植物工廠水稻快速繁育技術(shù)探究＊

卞中華，李宗耕，王 森，楊其長（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所，成都 610000）

種業(yè)被認(rèn)為是糧食的“芯片”，事關(guān)國家糧食安全。水稻是中國第一大口糧作物，全國60% 以上的人口以稻米為主食。在大田栽培條件下水稻的生育期一般為120～160 天，常規(guī)育種方法一年僅可加代2～3 代，水稻新品種選育周期長、效率低，嚴(yán)重影響了水稻育種效率[1]。因此，提升水稻育種方法、加快優(yōu)良品種培育對保障國家糧食安全具有重要戰(zhàn)略意義[2]。

作物快速繁育一直是世界各國廣泛關(guān)注的熱點[3-5]。近年來，隨著基因編輯技術(shù)不斷進(jìn)步，育種家們正在探索作物快速繁育的新途徑，希望在短時間內(nèi)迅速選育出優(yōu)質(zhì)的作物種子，大幅提高育種效率。如何實現(xiàn)在一年內(nèi)進(jìn)行作物快速迭代，大幅縮短作物生育周期，已經(jīng)成為優(yōu)良種子快速選育的關(guān)鍵。澳大利亞昆士蘭大學(xué)Watson[6]和 Hickey[7]等通過整合前人的成果，研究在人工環(huán)境下進(jìn)行小麥、大麥、豌豆等作物快速繁育的方法。美國NASA 建立了快速育種實驗室，進(jìn)行小麥、大麥、鷹嘴豆、油菜等作物快繁研究。雖然相關(guān)方法能夠提升一定的加代次數(shù)，但往往以犧牲作物產(chǎn)量換取一定的加代數(shù)量，效率仍然不高。如何在保證育種產(chǎn)量的同時大幅提升加代次數(shù)，已經(jīng)成為全球作物快速繁育的重要方向。

植物工廠是一種環(huán)境可控產(chǎn)能倍增的高效生產(chǎn)方式，能夠為作物生長提供最優(yōu)的環(huán)境條件，促進(jìn)作物快速生長與結(jié)實。然而，由于建設(shè)與運行成本相對較高，植物工廠長期以來一直用于葉菜、功能植物與藥用植物等高附加值作物的生產(chǎn)，很少有人嘗試種植生育周期長、效益低的水稻等糧食作物[8]。利用植物工廠環(huán)境可控的技術(shù)優(yōu)勢，進(jìn)行水稻等糧食作物的快速繁育，不僅能夠有效突破地域和氣候條件的約束實現(xiàn)作物的育種加代，而且還能顯著提升土地利用效率與糧食產(chǎn)能，尤其是利用植物工廠多層立體栽培的技術(shù)優(yōu)勢，作物單位面積產(chǎn)量可達(dá)大田生產(chǎn)的30 倍以上，還能有效阻斷病蟲害侵入，大大提升育種工作的成功效率。因此，將植物工廠技術(shù)與水稻等糧食作物育種相結(jié)合，探索糧食作物快速育種的技術(shù)途徑與方法，突破傳統(tǒng)育種與栽培技術(shù)瓶頸，對加快育種速度、保障國家糧食安全都具有十分重要的意義。

試驗方法

試驗品種

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所植物工廠創(chuàng)新團(tuán)隊與中國水稻所水稻功能基因組學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊合作，選擇株型較矮的6 個矮桿水稻品種（表1），在全人工光植物工廠環(huán)境下進(jìn)行水稻快速繁育與高效栽培試驗。

表1 供試水稻品種

試驗材料

本試驗在成都中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所的全人工光植物工廠內(nèi)進(jìn)行。試驗使用的栽培架為40 mm×40 mm 的鋁型材組裝，每組栽培架長1200 mm，寬600 mm，分上、中、下4 層，每層間距600 mm。栽培槽采用6 mm 不銹鋼板焊接拼裝而成，栽培板為PVC 發(fā)泡板，栽培槽長1200 mm，寬600 mm，深100 mm 在栽培槽一側(cè)設(shè)進(jìn)、回液口，進(jìn)、回液口異端，營養(yǎng)液經(jīng)供液口流入后水平直線流動，由回液口流出，采用霍格蘭（Hoagland's）營養(yǎng)配方。光源系統(tǒng)由矩形面板LED（600 mm×300 mm）組裝而成，光質(zhì)、光強可調(diào)。試驗于 2021 年5 月6 日播種育苗，5 月12 日定植，7 月15 日收獲。

結(jié)果分析

試驗結(jié)果表明，‘ZF802M’和‘CP511’兩個品種表現(xiàn)出較好的產(chǎn)量潛力，這兩個品種定植后平均45 天抽穗、63 天收獲，其中‘ZF802M’單層栽培產(chǎn)量最高可達(dá)0.98 kg/m2，相當(dāng)于產(chǎn)量達(dá)652 kg/667 m2。

植物工廠快速繁育采用一整套的技術(shù)調(diào)控手段，通過控制作物生長的環(huán)境與營養(yǎng)條件，加速作物開花和結(jié)實，快速推進(jìn)到下一代（圖1）。通過采用最優(yōu)的光照環(huán)境（光質(zhì)、光強、光周期），適宜的溫度和充足的養(yǎng)分供應(yīng)，實現(xiàn)作物各種生理過程的提速，尤其是光合作用速率、提早開花與結(jié)實，更早的收獲種子，從而縮短世代時間。

圖1 植物工廠水稻各階段生長情況

縮短作物生育周期

試驗中針對水稻短日照作物特性和不同生育期光環(huán)境需求，采用不同比例的混合LED 光源，進(jìn)行水稻全生育期動態(tài)光環(huán)境調(diào)控，尤其是光周期的精準(zhǔn)調(diào)控，誘導(dǎo)水稻早期開花、促進(jìn)快速生長和結(jié)實。根據(jù)水稻光合對光譜選擇性吸收的特征，以紅藍(lán)LED 組合為主體，輔之以微劑量信號光譜（UV、遠(yuǎn)紅外、綠光等），構(gòu)建水稻快速開花、成熟和產(chǎn)量形成的光質(zhì)優(yōu)化配方。水稻作為喜光作物，對光照條件有較高的要求，并且群體的光飽和點隨著葉面積指數(shù)增大而變高，不同生長期的按需漸變供光，即能滿足水稻生長對光強的需求，促進(jìn)灌漿，又能提升光能效率。針對水稻短日照作物的特征，正常抽穗往往需要經(jīng)過一定時長的短日照調(diào)節(jié)，因此，通過光周期精準(zhǔn)調(diào)控，采用縮短光照時長促進(jìn)抽穗和延長光照時長加速生長相結(jié)合的供光模式，加速營養(yǎng)生長和生殖生長，從而縮短水稻整個生育周期。

促進(jìn)作物提早開花與結(jié)實

通過優(yōu)化植物工廠內(nèi)溫濕度等環(huán)境要素和營養(yǎng)供給，為水稻提供最佳生長環(huán)境和養(yǎng)分條件，進(jìn)行環(huán)境-營養(yǎng)耦合調(diào)控，激發(fā)水稻光合潛能，促進(jìn)產(chǎn)量積累與品質(zhì)形成。在保證適宜生長溫度的條件下，通過控制晝夜溫差，確保水稻提前灌漿結(jié)實。同時，根據(jù)水稻營養(yǎng)需求規(guī)律和吸肥特性，定向調(diào)節(jié)礦質(zhì)營養(yǎng)的供應(yīng)，充分滿足水稻吸肥高峰對各種營養(yǎng)元素的需求，前期提高氮素供給，促進(jìn)分蘗，加速營養(yǎng)生長，后期則通過控氮增碳，促進(jìn)生殖生長，并結(jié)合光強的調(diào)控和營養(yǎng)液濃度的變化，實現(xiàn)光與營養(yǎng)的協(xié)同調(diào)控，大幅縮短水稻生育周期。

未來展望

植物工廠水稻快速繁育技術(shù)是工業(yè)化方式解決育種難題和糧食安全的大膽嘗試，顛覆了傳統(tǒng)育種與栽培方法，顯著提升了育種效率，為加快作物育種速度、推動工廠化設(shè)施化生產(chǎn)提供了科學(xué)積累，為保障國家糧食安全、打贏種業(yè)翻身仗提供新的技術(shù)途徑。

作物育種加速平臺

植物工廠水稻快速育種技術(shù)的突破，顯著縮短了育種周期，一年可實現(xiàn)水稻育種加代5～6 代，解決了水稻新品種選育周期長、效率低的問題。利用植物工廠環(huán)境與營養(yǎng)精準(zhǔn)可控的技術(shù)優(yōu)勢，打破作物生長的時空瓶頸，實現(xiàn)作物的周年連續(xù)繁育，為快速發(fā)展純合子和穩(wěn)定基因型提供了機會，加速育種迭代，提升育種效率。此外，植物工廠作物快速繁育作為一個平臺，可以與單子傳代法、單株選擇、高通量表型和基因型、標(biāo)記輔助選擇、基因組選擇、CRISPR 基因編輯和單倍體育種等多種技術(shù)相結(jié)合，形成作物育種超級加速平臺，加快水稻、小麥、玉米和大豆等各類作物的品種改良速度。

超級垂直糧食工廠

植物工廠水稻立體栽培的成功，突破了傳統(tǒng)的作物栽培方式，為糧食作物的工廠化栽培奠定了基礎(chǔ)。植物工廠可控環(huán)境下的多層立體栽培，可大幅度提升土地利用效率與糧食產(chǎn)能。本次研究的植物工廠單層水稻栽培面積為15.0 m2，‘ZF802M’產(chǎn)量最高為0.98 kg/m2，四層栽培系統(tǒng)總產(chǎn)58.8 kg/m2。在植物工廠環(huán)境下每年可加代6 代，以栽培層10 層計算，理論上年產(chǎn)量可達(dá)39 t/667 m2，產(chǎn)能為大田的30 倍以上。未來可通過選育一些矮化的作物品種在植物工廠環(huán)境下進(jìn)行多層立體栽培，探尋大幅提升土地利用效率的技術(shù)途徑，為保障糧食安全提供新的技術(shù)支撐。

外太空探索的食物保障

植物工廠生產(chǎn)不受任何地點與氣候條件的限制，水稻等糧食作物快速繁育技術(shù)的突破，為月球、火星等外太空探索的食物保障提供了有效的技術(shù)方法。隨著月球與火星基地以及深空探索工作的逐漸展開，生命保障體系也將隨之建立，植物工廠環(huán)境可控、產(chǎn)能高效的技術(shù)優(yōu)勢必將為星月及外太空探索的食物生產(chǎn)提供有效的技術(shù)保障。