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2016年6月25日 作者:xwz2367609 [返回]
陆生植物水生诱变技术及其在农业上的应用

      (浙江省金华市农业科学研究院  321017

  要:运用营养胁迫、厌氧胁迫、物理诱变、计算机微程序控制等技术,对陆生植物进行驯化培养,诱导水生根系形成,可解决水中溶解氧含量过低、根系易腐烂、植株生长缓慢等问题,使其逐步适应于水生环境。为促进该技术在农业上的应用,介绍了其关键技术内容,并展望了该技术在农业上的应用前景,以供参考。

关键词:陆生植物;水生诱变;关键技术;应用前景

陆生植物水生诱变技术属无土栽培,是真正意义上的水培,它使原来生活在泥土中的植物,经过人工驯化、诱导后,可在水中生长几年、甚至更长的时间。该技术对无土栽培学的研究与提升起着非常显著的作用,使农业生产摆脱了自然环境的制约,按照人的意志进行生产,是一种受控农业的生产方式;同时,能较大程度地按数量化指标进行耕作,有利于实现机械化、自动化。目前在奥地利、荷兰、苏联、美国、日本等都有“水培工厂”,水培已成为现代化农业的标志之一。

1  陆生植物水生诱变技术

陆生植物即陆地上生长植物的统称,包括湿生、中生、旱生植物三大类。除湿生植物外,中生、旱生植物都无法直接进行水培,需对其进行驯化和诱导生根培养。自然状态下,物种会因自身因素及外界环境的长期不稳定而产生自发性突变,但这种变异的发生频率极低,且具有一定的回复性,因此,自然界中的遗传差异是物种内部变异长期积累的结果,即变异需达到一定程度的量变才会产生质变,从而诱发新的功能或新的形态特征,这也称之为“进化”。植物水生诱变技术是植物进化的一个混沌而有序的逆过程,从生理学上讲,就是诱导其根、茎、叶通气组织的形成,也是环境胁迫形成“进化驱动力”的过程。研究人员运用营养胁迫、厌氧胁迫、物理诱变、计算机微程序控制等技术,对植物进行水生诱变培养,通过物理(电场、磁场)诱变技术促进植物根系通气组织、储气组织的形成;利用计算机的水生诱变程序为植物适应水中生长提供最佳环境条件,诱导植物水生根系的形成,使其能够进行溶解氧的横向吸收与纵向运输,逐步适应水中生长环境。该技术具有产量高、品质好、节约水分和养分、省力省工、易于管理、应用范围广等特点。

2  陆生植物水生诱变关键技术

2.1  水生根的诱导

水生根的诱导是所有植物水培的核心关键技术。通常情况下,水中的氧气仅为土壤中氧气含量的千分之几甚至是万分之几,陆生植物的土生根在缺氧环境下呼吸受到抑制,极易变褐腐烂,因此在水培前要彻底剪去原来的土生根,剪除土生根后的地上部或插穗需用生根剂浸泡或醮粘基部进行处理,然后将材料插入珍珠岩、蛭石或河砂等基质中,在高湿的苗床上进行催根(基质含水量要保持在 80%100%),并注意叶片保湿,每隔1015 d用叶面肥补充营养1次。待诱发新根后,将植物从催根苗床转移至水培床,注意控制水温、营养液浓度和水位,可利用计算机微程序的精确计算进行控制。经诱导后重新长出的水生根根毛退化、洁白剔透,主要原因是植物在受到环境胁迫后迫使组织细胞间隙增大,细胞膜透性增强,液泡增大,从而形成发达的薄壁组织,氧气的纵向运输与储气能力变强,使其适应在水环境中的生长。

2.2  通气组织的形成

通气组织是具有大量细胞间隙的薄壁组织,即植物薄壁组织内一些气室或空腔的集合,是氧气运入根内的通道。许多水生和湿生植物在根茎内均存在通气组织,陆生植物则在缺氧胁迫的环境中才能分化产生或加速通气组织的发育。因水中溶解氧的含量极低,根系仅从水中获取氧气是远远不够的,还需利用水生根的通气性,把植物地上部分或暴露于空气中的根系吸收的氧输送至浸于水中的根系,以满足水生根对氧气的需求。一般外加高强度电场可使薄壁组织细胞疏松化,减小氧扩散阻力,有利于通气组织的形成;且植物细胞在电场作用下,跨膜电位提高,细胞主动吸收矿质离子的速度加快,特别是与通气组织形成相关极为密切的 Ca2+ 浓度的提高,从而强化激发了钙信号对通气组织形成相关基因的启动,增强了植株的纵向氧气运输能力。

2.3  水生诱变过渡

在计算机微程序的控制下,陆生植物从催根苗床的高氧环境过渡到水培床的水环境,为适应根系环境中氧气含量的急剧变化,在诱变之初要对水培床进行爆气与循环增氧,否则根系会因缺氧而腐烂。通常来说,诱变过渡过程的第一阶段是经计算机微程序控制创造水溶液的高度溶氧阶段。第二阶段是随着根系的发育生长,水生根系不断形成,通气组织渐渐形成,对水环境的适应性也逐渐增强,过渡到低氧环境。第三阶段是实现静止不增氧栽培。这个过渡过程是水生根形成与诱变的过程,也是梯度式降低水溶氧的过程,该过程需要由计算机的精确控制才能实现。

2.4  磁场诱导与电场诱导

过氧化物酶(POD)是高等植物中广泛而大量存在的卟啉环中含铁的金属蛋白质,具有降解植物内源激素生长素(IAA )的作用。相关研究表明,外加磁场能有效抑制 POD的活性,促进根系生长。表现为根尖分生区长度增长,分生细胞数目增多,分裂频率增加,成熟区细胞层次加多,维管组织发达,导管口径大更有利于通气,须状根数目增多,且长度和直径增大,顶端膨大,根系活力和吸收表面积增加。在厌氧诱导环境下,植物叶片的气孔开度会受影响,光合效率降低,生长减缓。通过施加外电场后,可促进气孔开放,强化吸收与同化二氧化碳的能力,提高光合效率,有利于水生根的快速发育;经电场处理后的营养液,上下层的离子分布发生变化,使处于浅层的根系吸收离子的速度加快。

2.5  营养液的补充与更换

水培条件下的陆生植物会形成特定的营养吸收方式,一般来说,在开花或结果等生殖生长期需要较大量的养分,因此需要在水中合理地加入营养液。营养液可在换水时加入,但需求量大或换水间隔时期长的植物,应在中期补充加入,宜低浓度补充多次;也可将营养液或其它叶面肥稀释至相应的比例,用喷雾器叶面喷施,注意要尽量喷到叶的背面,有利于提高吸收率,每隔 10 d 左右喷 1 次。

2.6  烂根现象及处理技术

水培过程中出现根系腐烂是较常见的现象,且较多发生在高温高湿的梅雨季节或炎热的夏季,可采取以下措施恢复:(1)用清水冲洗腐烂的根系后,剪去所有被侵染的根系部分;(2)用多菌灵或托布津 8001000 倍液,或 0.05%0.1% 高锰酸钾溶液,清洗或浸泡 1020 min;(3)用清水冲洗掉根系上残留的药液;(4)将植株放入已洗净的器皿中用清水养护,约 12 d 换水 1 次,15 d 左右就会长出新根,待根系生长稳定后,即可在营养液中继续培养观赏。

3  应用前景

目前,植物水生诱变技术已广泛应用于农业中木本水培、果树水培、花卉水培、多肉类植物水培、蔬菜类水培等多个领域。植物水生诱变后,不仅可广泛应用于家居、办公室、商场、酒店的美化装饰,还可用于水面漂浮绿化造景、管道化栽培、墙面垂直绿化或屋顶空中花园架设,此外,也可运用该技术探索工厂化水培模式或生产无公害蔬菜等。在国内的一些水生诱变研究试验基地内,已展现出健壮的桃树、刚中带柔的橡皮树、浑身带刺的仙人球、娇嫩欲滴的仙客来、产量上百斤的水培西瓜等。今后,将重点攻克水中溶氧调控、去根形成新生不定根、高湿促发白嫩水生根、环境胁迫诱导通气组织根等核心技术,以促进该技术在农业中更好的应用,从而推动现代化农业的发展。

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