CO 2與氧氣是組成空氣的主要成份,是一切植物生長所必須的生命元素,沒有它就沒有地球一切生命,特別是植物的生長發育過程中的主要代謝作用如光合作用、呼吸作用就是這在這兩種氣體成分的直接參予下進行的,這兩種氣體成份的缺乏就會造 ​​成生長的不正常。這方面的研究已成為農業生命科學研究主要兩大因子,它的研究與運用對於農業生產及科研上具有極為重要的意義與價值,現代農業的研究已從自然的氣相環境中脫離出來,走向人工氣相環境的模擬創造來改變與促進農業相關產業的發展。比如CO 2氣肥在蔬菜大棚上的運用,已為菜農帶來了直接的經濟效益,表現為顯著的增產效果;在果蔬貯藏上的運用,也就是氣調貯藏技術,可大大延長保鮮期;在高密度工廠化養殖中利用增氧技術,使單位面積的水產產量提高;在無糖組培中通過增施二氧化碳達到了很好的壯苗效果。這些運用其實還是在具體生產上運用之一駁,隨著工業技術發展,農業設施的開發運用,對CO 2及氧氣的人工運用上已越來越廣,越來越深入,日本已提出與形成為CO 2農法及氧氣農法[1],把它們作為農業生產中增產增收的一項重點技術來普及推廣,在這些深入研究與運用上我國起步較晚,現就CO 2與氧氣在植物非試管快繁技術上的運用,筆者結合科研生產實踐作些闡述,希望能為廣大農業生產科研者能起到拋磚引玉的作用。


CO2與氧氣的植物生理作用


CO 2是植物光合作用的主要原料,是合成碳水化合物的重要化學參予者,如果沒有或缺乏CO 2都會對光合作用帶來不良影響,使光合效率及淨光合量大大降低,從而影響植株體內可溶性固形物及蛋白質、葉綠素、類胡蘿蔔素等合成,直接影響到生長發育開花結果,使生物產量銳減,如大棚蔬菜如果在不通風的環境下常造成生長纖弱產量低下,就是與CO 2濃度低有關。另外,CO 2濃度的低下造成地下根系的生長與塊莖類植物的營養積累,造成苗木根係不發達或塊莖產量下降,因為CO 2濃度的提高可以使植物的根莖比增大,對於地下莖類植物或苗木培育來說顯得較為重要。


 


氧氣是呼吸作用的主要參予者,植物代謝所需的能量就是通過底物在酶作用與氧氣的參予下進行,如果氧氣不足或缺氧就會使有氧呼吸作用降低,造成無氧呼吸,從而使大量的呼吸底物糖、澱粉、脂肪處於無氧代謝的生理環境,使釋放ATP的能量大大減少,另外還會產生大量的中間代謝產物如乙醇、乙醛、乙酸等造成植株的生理傷害植物生長發育過程中各種遺傳基因的啟動與表達都需要消耗大量的代謝能,如果不能充足供給就會影響基因的有效表達,而使植株表現出各種生長異常現象,造成死株或嚴重減產。如自然界的洪澇災害,田間的積水,土壤的板結等都是因氧氣不足而造成的生理危害。另外,不同的植物類型與不同的組織部位對氧氣的需求量及缺氧敏感性都不一樣,通常是草本植物比木本植物,幼嫩組織比衰老組織呼吸作用旺,需氧量大,所以在苗期受淹對產量影響是最大的


 


CO 2與氧氣分別作用與影響植物的兩大最重要的生理代謝,即光合作用與呼吸作用,其中光合作用固定能量,呼吸作用放出能量,從而形成了植物體內的能量循環與動態平衡關係建立,維持著植物的正常生長發育。


快繁技術的核心在於CO 2及氧氣的最優化


植物的繁殖對於農業生產來說是首要而關鍵的環節,它能為農業生產提供大量的種苗。當前用於農業生​​產的種苗繁殖方法有種子育苗、扦插育苗與嫁接組培育苗等技術,這些技術在農業生產中發揮主導性的作用。而對於新型的植物非試管快繁技術來說是近年才發展起來的一項全新育苗技術,它的推廣運用將會為種苗產業的發展推波助瀾作用,大大加快我國種苗產業化、規模化、工廠化的進程,為我國農業發展及產業結構調整起到了極大的促進作用。但這種新型育苗技術在生產科研中還存在著一些問題有待解決,特別是對於一些極難繁殖的植物還存在生根成活率低的現象。為此探求一種行之有效的解決方案或輔助措施成為科研與生產的迫切問題,通過對於植物非試管快繁技術體系的研究,終於找到了一種通過強制供氣方法來解決一些難生根繁殖品種有效技術路徑。


 


首先,植物非試管快繁技術是基於無糖組織及光自養微繁技術基礎上,結合計算機自動控制技術與生物技術而形成的一種新型的育苗技術,它從本質上講就是通過計算機的環境模擬為快繁於苗床上的植物離體組織材料創造最佳光合作用與呼吸作用環境,讓材料的淨光合碳源得到最大化的自養供給,讓有氧呼吸在高濕度環境下能正常進行,從而轉化出最大化的代謝能來滿足生根基因表達對能量的需求,達到離體材料的快速發育與生根生產目的。在這種全光照高濕度而開放的快繁苗床中,植物的組織材料能獲取最充足的光照與保持平衡的水份蒸發,再加上自然開放的通風環境,使它的自養代謝能力比在密閉的試管或容器內有了更大的改善,所以採用該技術培育的種苗具有適應性強根係發達之特點。為了使離體材料的發育有充足的碳源供給除了光照溫度濕度環境外,最重要是要採用人工強制供給CO 2來提高材料的光自養能量,通常採用於密封的小拱棚內強制地輸入CO 2氣來實現,但這種封閉的環境又會造成夏季的高溫脅迫,雖然採用了環境控制計算機來調節環境,但在封閉而全光的拱棚內還會出現各種矛盾。如棚內高溫形成後,雖有自動微噴降溫,帶在封閉環境下,熱對流與散發阻礙,還是難以達到適溫效果,而如果採用蔗光解決,又會影響光合作用。同時過多的依賴於微噴降溫又會造成基質水份過多而出現離體材料的切口缺氧腐爛現象。在解決這些環境控制的矛盾中,只有選擇採用開放的環境來實現。這樣就導致高溫季節強制供氣技術難以實施。而非試管快繁中這些微材料生根最重要的碳源來源就是通過光自養來實現,不像傳統組培技術可以依賴培養基的糖份來供給發育所需的能量。


 


非試管快繁技術具有其他技術無可比擬的優越性就是把傳統育苗因環境因子存在的限制性都能得到有效的解決,如光照溫度濕度等。運用計算機環控技術讓接種於無機基質苗床上的微小離體材料能有一個無菌而能獨 ​​立完成光自養的環境條件,從而使微材料在沒有人工碳源補充的情況下能充分利用光合碳源以滿足自身發育的需要。於是,如何發揮離體材料光合效率最大化就成為該項技術成功運用的核心,而離體材料的光合作用速率在 ​​光照強度及環境因子一定的情況下,主要由表面的CO 2濃度所決定,當CO 2濃度提高至1000-1500ppm時,單位葉面積的光合作用效率可相應地提高3-5,但也不是越高越好,過高的CO 2濃度也會造成生理障礙,如使氣孔關閉而影響蒸騰與吸收,產生負反饋效應,而不再提高,甚至產生中毒現象。根據這個原理,把離體材料的氣相環境成倍地提高可以促進材料的快速發育與生根,使種苗的成活率提高生根時間縮短,根莖比與鮮根重大大提高。特別是利用幼嫩的植物微材料,因葉綠素含量少,光合效率低的情況下,採用強制供CO 2更顯重要性。


 


除些以外,由於快繁是在特殊的高濕度環境下進行,雖然植物的離體材料是繁於透氣相對良好的珍珠岩環境下,但也常由於夏季高溫噴水較多而影響基質透氣性,常會出現切口缺氧而腐爛現象,這種現像在呼吸作用較強的微小幼嫩材料上較易發生,也就是缺氧導致無氧呼吸而腐爛,影響育苗的成活率。通過上述分析表明,在環境控制技術相對穩定一致的情況下,氧氣與CO 2就成為生根成活的限制因素。如何解決CO 2的科學供給及切口富氧環境的創造就成為提高成活率解決難生根植物的主要技術問題。


 


開放環境下難以實現氣體的科學供給


植物非試管快繁技術從傳統組培或光自養微繁封閉或半開放環境過渡到全開放的環境下育苗,雖然在植物發育過程中克服了密閉環境培育的一些障礙因子,如組培培育的苗出現玻璃化,光合作用、呼吸作用模式不能正常建立,根系少而不發達,煉苗難而成活率低的現象。但同時也為開放環境實現計算機的環境控制帶來了困難,常出現顧此而失彼之現象。特別高溫夏季,苗床常需處於通風及高濕度彌霧環境下,由於通風而使CO 2氣的補充不能實現,或因高溫而頻繁彌霧而使基質水份過多而缺氧。這些環控上的矛盾自然就成為一些難培育植物的生根壯苗之障礙。比如採用CO 2氣即使對苗床進行施放,但通風的環境很快就被飄逸彌散,難以達到提高濃度之效果。而氧氣的施放更難,使用常規方法根本就無法實現切口基部的增氧。為了解決這種應用上的矛盾問題,一種有效而實用的方法應運而生,它就是藉鑑於日本碳酸水農法與氧氣農法基礎上的一種運用,極易實施而效果極佳。


運用氣液混合技術解決開放式補氣


農業生產上常用中耕除草疏鬆土壤來提高根係部位的氧氣,或者通過施入有機肥促進微生物活動而形成固氣液三相合理的團粒結構,也可以用CO 2發生器或通過有機肥的分解而提高CO 2氣濃度。但對於快繁來說,所要求的最適指標大大要高於自然環境下的指標,針對這問題,發達國家率先採用了純氧輸入技術,特別是在水培蔬菜上使用,可以使蔬菜的生長速度提高3-5,這種技術已在新加坡被一些農場所用,但是如何讓氧氣更多的融於水中便成為技術的核心。只要讓更多的氧氣溶於灌溉的營養液或水中,就可以實施氧氣灌溉,提高基質或土壤中氧氣的含量,日本的氧氣農法就是通過壓縮裝置把氧氣或壓縮空氣溶於水中而進行灌溉的一種方法,這樣可實現在無需物理鬆土的情況下使土壤或基質中有更多的氧氣,從而大大增進了根系的有氧呼吸與需氧微生物的活動,達到促進根系生長與提高肥料轉換率的效果,這就是日本推行的氧氣農法,在無需增加施肥量的同時就可提高產量與優化土壤環境。同樣道理CO 2氣也可用相似的方法強制性地讓其溶於水或營養液中,讓其變成碳酸水,再用噴施的方法灑於植物葉片的表面,達到增加微環境CO 2濃度的方法,可以有效解決開放環境下的CO 2飄逸散失現象,從而就形成了碳酸水農法。這技術在日本常用於水耕栽培,把CO 2輸入水中,而達到增產的效果,也用於葉片的噴施。


 


 這種供氣方式的改變與應用正好可以有效解決快繁苗床的CO 2供應及切口環境的增氧問題。而如何讓更多的氣體溶於水中正是生產設備上需解決的技術關鍵,如果把氣直接通入水中是難以達到良好效果的,因為水中的飽和溶解度是由大氣壓及水溫所決定的,在沒有改變外界氣壓及水液溫的情況下,最多的溶入量只能是飽和狀況,還不能達到最佳的供氣指標。針對這問題,生產上開發了一種用壓縮機與壓力罐結合的方法來解決,把水液環境的大氣壓提高,然後再把氣液進行混合,而製備成高於常壓下幾倍的溶氧量,這種方法需要配備壓力罐與壓縮機等裝備,生產上運用起來還是較為繁瑣,但早期的技術實現也基本上是採用這種方法。隨著工業技術發展,現在國內外已開發出一種專用的氣液混合泵能直接把CO 2或氧氣氣體通過泵的高壓裝置直接溶入,可以使溶入的氣體氣泡最微小化,大大提高了氣液接觸表面積,在常規情況下氣體輸入水中常呈大氣泡狀而逸出,而這種混合裝置能使氣泡的直徑達到小20-30微米的指標,使氣液溶入量達到18-9,採用這技術就能輕鬆地制取高氧水或碳酸水。結合氣液混合技術就可以節省了壓縮機與高壓罐的龐大繁瑣裝備,可以輕鬆混合直接用於生產。


氣液補充對離體材料生理變化的影響


  對於難生根的品種或者極為幼嫩的離體材料通過強制供氣可以產生極好的效果,現就供氣後離體材料產生的生理變化及生根效果試驗作些介紹,以指導生產。通過氣液混合裝置後至少可以達到相應溫度及大氣壓下的飽和溶解度的上限,比如說在20,一個大氣壓的情況下CO 2的飽和溶解度是1 78(gL),氧氣的飽和溶解度是 44 3(gL),這個指標在常規自然情況下是根本達不到的,但通過氣液混合裝置後可達到比一個大氣壓情況下更高的飽和溶解度,也就是至少可超過常規溶解度的上限值。經高壓強制溶入後,就分別變成了富氧水與碳酸水,再把這些水經彌霧管道間歇性地供給苗床上的離體材料表面,達到促進光合作用與生根的目的,在具體應用時可以用解壓後的液氧與乾冰為氣源,接入氣液混合泵的進氣管再把啟動電源 ​​聯接至自動控制的快繁計算機接口上,就可實現自動彌霧供氣,一般在計算機程序設定上,每天以3-4次為佳,每次以葉片濕潤為宜。對於極難生根品種可以採用葉片見乾即噴的見乾見濕模式彌霧,但氧氣不宜太頻繁,一般每天3-4次即可,否則也會提高葉片的光呼吸,影響淨光合積累,對於富氧水供給,通常晚上稍多白天稍少的原則供給。


 


  通過彌霧方式供給離體材料或葉片表面大量的碳酸水與富氧水後,發生瞭如下的吸收生理反應。溶於水中的CO 2部分變成碳酸(H2 C0 3 ),碳酸電離產生碳酸氫根離子(HC0 3 )和氫離子。CO 2溶液提供給離體材料時,單位時間內擴散及被離體材料吸收的CO 2和碳酸氫根離子的量增加。其次,溶解在材料中的碳酸氫根離子在廣泛存在於植物中的CO 2脫水酶(碳酸酐酶)的催化作用下迅速轉化為CO 2結果,葉綠體基質中的CO 2濃度和作為CO 2固定酶的核酮糖二磷酸羧酶的基質濃度變高,刺激光合作用,從而提高了材料的生根能力。  


 


  此外,氧溶液促進材料生根的作用機理如下:首先,當氧溶液提供給材料時,氧氣濃度要高於大氣壓中氧分壓下溶於水中的氧氣濃度。然後,在由細胞構成的植物體內部和植物體外周形成濃度梯度,結果氧氣擴散並進入離體材料。材料由此獲得氧氣作為維持生命所需要的能量。也就是說,NADHFADH2產生電子,例如,糖酵解、脂肪酸氧化,或檸檬酸循環,通過系列電子載體傳遞給氧氣,生成ATP需要生物聚合體生物合成或其它能量的反應通過與該ATP水解結合而得以實現。氧氣的供給提高了各種生物聚合體的合成或加速了其它新陳代謝,從而提高了材料的生根能力同時進入基質的富氧水為切口環境也創造了充足的有氧呼吸空間,大大降低了因切口厭氧而造成的腐爛現象。


  


  至於植物葉片中的光呼吸作用,氧氣和CO 2競爭作為CO 2固定酶的核酮糖二磷酸羧酶的基質,並相互抑制其它基質的反應。即,植物在高濃度氧氣的氣體環境下得到光,植物的光呼吸會提高,其成為依據植物種類的由於光呼吸而降低植物生物量的一個因子。因而,向材料噴霧氧溶液,最好選在光照陰暗或黑暗期,或採用基質灌溉法供給,讓離體材料切口直接吸收氧溶液,但為了考慮生產的實用性,我們也可用彌霧法,只是做到白天稍少黑期稍多即可。


採用強制供液供氣技術產生的促根效果


為了說明這兩種供液供氣法對生根的促進作用,特選一些較難生根的木本植物為例進行試驗證明,但它的運用是具有普遍性的,不管哪種類型的植物都有促進生根與壯苗效果,現把該技術作為植物快繁技術中一項重要的補充技術來運用。以下選擇難生根的藍桉與耳形金合歡為例佈置以下試驗。


試驗1:從耳形金合歡兩年生的樹體上,取下帶葉枝梢製成一葉一芽或一葉兩芽的離體材料,經消毒與生根處理後,快繁於以珍珠岩為基質的智能化苗床中,並於計算機上設定噴霧程序,有光照的白天,每隔1小時噴碳酸水60秒鐘,碳酸水的CO 2濃度為2400ppm,在整個育苗期內如此循環,另兩組處理,材料相同,噴霧的方式也相同,一組為噴含氧量為60ppm的富氧水,一組為噴自來水處理。48天后檢查成活率結果如下:


 





















試驗



噴霧溶液



生根率(%



A



CO 2



100



B



O2



80



C



自來水



70



(注:各處理隨機取離體材料100個)


試驗2:從二年生的藍桉上取下幼嫩枝製作成離體材料,經消毒與生根處理後,快繁於以珍珠岩為基質的苗床中,開啟計算機系統,並設定噴霧供液程序,CO 2溶液(2100ppm)以見乾即噴的方式,就是利用智能葉片傳感器來實現,白天大約15-20分鐘一次,每次約60秒。富氧水(40ppm)的供給以每隔8小時灌溉基質一次的方式供給。另外,單純噴與灌自來水的對照也採取相同的供給方式,經43天后統計成活率,結果如下:


 




















試驗



離體材料數



生根數



生根率(%



碳酸水與富氧水結合



100



73



73



自來水



100



0



0



通過上述證明,不管是單純供CO 2水與富氧水還是兩者結合,都能大大提高離體材料的生根率,這對於難生根的植物來說是種極為有效的方法,對於易生根的植物也可以使苗的根系更發達,植株更壯。


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