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2005年5月13日 作者:ctnyzn [返回]
植物非试管快繁技术的前身--光独立培养法

    近几年来,我国对种苗的需求量大大增加,仅仅靠目前传统的育苗方法远不能满足日益增长的需要,种苗生产逐渐开始了专业化、产业化的生产。从世界规模来看,种苗生产企业的数量在不断增加。穴盘育苗和组培苗生产逐渐普及。利用穴盘和组织培养的方法培育出来的优质苗可以减少后期栽培中农药、肥料的施用量,减轻人工管理的劳力,达到增产、增收的目的。

对于无性繁殖苗木,则多采用组织培养的育苗方法。组培苗可大量生产具有优良遗传性状,而且不被病原菌污染的种苗,但目前由于组培苗的生产成本较高,除利用价值较高的园艺作物外,普及率还不是很高。

除人工费用以外,培养植物生长缓慢,培养及驯化过程中植株死亡率高,形态及生理异常多等都是造成组培苗生产成本高的原因。这主要是由于目前的组培方法使用了含糖培养基,杂菌很容易侵入培养器和在培养基中繁殖。为了减少因杂菌繁殖造成的培养植物损失,必须采用无菌条件下的小型培养器的手工操作。

由此可知:小型培养容器的有糖培养,也就是我们现在所使用的常规培养,具有以下特点;

 

1.1.1 有糖培养的缺点

  1. 由于培养基中含有糖,一旦被微生物(杂菌)侵染,将很快在培养基上繁殖,造成污染,使培养植株枯死。
  2. 由于培养容器是密闭的,所以容器内相对湿度很高,一般都在96%以上,甚至达到100%,培养容器内壁经常结露。在这种相对湿度高和弱光环境下(一般组培容器内的光照度只有3000LX,远低于室外和温室内)植株生长纤弱,叶片上调节蒸腾速度的气孔开闭机构极不发达,叶表面基本没有形成充分的蜡质层,植株徒长,严重的还会出现水浸状,而且培养植物的蒸腾弱,抑制了植物从培养基中吸水,也抑制了植物的发根,因此从培养容器中移出后,容易引起植物体的过度蒸腾,使生育延缓或枯死。
  3. 由于培养容器是密闭的,所以在照明开始1-2H之内,二氧化碳浓度迅速下降,基本在100uL/L以下,这个浓度从植物生理学上来讲,几乎接近了CO2浓度的补偿点,即净光合速度等于零,培养植物的光合成明显受到抑制,植株生长缓慢.
  4. 由于容器内的空气几乎不流动,所以乙烯浓度和暗期的CO2浓度较高,造成植株生理代谢异常.

1.1.2 光独立营养培养法的特点

 

    为解决以上问题,我们进行了光自养微繁技术(光独立营养培养法也可称无糖培养法)的开发和研究。运用计算机智能控制技术对离体材料的发育环境进行精确自动控制,包括温、光、水、气、营养等的数字化精确控制,让植物生存于最佳的智能环境下。在培育设施条件上进行大胆的改革与创新,开发了一套适于中国国情的光自养微繁技术及设备。

 

Ø     以珍珠岩为基质的无糖无菌苗床代替了组培的试管;

Ø     扣小拱棚并加盖透气微膜,创造了相当于组培试管的微环境。

Ø     结合供气管道强制供应二氧化碳,解决了碳源问题;

Ø     光照充足的大棚环境再加上补光系统,使材料的光合作用得到最佳的发挥;

Ø     全价无机营养液的阶段性准确供给,满足了材料发育过程中对矿质养分的要。

Ø     基于智能叶片的计算机自动控制系统为材料创造了最佳的温光水气热微环境

Ø     高压电场及磁场的运用,大大促进了材料的光合作用,以及材料对水与营养的吸收,并且高压电场杀除了苗床内的大部分真菌与细菌,创造了无菌环境。

 

    现就光自养微繁过程中较为重要的内外因子对离体材料发育的影响作简要的分析。在温室内或露地栽培的植物,即使开始只有米粒大小的叶片,也能长成一颗很大的植株。实验证明,只要具有20平方毫米含有叶绿素的叶片,就能够独立地进行光合作用。植物组织培养的快繁阶段,基本上使用的是带有一段茎及一片或数片叶片的植物片。也就是说在这一阶段,即使不在培养基中加糖,植物片也应该能够进行光合作用,自养生长。如果把培养基中的糖去掉,污染就可以大大减轻。就没有必要密闭得那样严实。这样组培的气相环境就可以得到改善。而且如果污染问题得到了解决,还可以在大型容器内或设施苗床内进行培养,增加光照。补充二氧化碳以达到提高植物生长速度,缩短培养时间,降低成本的目的。

  光自养微繁技术(光独立营养培养法或无糖培养法)主要引进了以下新技术。

  1. 去除培养基中的糖,导入大型培养容器或设施苗床,去除了培养基中的糖后,减少了污染的机会。使大型培养容器或设施苗床得以导入。大型培养器内的CO2,相对湿度,气流速度等环境因子可以比较容易地进行智能调节。另外,使用大型培养容器或苗床还可以减少人工操作的工作量。为实现数字化、自动化,机械化操作提供条件。比如,东芝公司开发的机械手,可以利用高解像度的摄相机,从培养植物的三维立体形态上判断茎,节,叶的位置,决定获得植物组织切断的位置,然后从上方用镊子挟起,用剪刀切断,再用镊子移植到新的培养基中。大型培养容器或者设施智能苗床还可以利用蛭石,成型岩棉、珍珠岩等多孔性支持材料作为培养基,装入穴盘放在大型培养器内或苗床。
  2. 调节培养容器内的CO2浓度。实验证明,在光照期间培养容器或设施智能苗床内的CO2浓度如果接近大气中的CO2浓度(350PPM),即使培养基中不加糖,绿色植物也能正常生长。与在弱光下有糖培养基上培养的植物相比,在强光下施用CO2的无糖珍珠岩培养基上培养的植物叶片大而且厚。呈浓绿色,如果给予适当的光合作用条件,其培养植物的净光合速度可提高数倍。这样就没有必要在培养基中加糖类,而且大多情况下也没有必要添加维生素和氨基酸,从而可以降低成本。另据研究,如果提高培养期间培养器或苗床内的CO2浓度不仅可以促进培养植物的生长,还可以提高培养植物从容器或苗床内移出后的成活率。
  3. 调节培养容器内的相对湿度。通过通风换气或电场除雾,降低培养器或苗床内的相对湿度可提高气孔开闭机能,从而使生理及形态异常的培养植株明显地减少。保证移栽后的正常生长。
  4. 提高光照度。大光照充足的大棚设施内加上补光系统,光照充足。据研究,光照度,光质,光照射方向以及明暗周期,都会对培养植物的光合作用及生长,形态产生影响。在提高培养容器或苗床小扣棚内CO2浓度的前提下,提高光照度,培养植物的净光合速率也将随之增大。
  5. 二氧化碳的强制供应,使苗床或大容器内的浓度达1000-3000PPM,光合效率可提高3-5倍。
  6. 高压直流电场的处理,使苗床或大容器内的水电解成离子水,促进了吸收,并且为叶绿体的光合作用提供ATP能量,大大促进了光合作用,促进了弱光环境下的光合作用速率,高压电场加大了细胞间的渗透性,对矿质营养吸收速度加快,另外高压电场对细菌真菌有抑制作用。

1.1.3 光独立营养培养法的优点

 

经光自养微繁技术(光独立营养培养法或无糖培养法)培养出来的植株具有以下优点:

(1)生长速度快,生长发育均匀。

(2)减少了因高湿,弱光等引起的生理及形态的异常。

(3)可以简化或省略驯化过程。

(4)减少了因污染引起的植物损失。

(5)光合成和发根得以促进,可减少生根植物生长调节剂的使用。

 

    由此可知,为降低组培苗的生产成本,改善组培苗的质量,组培环境调控是很重要的,目前,培养容器或苗床内环境因子对培养植物的生长及形态的影响,还有很多问题没有弄清楚,有待进一步的研究。光独立营养培养的大型培养容器及智能苗床,设施以及机械化,自动化系统也有待进一步的开发与完善。

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