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    植物無糖組培快繁的技術特點

      植物無糖組培快繁技術(Sugar-free micropropagation)又稱為光自養微繁殖技術(Photoautotrophic micropropagation)是指在植物組織培養中改變碳源的種類,以CO2代替糖作為植物體的碳源,通過輸入CO2氣體作為碳源,并控制影響試管苗生長發育的環境因子,促進植株光合作用,使試管苗由兼養型轉變為自養型,進而生產種苗的一種新的植物微繁殖技術。這一技術概念是在1980年提出的,其技術發明人是日本千葉大學的古在豐樹教授。20世紀90年代以后,這一技術成為植物微繁殖研究的新領域,受到廣泛的關注,無糖組織培養技術也在各國開始得到推廣應用。特別是近幾年來,從事這一技術領域研究的科技人員越來越多,這一技術也逐漸成熟,并開始應用于植物微繁殖工廠化生產。

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      1.植物無糖組培快繁的技術特點

     。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)作為主要碳源進行異養或兼養生長,糖被看作是植物組織培養中必不可少的物質添加到培養基中。而無糖培養微繁殖是以CO2作為小植株的唯一碳源,通過自然或強制性換氣系統供給小植株生長所需CO2,促進植物的光合作用進行自養生長。

     。2)環境控制促進植株的光合速率

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

     。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,一般使用或者說只能使用小的培養容器。而無糖培養在培養過程中不使用糖及各類有機物質,大地避免了污染的發生,可以使用各種類型的培養容器,小至試管,大至培養室。

     。4)多孔的無機材料作為培養基質

      在傳統的組織培養中,通常使用瓊脂作為培養基質,而無糖培養主要是采用多孔的無機物質,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,可以大地提高小植株的生根率和生根質量。

     。5)閉鎖型培養室

      傳統組織培養中的培養室是半開放的,有許多的窗戶以利于陽光直接進入培養室,但自然光在進入培養室的同時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。而無糖培養采用的是閉鎖型的培養室,通過人工或自動調控整個培養室環境,能周年進行穩定的生產。


      2.植物無糖組培快繁技術的優勢

      植物無糖組織培養技術改革了傳統的用糖和瓶子作為碳源營養和生存空間的技術方法,增加了植物生長和生化反應所需的物質流的交換和循環,促進植株的生長和發育,實現了苗低成本的生產。優越如下:

     。1)通過人工控制動態調整優化植物生長環境,為種苗繁殖生長提供佳的CO2濃度、光照、濕度、溫度等環境條件,提高植株的光合速率,促進了植株的生長發育,苗齊、苗壯。

     。2) 繼代與生根培養過程合二為一,培養周期縮短了40%以上。

     。3) 大幅度減少了植物微繁殖生產過程中的微生物污染率。

     。4) 消除了小植株生理和形態方面的紊亂,種苗質量顯著提高。

     。5) 提高了植株的生根率和生根質量,特別是對于木本植物來說,大地植株的生根率和生根質量,試管苗移栽成活率顯著提高。

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

     。7) 組培生產工藝的簡單化,流程縮短,技術和設備的集成度提高,降低了操作技術難度和勞動作業強度,更易于在規;a上推廣應用。

     。8) 培養不受培養容器的限制,可實現穴盤苗商業化生產,也可實現大規模容器自動工廠化生產。

      3.植物無糖組培快繁技術的限制因素

     。1)需要相對復雜的微環境(容器內環境)控制的知識和技巧

      植物無糖組織培養微繁殖的研究和試驗已經非常成功,但實際應用還是受到一定的限制,其中的一個主要原因就是需要應用微環境控制方面專業的技術。沒有充分理解容器中小植株的生理特性,容器內的環境,容器外的環境,培養容器的物理或構造特性之間的關系,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高品質的植株。光自養微繁殖控制系統的復雜性會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行光自養生長。外植體的質量越好培養效果越佳。

      4.植物無糖組培快繁技術研究進展

      植物無糖組織培養技術經過近20年的發展,基礎理論的建立和研究已經成熟,但商業化的應用還處于起步階段。在植物無糖組織快繁技術的應用中,CO2的供給和濃度的調控是其關鍵技術之一。在植物無糖組織培養過程中,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)。隨著無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,植物生長發育加快等特點。Xiao等(2005)在對callalily和Chinafir進行的無糖培養研究表明,采用120L的培養容器,通過強制性換氣系統直接輸入CO2供植物生長。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苗木質量顯著提高,繼代和生根過程合二為一,且沒有愈傷組織的發生,而有糖培養則在基部產生愈傷組織,嚴重影響苗木移栽成活率。Xiao等(2005)等對Gerberas進行的無糖培養研究表明,與有糖培養相比,采用大規模容器和強制性換氣系統進行的無糖組織培養,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)進行桉樹的無糖組織培養研究表明,一種新型的小培養容器Vitron能提高試管苗在無糖培養條件下的生長質量,適合進行無糖組織培養生產。

      在植物無糖組織培養中,培養基質對試管苗生長來說也是一個非常重要的因素。Afreen-Zobayed等(1999)對甘薯進行了瓊脂、gellan gum、蛭石、cellulose和Florialite等五種不同培養基質的無糖培養比較試驗,研究結果表明,以Florialite為培養基質生產的試管苗質量優于以瓊脂作為培養基質產生的試管苗,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為基質產生的試管苗凈光合速率高。(Xiao et al., 2006)對statice進行的無糖組織培養研究也表明,與瓊脂相比,Florialite顯著提高試管苗生長和根的發生,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)等環境因子均對試管苗生長產生影響。

      到目前為止,植物無糖組織快繁技術已經在60余種植物中獲得成功。與有糖培養相比,無糖組織培養技術顯示出其特有的優勢。特別是對于木本植物來說,無糖組織培養技術能顯著改善根的質量,提高生根率,消除了小植株生理和形態方面的紊亂,種苗質量顯著提高(Kozai T. et al.,2005)。(Afreen. et al., 2002a, b)以咖啡植物作為研究對象,利用無糖組織培養技術進行了大量體細胞胚胎發生方面的研究,研究結果表明,無糖組織培養能提高體細胞的質量,減少玻璃化和不正常體細胞胚發生機率,而且體細胞發生發育時期、大小比較均勻,便于工廠化生產。研究指出,無糖組織培養技術可能成為體細胞胚胎發生機理研究的有效工具或途徑。隨著無糖組織培養技術的不斷完善和成熟,這一技術已經開始在商業上慢慢得到應用和推廣(Kozai T. et al.,2004;Kozai T. et al.,2006)。

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      5.植物無糖組培快繁技術應用前景

      無糖組織培養微繁殖技術作為一項高新技術,在基礎科學研究和實踐生產中均具有廣闊的應用前景。

     。1)在無糖組織培養過程中,主要是通過環境調節來促進試管苗生長。因此,可以從環境調節角度來研究試管苗形態建成、生長發育機理等方面的基礎科學研究。

     。2)無糖組織快繁技術可有效解決藤木、木本植物生根難的問題,可進行這方面的應用基礎研究。

     。3)可進行試管苗繼代、生根、馴化同步研究,縮短培養周期。

     。4)可進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)可進行種質資源保存方面的研究。

     。6)隨著材料科學、物理農業的發展,以及植物無糖組織培養技術理論體系的成熟,這一技術將以低成本生產高質量種苗的優勢,應用于植物種苗工廠化生產。
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