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        植物無(wú)糖組培快繁的技術(shù)特點(diǎn)

          植物無(wú)糖組培快繁技術(shù)(Sugar-free micropropagation)又稱(chēng)為光自養微繁殖技術(shù)(Photoautotrophic micropropagation)是指在植物組織培養中改變碳源的種類(lèi),以CO2代替糖作為植物體的碳源,通過(guò)輸入CO2氣體作為碳源,并控制影響試管苗生長(cháng)發(fā)育的環(huán)境因子,促進(jìn)植株光合作用,使試管苗由兼養型轉變?yōu)樽责B型,進(jìn)而生產(chǎn)種苗的一種新的植物微繁殖技術(shù)。這一技術(shù)概念是在1980年提出的,其技術(shù)發(fā)明人是日本千葉大學(xué)的古在豐樹(shù)教授。20世紀90年代以后,這一技術(shù)成為植物微繁殖研究的新領(lǐng)域,受到廣泛的關(guān)注,無(wú)糖組織培養技術(shù)也在各國開(kāi)始得到推廣應用。特別是近幾年來(lái),從事這一技術(shù)領(lǐng)域研究的科技人員越來(lái)越多,這一技術(shù)也逐漸成熟,并開(kāi)始應用于植物微繁殖工廠(chǎng)化生產(chǎn)。

        組培室設計方案
          1.植物無(wú)糖組培快繁的技術(shù)特點(diǎn)

         。1)CO2代替了糖作為植物體的碳源

          在一般的有糖培養微繁殖中,小植物是以糖(如蔗糖、白砂糖、果糖等)作為主要碳源進(jìn)行異養或兼養生長(cháng),糖被看作是植物組織培養中必不可少的物質(zhì)添加到培養基中。而無(wú)糖培養微繁殖是以CO2作為小植株的唯一碳源,通過(guò)自然或強制性換氣系統供給小植株生長(cháng)所需CO2,促進(jìn)植物的光合作用進(jìn)行自養生長(cháng)。

         。2)環(huán)境控制促進(jìn)植株的光合速率

          在傳統的組織培養中,很少對植株生長(cháng)的微環(huán)境進(jìn)行研究,研究的重點(diǎn)是放在培養基的配方以及激素的用量和有機物質(zhì)的添加上;而無(wú)糖組織培養技術(shù)是建立在對培養容器內環(huán)境控制的基礎上,根據容器中植株生長(cháng)所需的佳環(huán)境條件(如光照強度、CO2濃度、環(huán)境濕度、溫度、培養基質(zhì)等)來(lái)對植株生長(cháng)的微環(huán)境進(jìn)行控制,大限度地提高小植株的光合速率,促進(jìn)植株的生長(cháng)。

         。3)使用多功能大型培養容器

          在傳統的組織培養中,由于培養基中糖的存在,為了防止污染,一般使用或者說(shuō)只能使用小的培養容器。而無(wú)糖培養在培養過(guò)程中不使用糖及各類(lèi)有機物質(zhì),大地避免了污染的發(fā)生,可以使用各種類(lèi)型的培養容器,小至試管,大至培養室。

         。4)多孔的無(wú)機材料作為培養基質(zhì)

          在傳統的組織培養中,通常使用瓊脂作為培養基質(zhì),而無(wú)糖培養主要是采用多孔的無(wú)機物質(zhì),如蛭石、珍珠巖、纖維、Florialite(一種蛭石和纖維的混合物)作為培養基質(zhì),可以大地提高小植株的生根率和生根質(zhì)量。

         。5)閉鎖型培養室

          傳統組織培養中的培養室是半開(kāi)放的,有許多的窗戶(hù)以利于陽(yáng)光直接進(jìn)入培養室,但自然光在進(jìn)入培養室的同時(shí)也增加了降溫的成本,而且,一年四季、春夏秋冬,晴天、陰天、雨天,早晨、中午、下午、光的強度和分布是不均勻的。而無(wú)糖培養采用的是閉鎖型的培養室,通過(guò)人工或自動(dòng)調控整個(gè)培養室環(huán)境,能周年進(jìn)行穩定的生產(chǎn)。


          2.植物無(wú)糖組培快繁技術(shù)的優(yōu)勢

          植物無(wú)糖組織培養技術(shù)改革了傳統的用糖和瓶子作為碳源營(yíng)養和生存空間的技術(shù)方法,增加了植物生長(cháng)和生化反應所需的物質(zhì)流的交換和循環(huán),促進(jìn)植株的生長(cháng)和發(fā)育,實(shí)現了苗低成本的生產(chǎn)。優(yōu)越如下:

         。1)通過(guò)人工控制動(dòng)態(tài)調整優(yōu)化植物生長(cháng)環(huán)境,為種苗繁殖生長(cháng)提供佳的CO2濃度、光照、濕度、溫度等環(huán)境條件,提高植株的光合速率,促進(jìn)了植株的生長(cháng)發(fā)育,苗齊、苗壯。

         。2) 繼代與生根培養過(guò)程合二為一,培養周期縮短了40%以上。

         。3) 大幅度減少了植物微繁殖生產(chǎn)過(guò)程中的微生物污染率。

         。4) 消除了小植株生理和形態(tài)方面的紊亂,種苗質(zhì)量顯著(zhù)提高。

         。5) 提高了植株的生根率和生根質(zhì)量,特別是對于木本植物來(lái)說(shuō),大地植株的生根率和生根質(zhì)量,試管苗移栽成活率顯著(zhù)提高。

         。6) 節省投資,降低生產(chǎn)成本。與傳統的微繁殖技術(shù)相比,種苗生產(chǎn)綜合成本平均降低30%。

         。7) 組培生產(chǎn)工藝的簡(jiǎn)單化,流程縮短,技術(shù)和設備的集成度提高,降低了操作技術(shù)難度和勞動(dòng)作業(yè)強度,更易于在規;a(chǎn)上推廣應用。

         。8) 培養不受培養容器的限制,可實(shí)現穴盤(pán)苗商業(yè)化生產(chǎn),也可實(shí)現大規模容器自動(dòng)工廠(chǎng)化生產(chǎn)。

          3.植物無(wú)糖組培快繁技術(shù)的限制因素

         。1)需要相對復雜的微環(huán)境(容器內環(huán)境)控制的知識和技巧

          植物無(wú)糖組織培養微繁殖的研究和試驗已經(jīng)非常成功,但實(shí)際應用還是受到一定的限制,其中的一個(gè)主要原因就是需要應用微環(huán)境控制方面專(zhuān)業(yè)的技術(shù)。沒(méi)有充分理解容器中小植株的生理特性,容器內的環(huán)境,容器外的環(huán)境,培養容器的物理或構造特性之間的關(guān)系,將不可能成功地應用光自養微繁殖系統,使用少的能源和原料生產(chǎn)高品質(zhì)的植株。光自養微繁殖控制系統的復雜性會(huì )導致設施設計的失敗,必須在充分認識和理解了光自養微繁殖的原理后,才能取得成功。

        組培實(shí)驗室設計方案

         。2)培養的植物材料受到限制

          與一般的微繁殖相比,光自養微繁殖需要較高質(zhì)量的芽和莖,外植體需具有一定的葉面積,帶綠色子葉的體細胞胚也可進(jìn)行光自養生長(cháng)。外植體的質(zhì)量越好培養效果越佳。

          4.植物無(wú)糖組培快繁技術(shù)研究進(jìn)展

          植物無(wú)糖組織培養技術(shù)經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展,基礎理論的建立和研究已經(jīng)成熟,但商業(yè)化的應用還處于起步階段。在植物無(wú)糖組織快繁技術(shù)的應用中,CO2的供給和濃度的調控是其關(guān)鍵技術(shù)之一。在植物無(wú)糖組織培養過(guò)程中,為了增加培養容器中的CO2濃度,可采用兩種不同的CO2補充方式,一種是在密封的容器上使用透氣膜,通過(guò)自然換氣方式提供小植株光合作用所需的CO2(Aitken-Christie et al.,1995)。隨著(zhù)無(wú)糖組織培養培養容器的不斷增大,強制性換氣系統得到了應用(Kozai T. et al.,2000;Xiao et al.,2005)。與自然換氣相比,強制性換氣具有CO2濃度容易控制,操用方便,植物生長(cháng)發(fā)育加快等特點(diǎn)。Xiao等(2005)在對callalily和Chinafir進(jìn)行的無(wú)糖培養研究表明,采用120L的培養容器,通過(guò)強制性換氣系統直接輸入CO2供植物生長(cháng)。與傳統組織培養方式(培養基中添加蔗糖)相比,callalily的培養周期縮短50%、苗木移栽成活率由50%提高到95%;China fir苗木質(zhì)量顯著(zhù)提高,繼代和生根過(guò)程合二為一,且沒(méi)有愈傷組織的發(fā)生,而有糖培養則在基部產(chǎn)生愈傷組織,嚴重影響苗木移栽成活率。Xiao等(2005)等對Gerberas進(jìn)行的無(wú)糖培養研究表明,與有糖培養相比,采用大規模容器和強制性換氣系統進(jìn)行的無(wú)糖組織培養,植株的葉面積、莖干重分別提高5.2和4.6倍,植株的凈光合速率和葉綠素含量分別提高9.2和2.2倍,苗木生根率和移栽成活率分別由62%、57%提高到98%、95%。(Tanaka M. et al.,2005)、(Teixeira J.A. et al., 2006)進(jìn)行桉樹(shù)的無(wú)糖組織培養研究表明,一種新型的小培養容器Vitron能提高試管苗在無(wú)糖培養條件下的生長(cháng)質(zhì)量,適合進(jìn)行無(wú)糖組織培養生產(chǎn)。

          在植物無(wú)糖組織培養中,培養基質(zhì)對試管苗生長(cháng)來(lái)說(shuō)也是一個(gè)非常重要的因素。Afreen-Zobayed等(1999)對甘薯進(jìn)行了瓊脂、gellan gum、蛭石、cellulose和Florialite等五種不同培養基質(zhì)的無(wú)糖培養比較試驗,研究結果表明,以Florialite為培養基質(zhì)生產(chǎn)的試管苗質(zhì)量?jì)?yōu)于以瓊脂作為培養基質(zhì)產(chǎn)生的試管苗,其中葉、根鮮重分別是后者的2.4和2.9倍,干重分別是后者的2.2和2.8倍,且以Florialite為基質(zhì)產(chǎn)生的試管苗凈光合速率高。(Xiao et al., 2006)對statice進(jìn)行的無(wú)糖組織培養研究也表明,與瓊脂相比,Florialite顯著(zhù)提高試管苗生長(cháng)和根的發(fā)生,以及凈光合速率。另外,光量子通量(Xiao et al., 2003)、培養容器換氣次數(Xiao et al., 2006)等環(huán)境因子均對試管苗生長(cháng)產(chǎn)生影響。

          到目前為止,植物無(wú)糖組織快繁技術(shù)已經(jīng)在60余種植物中獲得成功。與有糖培養相比,無(wú)糖組織培養技術(shù)顯示出其特有的優(yōu)勢。特別是對于木本植物來(lái)說(shuō),無(wú)糖組織培養技術(shù)能顯著(zhù)改善根的質(zhì)量,提高生根率,消除了小植株生理和形態(tài)方面的紊亂,種苗質(zhì)量顯著(zhù)提高(Kozai T. et al.,2005)。(Afreen. et al., 2002a, b)以咖啡植物作為研究對象,利用無(wú)糖組織培養技術(shù)進(jìn)行了大量體細胞胚胎發(fā)生方面的研究,研究結果表明,無(wú)糖組織培養能提高體細胞的質(zhì)量,減少玻璃化和不正常體細胞胚發(fā)生機率,而且體細胞發(fā)生發(fā)育時(shí)期、大小比較均勻,便于工廠(chǎng)化生產(chǎn)。研究指出,無(wú)糖組織培養技術(shù)可能成為體細胞胚胎發(fā)生機理研究的有效工具或途徑。隨著(zhù)無(wú)糖組織培養技術(shù)的不斷完善和成熟,這一技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始在商業(yè)上慢慢得到應用和推廣(Kozai T. et al.,2004;Kozai T. et al.,2006)。

        培養架

          5.植物無(wú)糖組培快繁技術(shù)應用前景

          無(wú)糖組織培養微繁殖技術(shù)作為一項高新技術(shù),在基礎科學(xué)研究和實(shí)踐生產(chǎn)中均具有廣闊的應用前景。

         。1)在無(wú)糖組織培養過(guò)程中,主要是通過(guò)環(huán)境調節來(lái)促進(jìn)試管苗生長(cháng)。因此,可以從環(huán)境調節角度來(lái)研究試管苗形態(tài)建成、生長(cháng)發(fā)育機理等方面的基礎科學(xué)研究。

         。2)無(wú)糖組織快繁技術(shù)可有效解決藤木、木本植物生根難的問(wèn)題,可進(jìn)行這方面的應用基礎研究。

         。3)可進(jìn)行試管苗繼代、生根、馴化同步研究,縮短培養周期。

         。4)可進(jìn)行瀕危珍稀植物及高附加值植物的人工培育等方面研究。

         。5)可進(jìn)行種質(zhì)資源保存方面的研究。

         。6)隨著(zhù)材料科學(xué)、物理農業(yè)的發(fā)展,以及植物無(wú)糖組織培養技術(shù)理論體系的成熟,這一技術(shù)將以低成本生產(chǎn)高質(zhì)量種苗的優(yōu)勢,應用于植物種苗工廠(chǎng)化生產(chǎn)。
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