一种新型光自养微繁体系的建立_植物非试管快繁技术

江西农业学报 2006,18(3):55~59

A cta A gr i culturae Jiangx i

一种新型光自养微繁体系的建立植物非试管快繁技术

徐伟忠,丁潮洪,朱丽霞

(浙江省丽水市农科所农业智能化快繁中心,浙江丽水323000)

摘 要:针对当前用于生产的各种育苗技术尤其是较为先进的组织培养技术存在的种种不足,详细论述了以植物全息性为理论基础,以现代的计算机环境控制技术、物理技术和生物技术为手段,在开放式环境下为植物离体材料的发育提供最佳内、外环境的新型光自养微繁体系植物非试管快繁技术的构建。

关键词:光自养微繁;计算机;物理技术;组培;植物非试管快繁

中图分类号:S339.4 文献标识码:A 文章编号:1001-8581(2006)03-0055-05

Establish ment of A Ne w L i ght-autotrophic M i cro-propagation Syste m P l ant Non-tube Rapi d Propagati on T echnol ogy

XU W e i-zhong,D I N G Chao-hong,Z HU Li-x ia

(A gr icultural In telli genti zed R ap i d P ropagati on Cente r,L ishui A gr i cu ltura l Sc i ences R esearch Insti tute,L ishui323000,Ch i na)

Abstract:The defic i e ncies of vari o us raisi n g seedling techn i q ues espec i a ll y the high-tech ti s sue culture techn i q ue i n current production are d iscussed,the plant ce ll toti p otency theor y is described.The plant non-t u be rapi d propagati o n techno logy is founded on the base ofm oder n co mputer controlling envir on m ent techno l o-gy,physica l and b i o l o g ical technology,which can affor d an opti m um and open surround i n g for developm ent o f t h e cu ltured m aterials.

K ey words:Light-autotrophic m icro-pr opagation syste m;Co m puter;Physical tec hnology;T i s sue cu-l ture;P lant non-tube rap i d pr opagation

植物种苗的繁殖是农业生产中一个极为重要的技术环节,当前国内外应用较多的种苗繁育技术分以下4种:播种、扦插、嫁接、组培,还有些辅助的方法如压条分株等,其中播种育苗为有性繁殖,其它皆为无性繁殖,无性繁殖也叫克隆,它是最为重要的育苗技术。人们对无性繁殖方法的研究已从传统的扦插、嫁接、压条分株发展到现在的组培技术,组织培养技术在脱毒苗的培养与实施工厂化生产上具有独到的优势。但迄今真正在生产上普及应用组培技术的植物种类还是较少。究其原因,有以下几个方面限制了它的发展,其一,组培的配方要求严格,不同的植物往往要求不同配方,难以让普通生产者掌握;其二,应用组培方法培育的种苗成活率低,特别是生根培养与炼苗难也是技术上的限制;其三,成本还是相对较高,一个组培工厂或普通组培室一般生产者还是难以企及的。其四,操作较为繁琐,特别是对于无菌要求,需配备各种设备与遵守无菌操作规程,一旦感染病菌就会导致失败。针对这些问题,科研人员与生产者又在不断地探索寻找新的方法或对原来的方法进行改进,并且取得了较大的成就,如一些品种无糖组培的成功,就可使病菌感染率及成本大大降低,另外在设施上的改进如大容器组培,也使操作更为简便。更引人关注的是最近各国研究的光自养微繁技术,它已成为大家认可的解决上述问题的重要技术途径,它是环控技术与微材料培养技术有机结合的高新技术[1]。当前,中国农业科学院、昆明环境科学研究所以及全国有关大专院校都相继开展了组培环控技术的研究,取得了较大的进展,但离普及应用还有一段距离。针对这些问题,我们进行了多年生产试验与研究,特别是在利用计算机控制与物理杀菌技术的结合上,为光自养微繁技术的发展迈出了重要的一步,在借鉴国内外研究成果的同时形成了一种新的光自养技术体系植物非试管快繁技术,它具有操作简单、容易被生产者接受、适用品种多、繁殖速度快、培育成本低等优点,成为种苗生产走向工厂化、规模化的一项重要技术。以

收稿日期:2006-03-29

基金项目:国家级星火计划项目(2004EA700100)。

作者简介:徐伟忠(1971-),男,研究员,主要从事农业智能化及物理农业领域的研究。

56江 西 农 业 学 报 18卷

下就植物非试管快繁技术的理论体系与操作流程和生产应用作些综合性阐述,旨在让更多的科研和生产者能掌握与应用这项先进的育苗技术。

1 植物非试管快繁技术的理论基础

植物非试管快繁技术是一项利用计算机自动控制技术为植物离体材料创造最佳的温、光、气、热、营养、激素环境,让植物组织的全息性、全能性得以表达,发育成为一株完整植株的技术[2]。它是以植物全息性理论为基础,环境控制生物技术为手段的一项综合技术。

所谓全息性就是植物体的部分包括整体的所有信息,这里所说的信息就是遗传信息,如细胞、器官及组织,它们从信息上来说是与整体相等的。正因为这种全息性的存在,也可以说是全能性的存在,才可以使一个细胞或一张叶片,或一个芽、一个茎等植物的离体材料只要处于适宜的环境下皆可发育成与母本性状相同的植株[3]。

环境是实现植物全息性或全能性表达的最重要因子,也是最重要的基因表达动力源,不管是扦插、嫁接、播种还是组培都得在适宜的环境下进行,其实传统的组织培养也是通过人工创造培养基环境与温、光、气、热环境来实现组织材料发育的一种方法,只不过是在全封闭的人工环境下进行而已,而其他的如嫁接、扦插、压条及播种是在开放环境下实施的,两种环境皆有利弊,人工环境培养可完全不受季节影响,但对外界适应性差;开放环境培养,虽受气候影响大,但种苗适应性强,移栽成活率高。而非试管快繁技术则兼具两者的优点并克服了两者的缺点,通过计算机环境控制手段为离体材料创造最佳的气候环境,也就是温、光、气、热、水最优化,再通过矿质离子与外源激素的补充来满足离体材料发育所需的营养激素,而碳源的创造则完全以启动植物自身的光合本能来达到自养自供自需的目的,所以植物非试管快繁技术其实也是一种光自养微繁技术。

2 传统组织培养存在的不足

在传统组织培养中,大多在培养基中加入蔗糖以满足离体材料发育对碳源的需求,而加入糖后的培养基很易感染细菌、真菌,所以只得以密封的试管或三角瓶作为培养场所,这是组培存在弊端的根源所在,也是形成严格消毒杀菌等繁琐技术体系的必要所在。如果去了糖,很多组培所必需的技术与设备都可以省去,环境也可以从密闭走向开放。在密封的试管内,由于透气差,所以常让离体材料处于100%的高湿环境,造成小苗气孔发育及蒸腾作用的不正常,同时又因密闭不通风,气体环境恶化,如氧气和二氧化碳的缺乏,造成呼吸作用与光合作用的不正常,还有离体材料的代谢物与释放的乙烯造成循环危害;再加上不透气的琼脂培养基,使根系缺氧造成根量少而弱;这些局限因子的存在导致玻璃化苗的产生,炼苗成活率低,移栽困难与感染病菌造成死苗的现象[4]。

以上这些组培技术的不足皆因加糖密封而引起,所以从试管中走出来是改进的主要突破口,也是开放式组培及无糖组培产生的技术背景。但当前人们研究的开放式组培或无糖组培还不能走向全开放,走向环境最优化,如无糖组培虽去了糖,但碳源又成为它的限制因子,所以也只能适于少数品种;开放式组培还是离不开大容器,还是在实验室内操作,与外界自然气候环境还有差异。为了让组织培养技术彻底从实验室解放出来,从封闭或半封闭走向全开放,从异养走向自养,从人工走向自然,则需克服技术上许多限制因子,跳出许多传统束缚,才能建立起新的技术体系。

3 植物非试管快繁技术体系的建立

从某种角度来说,植物组培技术或者无性繁殖技术的核心就是环境控制技术,一切都是为了给植物离体材料创造最佳的温、光、气、热、营养、激素环境,这些环境因素只要能适合地创造,就可解决种苗培育的技术问题。随着计算机环境控制技术及物理杀菌技术和生物技术的发展,在创造环境的手段上有了大的发展与突破,植物非试管快繁技术体系也是在这些交叉学科发展的基础上面形成的,如果离开了这些也难以实现植物培养过程中最佳环境的模拟创造,也难以实现种苗的开放式光自养培育。现就各项技术的实现方法与技术路线进行分析。

3.1 宽敞通风苗床取代试管

组培中试管内环境是离体材料发育的主要空间,在这个密封的空间内,具有饱和的湿度与不流通的气体环境,从而导致管内二氧化碳及氧气的缺乏,而这两种气体成份又是光合作用和呼吸作用最为重要的参与者。而在非试管快繁技术体系中,苗床环境代替了试管环境,让离体材料处于通风透气良好,水分蒸发叶片蒸腾正常的开放环境中,离体材料发育能获取更多的代谢氧与光合碳,同时因离体材料在有湿度变化的环境下发育,可以建立正常的气