온실 원예 농업 공학 기술2022년 10월 14일 17시 30분 베이징에서 게시됨

세계 인구가 지속적으로 증가함에 따라 식량 수요는 날로 늘어나고 있으며, 식품의 영양과 안전성에 대한 요구도 높아지고 있습니다. 고수확 고품질 작물 재배는 식량 문제를 해결하는 중요한 수단입니다. 그러나 전통적인 육종 방식으로는 우수한 품종을 개발하는 데 오랜 시간이 걸려 육종 발전을 저해합니다. 특히 자가수분하는 한해살이 작물의 경우, 최초 교배부터 새로운 품종 생산까지 10~15년이 걸릴 수 있습니다. 따라서 작물 육종 속도를 높이기 위해서는 육종 효율을 향상시키고 세대 기간을 단축하는 것이 시급합니다.

급속 육종이란 완전 밀폐된 제어 환경 생육실에서 환경 조건을 제어하여 식물의 성장 속도를 극대화하고, 개화 및 결실을 촉진하며, 육종 주기를 단축하는 것을 의미합니다. 식물 공장은 시설 내 고정밀 환경 제어를 통해 고효율 작물 생산을 달성할 수 있는 농업 시스템으로, 급속 육종에 이상적인 환경을 제공합니다. 공장 내 재배 환경 조건(조명, 온도, 습도, 이산화탄소 농도 등)은 비교적 정밀하게 제어할 수 있으며, 외부 기후의 영향을 거의 받지 않습니다. 제어된 환경 조건에서 최적의 조도, 일조 시간, 온도를 유지하면 식물의 다양한 생리 과정, 특히 광합성과 개화를 촉진하여 작물 생장 주기를 단축할 수 있습니다. 식물 공장 기술을 활용하여 작물의 생장 및 발달을 제어하고, 조기에 수확하여 발아 능력이 있는 소량의 종자만으로도 육종에 필요한 작물을 생산할 수 있습니다.

광주기는 작물 생장 주기에 영향을 미치는 주요 환경 요인입니다.

광주기란 하루 중 밝은 시간과 어두운 시간이 번갈아 나타나는 것을 말합니다. 광주기는 작물의 생장, 발달, 개화 및 결실에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 작물은 광주기의 변화를 감지하여 영양 생장에서 생식 생장으로 전환하고 개화와 결실을 완료할 수 있습니다. 작물 품종과 유전형에 따라 광주기 변화에 대한 생리적 반응이 다릅니다. 장일성 작물은 일조 시간이 임계 일조 시간을 초과하면 광주기를 연장함으로써 개화 시기를 앞당기는 경향이 있는데, 귀리, 밀, 보리 등이 이에 해당합니다. 중성 작물은 광주기에 관계없이 개화하는데, 벼, 옥수수, 오이 등이 그 예입니다. 단일성 작물은 목화, 콩, 기장처럼 개화를 위해 임계 일조 시간보다 짧은 광주기가 필요합니다. 인공 환경 조건(8시간 광주기, 30℃ 고온)에서 아마란스의 개화 시기는 야외 환경보다 40일 이상 빠릅니다. 16/8시간 광주기(밝음/어둠) 조건에서 7가지 보리 품종 모두 조기 개화를 보였다: 프랭클린(36일), 가드너(35일), 기멧(33일), 커맨더(30일), 플릿(29일), 보댕(26일), 로키어(25일).

인공 환경에서 밀은 배아 배양을 통해 묘목을 얻은 후 16시간 동안 일조량을 조절하면 생육 기간을 단축할 수 있으며, 매년 8세대까지 생산이 가능하다. 완두콩의 경우, 노지 환경에서 143일 걸리던 생육 기간이 인공 온실에서 16시간 광주기 조건으로 67일로 단축되었다. 광주기를 20시간으로 더 연장하고 21°C/16°C(주간/야간)의 온도 조건을 적용하면 생육 기간은 68일까지 단축되고 종자 결실률은 97.8%에 달한다. 제어된 환경 조건에서 20시간 광주기 처리 후 파종부터 개화까지 32일이 소요되며, 전체 생육 기간은 62~71일로 노지 조건보다 30일 이상 단축된다. 22시간 광주기 조건의 인공 온실에서 밀, 보리, 유채, 병아리콩의 개화 기간은 평균적으로 각각 22일, 64일, 73일, 33일 단축되었습니다. 조기 수확과 함께 조기 수확 종자의 발아율은 평균적으로 각각 92%, 98%, 89%, 94%에 달하여 육종 요구를 충분히 충족할 수 있었습니다. 가장 빠른 품종은 밀의 경우 6세대, 병아리콩의 경우 7세대까지 연속적으로 생산이 가능했습니다. 22시간 광주기 조건에서 귀리의 개화 기간은 11일 단축되었고, 개화 후 21일째에 최소 5개의 발아 가능한 종자를 확보할 수 있어 매년 5세대까지 연속적으로 번식이 가능했습니다. 22시간 광주기 조건의 인공 온실에서 렌틸콩의 생육 기간은 115일로 단축되었으며, 연간 3~4세대까지 번식이 가능했습니다. 인공 온실에서 24시간 연속 조명을 비추는 조건에서 땅콩의 생장 주기는 145일에서 89일로 단축되며, 1년에 4세대까지 번식시킬 수 있다.

빛의 질

빛은 식물의 성장과 발달에 매우 중요한 역할을 합니다. 빛은 다양한 광수용체에 영향을 미쳐 개화를 조절할 수 있습니다. 적색광(R)과 청색광(B)의 비율은 작물의 개화에 매우 중요한 영향을 미칩니다. 600~700nm의 적색광 파장에는 엽록소의 흡수 피크인 660nm가 포함되어 있어 광합성을 효과적으로 촉진합니다. 400~500nm의 청색광 파장은 식물의 굴광성, 기공 개폐 및 묘목 생장에 영향을 미칩니다. 밀의 경우, 적색광과 청색광의 비율이 약 1일 때 개화가 가장 빨리 유도됩니다. R:B=4:1의 광질 조건에서 중만생종 콩의 생육 기간은 120일에서 63일로 단축되었고, 식물 높이와 영양분량은 감소했지만, 종자 수확량은 영향을 받지 않아 식물체당 최소 1개의 종자를 확보할 수 있었으며, 미성숙 종자의 평균 발아율은 81.7%였습니다. 하루 10시간 일조량과 청색광 보충 조건에서 콩 식물은 키가 작고 튼튼하게 자랐으며, 파종 후 23일 만에 개화하고 77일 이내에 성숙했으며, 1년 안에 5대까지 번식할 수 있었다.

적색광과 원적외선(FR)의 비율 또한 식물의 개화에 영향을 미칩니다. 광감성 색소는 원적외선 흡수형(Pfr)과 적색광 흡수형(Pr) 두 가지 형태로 존재합니다. R:FR 비율이 낮으면 광감성 색소가 Pfr에서 Pr로 전환되어 장일성 식물의 개화를 유도합니다. LED 조명을 이용하여 적절한 R:FR 비율(0.66~1.07)을 조절하면 식물의 키를 키우고 나팔꽃, 금어초와 같은 장일성 식물의 개화를 촉진하며, 금잔화와 같은 단일성 식물의 개화를 억제할 수 있습니다. R:FR 비율이 3.1보다 크면 렌틸콩의 개화 시기가 지연됩니다. R:FR 비율을 1.9로 낮추면 최적의 개화 효과를 얻을 수 있으며, 파종 후 31일 만에 개화할 수 있습니다. 적색광이 개화를 억제하는 효과는 광감성 색소인 Pr을 통해 매개됩니다. 연구에 따르면 R:FR 비율이 3.5보다 높을 경우, 5가지 콩과 식물(완두콩, 병아리콩, 잠두, 렌틸콩, 루핀)의 개화 시기가 지연되는 것으로 나타났습니다. 일부 아마란스와 벼 품종에서는 원적외선을 이용하여 개화 시기를 각각 10일과 20일 앞당기는 것으로 밝혀졌습니다.

비료 CO₂

CO₂CO₂는 광합성의 주요 탄소 공급원입니다. 고농도 CO₂₂일반적으로 CO₂ 농도가 낮으면 C3 일년생 식물의 성장과 번식을 촉진할 수 있습니다.₂탄소 제한으로 인해 생장과 번식 수율이 감소할 수 있습니다. 예를 들어, 벼와 밀과 같은 C3 식물의 광합성 효율은 CO₂ 농도가 증가함에 따라 증가합니다.₂이산화탄소 농도를 높여 바이오매스 증가와 조기 개화를 유도합니다. 이산화탄소의 긍정적인 영향을 실현하기 위해₂농도가 증가함에 따라 물과 영양분 공급을 최적화해야 할 수도 있습니다. 따라서 투자에 제한이 없다면 수경재배는 식물의 성장 잠재력을 최대한 발휘할 수 있습니다. 낮은 CO₂ 농도₂CO₂ 농도는 애기장대(Arabidopsis thaliana)의 개화 시기를 지연시켰고, 높은 CO₂ 농도는₂이산화탄소 농도를 높이면 벼의 개화 시기가 빨라지고, 생육 기간이 3개월로 단축되며, 1년에 4세대가 번식하게 된다.₂인공 생장 상자에서 CO₂ 농도를 785.7μmol/mol까지 높이면 콩 품종 '엔레이'의 육종 주기가 70일로 단축되어 1년에 5세대 육종이 가능해진다.₂이산화탄소 농도가 550μmol/mol까지 증가하자 까자누스 카잔(Cajanus cajan)의 개화가 8~9일 지연되었고, 착과 및 숙성 시기도 9일 지연되었다. 까자누스 카잔은 고농도의 이산화탄소 환경에서 불용성 당을 축적했다.₂이산화탄소 농도가 높아지면 식물의 신호 전달에 영향을 미치고 개화를 지연시킬 수 있습니다. 또한, 생장실의 이산화탄소 농도가 높아지면 이러한 현상이 더욱 두드러질 수 있습니다.₂이렇게 하면 콩꽃의 수와 질이 향상되어 교배에 유리하며, 교배율 또한 노지에서 재배한 콩보다 훨씬 높습니다.

향후 전망

현대 농업은 대체 육종과 시설 육종을 통해 작물 육종 과정을 가속화할 수 있습니다. 그러나 이러한 방법에는 엄격한 지리적 조건, 높은 노동력, 불안정한 자연 환경 등 몇 가지 단점이 있으며, 이는 종자 수확의 성공을 보장하지 못합니다. 시설 육종은 기후 조건의 영향을 받으며, 세대 추가에 필요한 시간이 제한적입니다. 반면 분자 마커 육종은 육종 목표 형질의 선택 및 확정을 가속화할 뿐입니다. 현재 신속 육종 기술은 벼과, 콩과, 십자화과 등 다양한 작물에 적용되고 있습니다. 그러나 식물 공장 신속 세대 육종은 기후 조건의 영향을 완전히 배제하고, 식물의 생장 및 발달 요구에 따라 생장 환경을 조절할 수 있다는 장점이 있습니다. 식물 공장식 신속 육종 기술을 전통 육종, 분자 마커 육종 등 다양한 육종 방법과 효과적으로 결합함으로써, 신속 육종 조건 하에서 교배 후 동형접합 계통을 얻는 데 필요한 시간을 단축할 수 있으며, 동시에 초기 세대를 선별하여 이상적인 형질과 육종 세대를 얻는 데 필요한 시간을 단축할 수 있다.

식물 공장식 신속 육종 기술의 주요 한계는 작물마다 생육 및 발달에 필요한 환경 조건이 상당히 다르며, 목표 작물의 신속 육종에 적합한 환경 조건을 확보하는 데 오랜 시간이 걸린다는 점입니다. 또한, 식물 공장 건설 및 운영 비용이 높아 대규모 가산 육종 실험을 수행하기 어렵고, 이로 인해 종자 수확량이 제한되어 후속적인 포장 특성 평가에 제약이 따르는 경우가 많습니다. 그러나 식물 공장 설비 및 기술의 점진적인 발전으로 건설 및 운영 비용이 점차 절감되고 있으며, 다른 육종 기술과 효과적으로 결합함으로써 신속 육종 기술을 더욱 최적화하고 육종 주기를 단축할 수 있을 것으로 기대됩니다.

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인용된 정보

Liu Kaizhe, Liu Houcheng. 식물 공장 신속 육종 기술 연구 진행 상황 [J]. 농업 공학 기술, 2022,42(22):46-49.