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      植物無糖組織培養技術的研究進展及應用

      1 植物無糖組織培養技術的概念


      植物無糖組織培養技術又稱為光自養微繁殖技術,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,并采用微環境控制技術控制影響組培苗生長發育的環境因子,提供適宜植株生長的溫度、濕度、光照、氣體、營養等條件,促進植株光合作用,使組培苗由兼養型轉變為自養型,進而生產優質種苗的一種新的植物微繁殖技術。植物無糖組織培養技術是環境控制技術和組織培養技術的有機結合,又稱為光自養微繁殖技術,該技術是由日本千葉大學的古在豐樹教授于1980年提出和發明的,目前已經受到廣泛關注,在許多國家和地區得到了推廣應用。



      2 植物無糖組織培養技術的特點及優勢


      2.1 植物無糖組織培養技術的特點

      2.1.1 CO2代替糖作為植物體的碳源

      在傳統的植物組培快繁技術中,植株以糖(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。而無糖組培快繁技術中則用CO2替代糖作為小植株生長的 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,使其在人工光照下,吸收CO2進行完全的自養生長,在一定程度上避免了微生物的污染。

      2.1.2 培養容器的改變

      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,使各類大型培養容器的使用成為可能,可以根據培養材料和生產規模的需要選用不同規格的培養容器,小至試管,大至培養室。

      2.1.3 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,它的透氣性差,不利于水分、氣體和營養物質的移動和吸收。無糖組織培養在基質的選擇上相對廣泛,主要是一些多孔的無機基質,如蛭石、纖維、珍珠巖、成型巖棉、石沙子等,這些基質具有良好的透氣性,可以 大地提高小植株的生根率和生根質量,而且與瓊脂相比,這些無機基質價格相對低廉,節約了培養成本。

      2.1.4 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 很佳環境條件(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, 很大限度地提高小植株的光合速率,促進植株的生長。


      2.2 植物無糖組織培養技術的優勢

      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 很佳的CO濃度、光照、濕度、溫度等環境條件,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)植株的生根率和成苗率顯著提高,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,使得種苗馴化期間的成活率大幅度上升,并且使復雜的馴化過程得以簡化;

      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 植物無糖組織培養技術的應用及存在的問題


      3.1 植物無糖組織培養技術的應用

      無糖組織培養技術由于具有降低污染率、適于大規模培養、成本低等優點,目前已經在許多植物中得到了廣泛的應用。

      3.1.1 無糖組織培養技術在花卉研究中的應用

      20世紀中期以來,組織培養技術在花卉組培快繁領域開始得到廣泛應用,在開發具有自主知識產權的花卉新品種、培育脫毒花卉種苗等方面都起到了至關重要的作用。但與其它植物的組織培養一樣,培養過程中出現的褐化、污染、生根率低和移栽成活率低也是制約某些花卉組培發展的瓶頸。隨著無糖組培快繁技術的逐漸成熟和推廣,該技術在花卉組培快繁方面表現出了明顯的優勢,如云南省農業科學院花卉研究所科研人員對康乃馨、非洲菊、滿天星、等植物進行了無糖組培技術研究。結果表明,組培苗污染率降低了50%,生根率提高了13.2%,葉片數增加69.6%,移栽成活率提高12.5%,組培苗培養成本降低20%左右。屈云慧等比較了傳統有糖培養和無糖培養條件下情人草組培苗的生根狀況,與傳統的培養方法相比,無糖培養效果好,植株生根快、健壯且根系發達。

      3.1.2 無糖組織培養技術在中草藥研究中的應用

      我國藥用植物資源豐富,人們對藥用植物的利用主要是以采挖和消耗大量的野生植物資源為代價,這必將導致某種中草藥資源匱乏甚至滅絕,而且生態環境的日益惡化,也加快了藥用植物資源日益減少。由于植物組織培養具有不受地區、季節與氣候限制,便于工廠化生產等優勢,因此運用組織培養技術快速繁殖藥用植物種苗,對于緩解藥用植物資源匱乏和不足具有重要的作用,如在石斛、薯蕷、丹參等中藥材的繁殖中都得到了廣泛的應用。與其它植物一樣,培養過程中的污染、褐化、生根率和移栽成活率低也是該技術在中草藥研究中亟待解決的問題。而無糖組織培養技術的應用則有效地解決了上述問題。和世平以通過組織培養產生的半夏不定芽為材料,研究了微環境調控條件下,半夏無糖組培苗營養生長和光合生理對增施CO2的響應,確定了半夏無糖組培苗進行光合作用的 很適CO2濃度。占艷等對半夏無糖組培苗與有糖組培苗的根、葉顯微結構進行了比較,結果表明,半夏無糖組培苗葉片具有發育較好、較厚的柵欄組織和海棉組織,細胞排列緊密有序,中脈發達,且葉表皮具有蠟質層。

      3.1.3 無糖組培快繁技術在其他發面的應用

      無糖組培快繁技術除在花卉和中草藥的研究中得到了應用之外,在馬鈴薯、草莓、花椰菜等植物的組培快繁中也得到了相應的應用。


      3.2 植物無糖組培技術在應用中存在的問題

      植物無糖組織培養技術雖然具有很多優點,但并不是完美的,在實際應用中存在的問題主要表現在:

      1)需要精細而復雜容器內環境控制技術:這需要對植物的生理特性及與外界環境的互動關系、容器內外的環境及物理調控有比較深入的了解;

      2)增加了環境調控費用:主要是增加了光照強度和CO2供應量;

      3)培養的植物材料受到限制:植物無糖組織培養需要高質量的芽和莖、需要一定的葉面積;適用于繼代和生根培養而不適于莖尖培養;適于以莖斷方式增殖而不適于芽增殖的植物。



      4 植物無糖組織培養技術的發展前景


      現今無糖組織培養技術存在的主要問題是:前期投入較大,對設備的要求相對較高。另外,對于培養中的各個環境因子的作用機理的研究還不夠透徹,以及相互關聯的環境因子的 很佳比率還沒有一個明確的結論。隨著理論研究的不斷深入及相關配套設備的完善,無糖組織培養技術也必將成為今后組培生產的一種重要手段。無糖組織培養技術作為一種新型的培養方法,打破了傳統組織培養中植株依靠糖進行異養生長的培養方式,克服了傳統組培中的一些缺點,解決了制約傳統組培快繁中的瓶頸問題。通過調整組培的微生態環境,如光照強度、CO2濃度、培養基質等,在一定程度上降低了組培苗的污染率,縮短了培養周期,提高了生根率和移栽率。隨著無糖組培理論研究的不斷深入和相關設備的日益完善,該技術必將在更多的植物組培快繁中得到推廣和應用,在植物工廠化、規?;a中發揮更大的作用。


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