technologie du génie agricole horticole en serrePublié à 17h30 le 14 octobre 2022 à Pékin

Face à la croissance démographique mondiale, la demande alimentaire augmente de jour en jour, et les exigences en matière de nutrition et de sécurité alimentaire se renforcent. Cultiver des plantes à haut rendement et de haute qualité est essentiel pour répondre aux enjeux alimentaires. Cependant, les méthodes de sélection traditionnelles sont longues et complexes, ce qui freine les progrès. Pour les plantes annuelles autogames, il faut compter entre 10 et 15 ans entre le croisement initial et l'obtention d'une nouvelle variété. Par conséquent, pour accélérer la sélection végétale, il est urgent d'améliorer son efficacité et de réduire le temps de génération.

La multiplication rapide consiste à maximiser le taux de croissance des plantes, à accélérer la floraison et la fructification, et à raccourcir le cycle de reproduction en contrôlant les conditions environnementales dans une chambre de culture entièrement fermée et contrôlée. Une usine de production végétale est un système agricole permettant une production agricole à haut rendement grâce à un contrôle environnemental de haute précision. C'est un environnement idéal pour la multiplication rapide. Les conditions environnementales de culture, telles que la lumière, la température, l'humidité et la concentration de CO2, y sont relativement contrôlables et peu ou pas affectées par le climat extérieur. Dans ces conditions environnementales contrôlées, l'intensité lumineuse, la durée d'exposition à la lumière et la température optimales permettent d'accélérer divers processus physiologiques des plantes, notamment la photosynthèse et la floraison, raccourcissant ainsi le cycle de vie des cultures. Grâce à la technologie des usines de production végétale, la croissance et le développement des cultures sont contrôlés, les fruits sont récoltés plus tôt, et quelques graines germinatives suffisent pour répondre aux besoins de reproduction.

La photopériode, principal facteur environnemental affectant le cycle de croissance des cultures

Le cycle lumineux désigne l'alternance des périodes de lumière et d'obscurité au cours de la journée. Ce cycle est un facteur important qui influence la croissance, le développement, la floraison et la fructification des cultures. En détectant les variations du cycle lumineux, les cultures peuvent passer de la phase végétative à la phase reproductive, puis achever leur floraison et leur fructification. Différentes variétés et différents génotypes de cultures présentent des réponses physiologiques différentes aux variations de la photopériode. Les plantes de longue durée, comme l'avoine, le blé et l'orge, voient généralement leur floraison accélérée par l'allongement de la photopériode dès que la durée d'ensoleillement dépasse un seuil critique. Les plantes indifférentes à la photopériode, comme le riz, le maïs et le concombre, fleurissent indépendamment de celle-ci. Les plantes de jours courts, comme le coton, le soja et le millet, nécessitent une photopériode inférieure à leur seuil critique pour fleurir. Dans des conditions environnementales artificielles (8 h de lumière et 30 °C), la floraison de l'amarante est avancée de plus de 40 jours par rapport à celle observée en plein champ. Sous le traitement d'un cycle lumineux de 16/8 h (lumière/obscurité), les sept génotypes d'orge ont fleuri tôt : Franklin (36 jours), Gairdner (35 jours), Gimmett (33 jours), Commander (30 jours), Fleet (29 jours), Baudin (26 jours) et Lockyer (25 jours).

En milieu artificiel, le cycle de croissance du blé peut être raccourci grâce à la culture d'embryons pour obtenir des plantules, suivie d'une irradiation de 16 heures, permettant ainsi la production de 8 générations par an. Le cycle de croissance du pois a été réduit de 143 jours en plein champ à 67 jours en serre artificielle avec 16 heures de lumière. En prolongeant la photopériode à 20 heures et en la combinant à une température de 21 °C/16 °C (jour/nuit), le cycle de croissance du pois peut être ramené à 68 jours, avec un taux de nouaison de 97,8 %. En conditions contrôlées, après un traitement photopériodique de 20 heures, la floraison s'effectue en 32 jours, soit un cycle de croissance total de 62 à 71 jours, plus court de plus de 30 jours qu'en plein champ. Sous serre artificielle avec une photopériode de 22 heures, la floraison du blé, de l'orge, du colza et du pois chiche est raccourcie en moyenne de 22, 64, 73 et 33 jours, respectivement. Associée à une récolte précoce des semences, cette technique permet d'atteindre des taux de germination moyens de 92 %, 98 %, 89 % et 94 %, respectivement, répondant ainsi pleinement aux besoins de la sélection variétale. Les variétés les plus rapides peuvent être produites en continu sur 6 générations (blé) et 7 générations (avoine). Sous une photopériode de 22 heures, la floraison de l'avoine est réduite de 11 jours, et 21 jours après la floraison, au moins 5 graines viables sont garanties, permettant ainsi la multiplication sur cinq générations chaque année. Sous serre artificielle avec un éclairage de 22 heures, le cycle de croissance des lentilles est raccourci à 115 jours, permettant une reproduction sur 3 à 4 générations par an. Dans des conditions d'éclairage continu 24 heures sur 24 en serre artificielle, le cycle de croissance de l'arachide est réduit de 145 jours à 89 jours, et elle peut être propagée pendant 4 générations en une année.

Qualité de la lumière

La lumière joue un rôle essentiel dans la croissance et le développement des plantes. Elle peut contrôler la floraison en agissant sur de nombreux photorécepteurs. Le rapport lumière rouge (R) / lumière bleue (B) est crucial pour la floraison des cultures. La longueur d'onde de la lumière rouge, comprise entre 600 et 700 nm, contient le pic d'absorption de la chlorophylle à 660 nm, ce qui favorise efficacement la photosynthèse. La longueur d'onde de la lumière bleue, comprise entre 400 et 500 nm, influence le phototropisme, l'ouverture des stomates et la croissance des plantules. Chez le blé, un rapport lumière rouge/lumière bleue proche de 1 induit une floraison précoce. Sous une qualité lumineuse de R:B = 4:1, la période de croissance des variétés de soja à maturation moyenne et tardive a été raccourcie de 120 à 63 jours, et la hauteur et la biomasse nutritionnelle des plantes ont diminué. Cependant, le rendement en graines est resté inchangé, garantissant au moins une graine par plante. Le taux de germination moyen des graines immatures était de 81,7 %. Dans des conditions d'éclairage de 10 heures et d'apport de lumière bleue, les plants de soja sont devenus courts et forts, ont fleuri 23 jours après le semis, ont atteint leur maturité en 77 jours et ont pu se reproduire pendant 5 générations en un an.

Le rapport entre la lumière rouge et la lumière rouge lointaine (FR) influence la floraison des plantes. Les pigments photosensibles existent sous deux formes : l’absorption de la lumière rouge lointaine (Pfr) et l’absorption de la lumière rouge (Pr). À un faible rapport R:FR, les pigments photosensibles passent de Pfr à Pr, ce qui induit la floraison des plantes de jours longs. L’utilisation de LED pour réguler le rapport R:FR (0,66 à 1,07) permet d’accroître la hauteur des plantes, de favoriser la floraison des plantes de jours longs (comme le liseron et le muflier) et d’inhiber celle des plantes de jours courts (comme le souci). Lorsque le rapport R:FR est supérieur à 3,1, la floraison des lentilles est retardée. Un rapport R:FR de 1,9 permet d’obtenir une floraison optimale, dès le 31e jour après le semis. L’inhibition de la floraison par la lumière rouge est donc médiée par le pigment photosensible Pr. Des études ont montré qu'un rapport R:FR supérieur à 3,5 retarde la floraison de cinq légumineuses (pois, pois chiche, fève, lentille et lupin). Chez certains génotypes d'amarante et de riz, l'utilisation de la lumière rouge lointaine permet d'avancer la floraison de 10 et 20 jours respectivement.

Engrais CO2₂

CO₂est la principale source de carbone de la photosynthèse. Forte concentration de CO2₂peut généralement favoriser la croissance et la reproduction des plantes annuelles C3, tandis qu'une faible concentration de CO2₂La limitation en carbone peut réduire la croissance et le rendement de reproduction. Par exemple, l'efficacité photosynthétique des plantes C3, comme le riz et le blé, augmente avec l'augmentation du CO₂.₂niveau, entraînant une augmentation de la biomasse et une floraison précoce. Afin de réaliser l'impact positif du CO2₂En cas d'augmentation de la concentration, il peut être nécessaire d'optimiser l'apport en eau et en nutriments. Par conséquent, avec un investissement illimité, l'hydroponie permet d'exploiter pleinement le potentiel de croissance des plantes. Faible teneur en CO₂₂La concentration a retardé la floraison d'Arabidopsis thaliana, tandis qu'une concentration élevée de CO2 a retardé la floraison.₂La concentration a accéléré la floraison du riz, réduit son cycle de croissance à 3 mois et permis la multiplication à 4 générations par an. L'apport de CO₂ a également été étudié.₂En augmentant la concentration de CO₂ à 785,7 μmol/mol dans une enceinte de culture artificielle, le cycle de reproduction de la variété de soja « Enrei » a été raccourci à 70 jours, permettant ainsi de produire 5 générations en une seule année.₂Lorsque la concentration a augmenté jusqu'à 550 μmol/mol, la floraison de Cajanus cajan a été retardée de 8 à 9 jours, et la nouaison et la maturation des fruits ont également été retardées de 9 jours. Cajanus cajan a accumulé des sucres insolubles à forte concentration de CO₂.₂La concentration de CO₂ peut affecter la transmission des signaux chez les plantes et retarder la floraison. De plus, dans la chambre de culture à concentration accrue de CO₂, la concentration de CO₂ peut augmenter.₂Le nombre et la qualité des fleurs de soja augmentent, ce qui favorise l'hybridation, et son taux d'hybridation est bien supérieur à celui du soja cultivé en plein champ.

perspectives d'avenir

L'agriculture moderne peut accélérer le processus d'amélioration des cultures grâce à la sélection alternative et à la sélection en serre. Cependant, ces méthodes présentent des inconvénients, tels que des contraintes géographiques strictes, une main-d'œuvre coûteuse et des conditions naturelles instables, qui ne garantissent pas une récolte de semences réussie. La sélection en serre est influencée par les conditions climatiques et le nombre de générations est limité. La sélection par marqueurs moléculaires, quant à elle, accélère la sélection et la détermination des caractères cibles. Actuellement, les techniques de sélection rapide sont appliquées aux graminées, aux légumineuses, aux crucifères et à d'autres cultures. La sélection rapide en usine végétale s'affranchit totalement des conditions climatiques et permet de réguler l'environnement de croissance en fonction des besoins du développement des plantes. En combinant efficacement la sélection rapide en usine végétale avec les méthodes traditionnelles, la sélection par marqueurs moléculaires et d'autres techniques, on peut réduire le temps nécessaire à l'obtention de lignées homozygotes après hybridation et sélectionner les premières générations afin de raccourcir le délai d'obtention des caractères idéaux et le nombre de générations de sélection.

La principale limite des techniques de sélection rapide des plantes en usine réside dans la grande variabilité des conditions environnementales requises pour la croissance et le développement des différentes cultures. L'obtention de ces conditions optimales pour la sélection rapide des cultures cibles est un processus long. Par ailleurs, le coût élevé de construction et d'exploitation des usines de production végétale rend difficile la réalisation d'expérimentations de sélection additive à grande échelle, ce qui limite souvent le rendement en semences et, par conséquent, l'évaluation ultérieure des caractéristiques des plantes sur le terrain. Grâce à l'amélioration progressive des équipements et des technologies des usines de production végétale, les coûts de construction et d'exploitation diminuent. Il est possible d'optimiser davantage la technique de sélection rapide et de raccourcir le cycle de sélection en combinant efficacement la sélection rapide en usine végétale avec d'autres techniques de sélection.

FIN

Informations citées

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. Progrès de la recherche sur la technologie de reproduction rapide en usine végétale [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022,42(22):46-49.