสรีรวิทยาต่อการเปลี่ยนแปลงของช่วงเวลาที่มีแสงแตกต่างกัน พืชที่ชอบแสงแดดนาน เมื่อเวลาที่มีแสงแดดเกินกว่าระยะเวลาแสงแดดที่สำคัญ เวลาออกดอกมักจะเร็วขึ้นเนื่องจากการยืดเวลาที่มีแสง เช่น ข้าวโอ๊ต ข้าวสาลี และข้าวบาร์เลย์ พืชที่ไม่ไวต่อช่วงเวลาที่มีแสงจะออกดอกได้ไม่ว่าช่วงเวลาที่มีแสงจะเป็นอย่างไร เช่น ข้าว ข้าวโพด และแตงกวา พืชที่ชอบแสงแดดน้อย เช่น ฝ้าย ถั่วเหลือง และข้าวฟ่าง ต้องการช่วงเวลาที่มีแสงน้อยกว่าระยะเวลาแสงแดดที่สำคัญจึงจะออกดอกได้ ภายใต้สภาพแวดล้อมเทียมที่มีแสง 8 ชั่วโมงและอุณหภูมิสูง 30 องศาเซลเซียส เวลาออกดอกของผักโขมจะเร็วกว่าในสภาพแวดล้อมในแปลงปลูกมากกว่า 40 วัน ภายใต้การทดลองด้วยวงจรแสง 16/8 ชั่วโมง (แสง/ความมืด) ข้าวบาร์เลย์ทั้งเจ็ดสายพันธุ์ออกดอกเร็ว ได้แก่ แฟรงคลิน (36 วัน), ไกร์ดเนอร์ (35 วัน), กิมเม็ตต์ (33 วัน), คอมมานเดอร์ (30 วัน), ฟลีท (29 วัน), บาวดิน (26 วัน) และล็อกเยอร์ (25 วัน)

ภายใต้สภาพแวดล้อมเทียม ระยะเวลาการเจริญเติบโตของข้าวสาลีสามารถลดลงได้โดยใช้การเพาะเลี้ยงเอ็มบริโอเพื่อสร้างต้นกล้า จากนั้นฉายแสงเป็นเวลา 16 ชั่วโมง และสามารถผลิตได้ 8 รุ่นต่อปี ส่วนระยะเวลาการเจริญเติบโตของถั่วลันเตา ลดลงจาก 143 วันในสภาพแวดล้อมในแปลงปลูก เหลือ 67 วันในเรือนกระจกเทียมที่มีแสง 16 ชั่วโมง หากเพิ่มระยะเวลาการฉายแสงเป็น 20 ชั่วโมง และรวมกับการควบคุมอุณหภูมิ 21°C/16°C (กลางวัน/กลางคืน) ระยะเวลาการเจริญเติบโตของถั่วลันเตาจะลดลงเหลือ 68 วัน และอัตราการติดเมล็ดอยู่ที่ 97.8% ภายใต้สภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้ หลังจากได้รับแสง 20 ชั่วโมง จะใช้เวลา 32 วันตั้งแต่หว่านเมล็ดจนถึงออกดอก และระยะเวลาการเจริญเติบโตทั้งหมดคือ 62-71 วัน ซึ่งสั้นกว่าในสภาพแปลงปลูกมากกว่า 30 วัน ภายใต้สภาพเรือนกระจกเทียมที่มีช่วงเวลาการให้แสง 22 ชั่วโมง ระยะเวลาการออกดอกของข้าวสาลี ข้าวบาร์เลย์ ผักกาด และถั่วชิกพี จะสั้นลงโดยเฉลี่ย 22, 64, 73 และ 33 วัน ตามลำดับ เมื่อรวมกับการเก็บเกี่ยวเมล็ดพันธุ์ก่อนกำหนด อัตราการงอกของเมล็ดพันธุ์ที่เก็บเกี่ยวก่อนกำหนดสามารถสูงถึง 92%, 98%, 89% และ 94% โดยเฉลี่ย ตามลำดับ ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการในการปรับปรุงพันธุ์ได้อย่างเต็มที่ พันธุ์ที่เติบโตเร็วที่สุดสามารถให้ผลผลิตต่อเนื่องได้ 6 รุ่น (ข้าวสาลี) และ 7 รุ่น (ข้าวสาลี) ภายใต้สภาพช่วงเวลาการให้แสง 22 ชั่วโมง ระยะเวลาการออกดอกของข้าวโอ๊ตลดลง 11 วัน และหลังจากออกดอก 21 วัน จะสามารถรับประกันได้ว่ามีเมล็ดที่งอกได้อย่างน้อย 5 เมล็ด และสามารถขยายพันธุ์ได้ต่อเนื่อง 5 รุ่นทุกปี ในเรือนกระจกเทียมที่มีแสงสว่าง 22 ชั่วโมง ระยะเวลาการเจริญเติบโตของถั่วเลนทิลสั้นลงเหลือ 115 วัน และสามารถขยายพันธุ์ได้ 3-4 รุ่นต่อปี ภายใต้สภาวะที่มีแสงสว่างต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมงในเรือนกระจกเทียม วงจรการเจริญเติบโตของถั่วลิสงจะลดลงจาก 145 วันเหลือ 89 วัน และสามารถขยายพันธุ์ได้ถึง 4 รุ่นภายในหนึ่งปี

คุณภาพแสง

แสงมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อการเจริญเติบโตและพัฒนาการของพืช แสงสามารถควบคุมการออกดอกโดยส่งผลต่อตัวรับแสงหลายชนิด อัตราส่วนของแสงสีแดง (R) ต่อแสงสีน้ำเงิน (B) มีความสำคัญมากต่อการออกดอกของพืชผล แสงสีแดงที่มีความยาวคลื่น 600-700 นาโนเมตร มีจุดสูงสุดของการดูดซับของคลอโรฟิลล์ที่ 660 นาโนเมตร ซึ่งสามารถส่งเสริมการสังเคราะห์แสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ แสงสีน้ำเงินที่มีความยาวคลื่น 400-500 นาโนเมตร จะส่งผลต่อการตอบสนองต่อแสง การเปิดปากใบ และการเจริญเติบโตของต้นกล้า ในข้าวสาลี อัตราส่วนของแสงสีแดงต่อแสงสีน้ำเงินอยู่ที่ประมาณ 1 ซึ่งสามารถกระตุ้นการออกดอกได้เร็วที่สุด ภายใต้คุณภาพแสง R:B=4:1 ระยะเวลาการเจริญเติบโตของถั่วเหลืองพันธุ์กลางและพันธุ์ปลายฤดูสั้นลงจาก 120 วันเหลือ 63 วัน ความสูงของต้นและชีวมวลทางโภชนาการลดลง แต่ผลผลิตเมล็ดไม่ได้รับผลกระทบ ยังคงได้เมล็ดอย่างน้อยหนึ่งเมล็ดต่อต้น และอัตราการงอกเฉลี่ยของเมล็ดอ่อนอยู่ที่ 81.7% ภายใต้สภาวะการให้แสงสว่าง 10 ชั่วโมงและการเสริมด้วยแสงสีฟ้า ต้นถั่วเหลืองจะเตี้ยและแข็งแรง ออกดอกภายใน 23 วันหลังปลูก เจริญเติบโตเต็มที่ภายใน 77 วัน และสามารถขยายพันธุ์ได้ถึง 5 รุ่นภายในหนึ่งปี

อัตราส่วนของแสงสีแดงต่อแสงฟาร์เรด (FR) มีผลต่อการออกดอกของพืชเช่นกัน เม็ดสีไวแสงมีอยู่สองรูปแบบ คือ การดูดซับแสงฟาร์เรด (Pfr) และการดูดซับแสงสีแดง (Pr) ที่อัตราส่วน R:FR ต่ำ เม็ดสีไวแสงจะเปลี่ยนจาก Pfr เป็น Pr ซึ่งนำไปสู่การออกดอกของพืชวันยาว การใช้ไฟ LED เพื่อควบคุมอัตราส่วน R:FR ที่เหมาะสม (0.66~1.07) สามารถเพิ่มความสูงของพืช ส่งเสริมการออกดอกของพืชวันยาว (เช่น ผักบุ้งและดอกสแนปดรากอน) และยับยั้งการออกดอกของพืชวันสั้น (เช่น ดาวเรือง) เมื่อ R:FR มากกว่า 3.1 เวลาออกดอกของถั่วเลนทิลจะล่าช้า การลด R:FR ลงเหลือ 1.9 จะให้ผลการออกดอกที่ดีที่สุด และสามารถออกดอกได้ในวันที่ 31 หลังจากการเพาะปลูก ผลของแสงสีแดงต่อการยับยั้งการออกดอกนั้นเกิดจากการทำงานของเม็ดสีไวแสง Pr จากการศึกษาพบว่า เมื่ออัตราส่วน R:FR สูงกว่า 3.5 ระยะเวลาการออกดอกของพืชตระกูลถั่ว 5 ชนิด (ถั่วลันเตา ถั่วชิกพี ถั่วปากอ้า ถั่วเลนทิล และลูปิน) จะล่าช้าออกไป ในบางสายพันธุ์ของผักโขมและข้าว แสงสีแดงเข้มถูกนำมาใช้เพื่อเร่งการออกดอกให้เร็วขึ้น 10 วันและ 20 วันตามลำดับ

บริษัท เฟอร์ติเคิล จำกัด₂

CO₂เป็นแหล่งคาร์บอนหลักของการสังเคราะห์แสง ความเข้มข้นสูงของ CO2₂โดยทั่วไปแล้ว CO2 สามารถส่งเสริมการเจริญเติบโตและการสืบพันธุ์ของพืชล้มลุก C3 ได้ ในขณะที่ CO2 ที่มีความเข้มข้นต่ำ₂อาจลดการเจริญเติบโตและผลผลิตการสืบพันธุ์เนื่องจากข้อจำกัดของคาร์บอน ตัวอย่างเช่น ประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงของพืช C3 เช่น ข้าวและข้าวสาลี จะเพิ่มขึ้นเมื่อปริมาณ CO2 เพิ่มขึ้น₂ระดับดังกล่าวส่งผลให้ชีวมวลเพิ่มขึ้นและการออกดอกเร็วขึ้น เพื่อให้เกิดผลดีจาก CO2 อย่างแท้จริง₂เมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้น อาจจำเป็นต้องปรับปริมาณน้ำและสารอาหารให้เหมาะสม ดังนั้น ภายใต้เงื่อนไขของการลงทุนที่ไม่จำกัด ระบบไฮโดรโปนิกส์สามารถปลดปล่อยศักยภาพการเจริญเติบโตของพืชได้อย่างเต็มที่ CO2 ต่ำ₂ความเข้มข้นของ CO2 สูงส่งผลให้ระยะเวลาการออกดอกของ Arabidopsis thaliana ช้าลง ในขณะที่ความเข้มข้นของ CO2 สูงส่งผลให้ระยะเวลาการออกดอกช้าลง₂การเพิ่มความเข้มข้นของ CO2 ช่วยเร่งระยะเวลาการออกดอกของข้าว ลดระยะเวลาการเจริญเติบโตของข้าวเหลือเพียง 3 เดือน และขยายพันธุ์ได้ 4 รุ่นต่อปี โดยการเสริม CO2₂เมื่อเพิ่มความเข้มข้นของ CO2 เป็น 785.7 μmol/mol ในกล่องเพาะปลูกเทียม วงจรการผสมพันธุ์ของถั่วเหลืองพันธุ์ 'Enrei' ก็สั้นลงเหลือ 70 วัน และสามารถผสมพันธุ์ได้ 5 รุ่นภายในหนึ่งปี เมื่อ CO2 เพิ่มขึ้น₂เมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้นเป็น 550 μmol/mol การออกดอกของ Cajanus cajan จะล่าช้าออกไป 8-9 วัน และการติดผลและการสุกของผลก็ล่าช้าออกไป 9 วันเช่นกัน Cajanus cajan สะสมน้ำตาลที่ไม่ละลายน้ำในสภาวะที่มี CO2 สูง₂ความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อาจส่งผลต่อการส่งสัญญาณของพืชและทำให้การออกดอกล่าช้า นอกจากนี้ ในห้องเพาะปลูกที่มีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้น₂จำนวนและคุณภาพของดอกถั่วเหลืองจะเพิ่มขึ้น ซึ่งเอื้อต่อการผสมข้ามสายพันธุ์ และอัตราการผสมข้ามสายพันธุ์จะสูงกว่าถั่วเหลืองที่ปลูกในแปลงทั่วไปมาก

โอกาสในอนาคต

การเกษตรสมัยใหม่สามารถเร่งกระบวนการปรับปรุงพันธุ์พืชได้ด้วยวิธีการปรับปรุงพันธุ์แบบทางเลือกและการปรับปรุงพันธุ์ในโรงงาน อย่างไรก็ตาม วิธีการเหล่านี้มีข้อเสียอยู่บ้าง เช่น ข้อกำหนดทางภูมิศาสตร์ที่เข้มงวด การจัดการแรงงานที่มีค่าใช้จ่ายสูง และสภาพธรรมชาติที่ไม่คงที่ ซึ่งไม่สามารถรับประกันการเก็บเกี่ยวเมล็ดพันธุ์ที่ประสบความสำเร็จได้ การปรับปรุงพันธุ์ในโรงงานได้รับอิทธิพลจากสภาพภูมิอากาศ และเวลาในการเพิ่มรุ่นมีจำกัด อย่างไรก็ตาม การปรับปรุงพันธุ์โดยใช้เครื่องหมายโมเลกุลช่วยเร่งการคัดเลือกและการกำหนดลักษณะเป้าหมายในการปรับปรุงพันธุ์เท่านั้น ปัจจุบัน เทคโนโลยีการปรับปรุงพันธุ์อย่างรวดเร็วได้ถูกนำไปใช้กับพืชตระกูลหญ้า พืชตระกูลถั่ว พืชตระกูลกะหล่ำ และพืชชนิดอื่นๆ แล้ว อย่างไรก็ตาม การปรับปรุงพันธุ์อย่างรวดเร็วในโรงงานพืชสามารถขจัดอิทธิพลของสภาพภูมิอากาศได้อย่างสมบูรณ์ และสามารถควบคุมสภาพแวดล้อมการเจริญเติบโตตามความต้องการของการเจริญเติบโตและพัฒนาการของพืชได้ การผสมผสานเทคโนโลยีการปรับปรุงพันธุ์อย่างรวดเร็วของโรงงานพืชเข้ากับการปรับปรุงพันธุ์แบบดั้งเดิม การปรับปรุงพันธุ์โดยใช้เครื่องหมายโมเลกุล และวิธีการปรับปรุงพันธุ์อื่นๆ อย่างมีประสิทธิภาพ ภายใต้เงื่อนไขของการปรับปรุงพันธุ์อย่างรวดเร็ว จะช่วยลดระยะเวลาที่จำเป็นในการได้สายพันธุ์โฮโมไซกัสหลังจากการผสมพันธุ์ และในขณะเดียวกัน ก็สามารถคัดเลือกรุ่นแรกๆ เพื่อลดระยะเวลาที่จำเป็นในการได้ลักษณะที่เหมาะสมและรุ่นต่อๆ ไป

ข้อจำกัดสำคัญของเทคโนโลยีการขยายพันธุ์พืชอย่างรวดเร็วในโรงงานคือ สภาพแวดล้อมที่จำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตและพัฒนาการของพืชแต่ละชนิดนั้นแตกต่างกันมาก และต้องใช้เวลานานในการสร้างสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมสำหรับการขยายพันธุ์พืชเป้าหมายอย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกัน เนื่องจากต้นทุนการก่อสร้างและการดำเนินงานของโรงงานสูง จึงยากที่จะทำการทดลองขยายพันธุ์แบบเพิ่มปริมาณในวงกว้าง ซึ่งมักนำไปสู่ผลผลิตเมล็ดพันธุ์ที่จำกัด ซึ่งอาจจำกัดการประเมินลักษณะในแปลงปลูกในภายหลัง อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาและปรับปรุงอุปกรณ์และเทคโนโลยีของโรงงานอย่างต่อเนื่อง ต้นทุนการก่อสร้างและการดำเนินงานของโรงงานจึงลดลงเรื่อยๆ ทำให้สามารถปรับปรุงเทคโนโลยีการขยายพันธุ์อย่างรวดเร็วให้ดียิ่งขึ้นและลดระยะเวลาการขยายพันธุ์ได้ โดยการผสมผสานเทคโนโลยีการขยายพันธุ์อย่างรวดเร็วในโรงงานเข้ากับเทคนิคการขยายพันธุ์อื่นๆ อย่างมีประสิทธิภาพ

จบ

ข้อมูลที่อ้างอิง

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. ความก้าวหน้าในการวิจัยเทคโนโลยีการเพาะพันธุ์พืชอย่างรวดเร็วในโรงงาน [J]. เทคโนโลยีวิศวกรรมเกษตร, 2022,42(22):46-49.