农业一直是人类生存和发展的基础产业。全球人口的快速增长对粮食安全提出了更高的要求，需要确保有足够的、营养丰富的食物供应。传统农业在满足这一需求上面临着诸多挑战，如可耕地减少、极端天气频繁、粮食安全问题凸显等。可持续发展已成为全球社会的共识，这意味着在农业领域要减少对自然资源的消耗，降低环境污染，提高农业生产的效率和可持续性。为了应对这些挑战，室内垂直农业作为一种新兴的、可持续的农业模式应运而生。
室内垂直农业通过在垂直分层的生态系统中精确控制环境条件，可以在有限的空间内，不受自然天气条件的影响，实现全年高效生产，同时减少对土地、水和能源的浪费，符合可持续发展的理念。
然而，要实现室内垂直农业的可持续发展，还需要解决一系列关键问题，其中作物的遗传育种是至关重要的一环。
近期，
Nature
旗下子刊
npj Sustainable Agriculture
发表了新加坡国立大学生物系Zhi Wei Norman Teo和Hao Yu题为Genetic breeding for indoor vertical farming的综述文章，概述了作物育种的最新技术进步，并讨论了开发适合可持续室内垂直农业实践的作物所需的基本性状和潜在的育种工作流程。
随着城市化进程的加速，越来越多的人口集中在城市地区，对食物的需求不断增加。室内垂直农业可以在城市内部或周边地区进行生产，能够更高效地为城市居民提供新鲜的食物。在一些大城市中，土地资源稀缺，传统农业无法满足城市的食物需求，而室内垂直农业通过垂直分层系统，可以在有限的空间内大量种植农作物，从而保障城市的食物供应。面对气候变化和极端天气等环境挑战，传统农业容易受到影响，导致农作物减产甚至绝收。室内垂直农业通过精确控制环境条件，如光照、温度、湿度和养分等，可以使农作物不受自然天气的影响，稳定地进行生产。这使得城市在面对环境变化时，仍然能够保障食物的稳定供应，增强城市的韧性。室内垂直农业采用可持续的生产方式，如循环利用水资源、减少能源消耗等。这有助于减少城市的生态足迹，降低对自然资源的依赖，符合城市可持续发展的目标。同时，它还可以减少食物运输过程中的碳排放，进一步促进城市的可持续发展。室内垂直农业的发展需要一系列先进的技术和设备，这推动了农业技术的创新和相关产业的发展。例如，在照明、气候控制、自动化管理等方面的技术创新，可以提高农业生产的效率和质量。同时，室内垂直农业也可以创造新的就业机会，促进城市经济的发展。
图1 室内垂直农业给当地社区带来的好处。
在城市化地区建立室内垂直农场能为当地社区带来经济、社会和环境方面的优势，促进可持续发展并提升居民的福祉。
在室内垂直农业中，照明技术至关重要。传统的自然光照无法满足室内种植的需求，因此需要创新的照明技术。采用特定光谱的人工光源，可以根据不同作物的生长需求进行调整。像生菜等叶菜类作物可能需要较多的蓝光来促进光合作用和叶片生长，而一些开花结果的作物可能需要不同比例的红光等。这些精确控制光谱的照明技术，使得农业从业者能够在室内为作物提供适宜的光照条件，提高作物产量和质量。
室内垂直农业需要精确控制温度、湿度、通风等气候条件。创新的气候控制技术可以实现这一点。通过智能传感器和自动化控制系统，可以实时监测室内的温度、湿度等参数，并根据预设值进行自动调整。在炎热的夏季，可以通过制冷系统降低室内温度，防止作物受到高温危害；在寒冷的冬季，可以通过加热系统保持适宜的温度。同时，精确控制湿度可以避免作物因湿度过高而发霉或因湿度过低而缺水，通风系统则可以保证室内空气的新鲜和二氧化碳的充足供应，有利于作物的光合作用。
农业面临劳动力成本高和劳动力短缺等问题，自动化技术的创新可以解决这些问题。采用自动化的播种、灌溉、施肥和采摘设备，可以减少人工操作，提高生产效率。自动化的播种设备可以精确地将种子播撒在合适的位置，保证种子的发芽率；自动化的灌溉系统可以根据作物的需水情况进行精准灌溉，避免水资源的浪费；自动化的施肥设备可以根据土壤养分状况和作物生长阶段进行合理施肥；自动化的采摘设备可以在作物成熟时及时采摘，保证作物的品质。
农民和育种者需要培育适合室内垂直农业环境的作物品种。遗传育种技术的创新为此提供了可能。基因编辑技术（如CRISPR-Cas9）可以对作物的基因进行精确编辑，使其具有适应室内环境的性状。可以改变作物的光合作用相关基因，使其更适应人工照明条件；或者改变作物的株型基因，使其更适合在垂直分层系统中生长，提高空间利用率。同时，结合基因组学和表型组学的先进育种技术，可以快速筛选出具有优良性状的亲本，加速新品种的培育过程。
图2 作物育种技术的最新发展。
新一代测序（NGS）、精准农业和表型分析能力的结合，彻底改变了育种者培育具有适合室内垂直农业性状的新作物品种的方式。
室内垂直农业主要依靠人工照明，因此需要优化作物对人工光照的适应性。这包括对光照强度、光谱和光照时间的适应。例如，一些作物可能需要在较低的光照强度下也能进行高效的光合作用，以适应室内照明系统可能存在的光照不均匀问题。同时，不同作物可能对光谱有不同的需求，如叶菜类作物可能更适应富含蓝光的光谱，而一些开花结果的作物可能需要更多的红光成分。优化作物对光照的适应性，可以提高作物在室内垂直农业环境中的生长效率和质量。
室内垂直农业采用垂直分层系统，空间有限。因此，作物的性状需要优化以更好地利用空间。这可能包括植株的形态结构优化，例如植株矮小紧凑、叶片排列合理等，以便在有限的空间内种植更多的作物。同时，作物的根系结构也可能需要优化，使其能够在较小的种植容器或基质中良好生长，减少对空间的占用。优化空间利用性状，可以提高室内垂直农业的种植密度，增加产量。
为了实现室内垂直农业的高效生产，作物的生长周期可能需要优化。一些作物可能需要缩短生长周期，以便在一年内能够多次种植和收获，提高土地利用率和产量。这可能涉及到对作物的生长速度、发育阶段等方面的调控。通过选育早熟品种或利用基因编辑技术改变作物的生长调控基因，使作物能够更快地完成生长周期，适应室内垂直农业的生产节奏。
室内垂直农业虽然可以控制环境条件，但仍然可能存在一些环境波动或潜在的胁迫因素。因此，作物需要优化抗逆性状。这包括对温度波动、湿度变化、病虫害等方面的抵抗能力。通过选育具有较强抗寒或耐热能力的品种，或者通过基因编辑技术增强作物对病虫害的防御机制，使作物能够在室内垂直农业环境中稳定生长，减少因环境变化或病虫害侵袭而导致的产量损失。
