鳄鱼的眼泪贝瓦:电场技术在植物非试管快繁技术中的运用

电场技术在植物非试管快繁技术中的运用

徐伟忠，陈银华，曹鹏飞

（浙江省丽水市农科所农业智能化快繁中心，323000）


文摘:
本文针对传统组培育苗技术存在的弊端与不足，提出了一种新型开放式的植物光自养微繁技术---植物非试管快繁，并就开放条件下无菌环境的创造及光自养潜能的激发提出了新的技术路径---空间电场技术，通过综合分析了空间电场对离体材料发育所起的生物效应，形成了在生产中具体运用的相关措施，最后指出了尚需深入研究的技术课题及广阔发展前景。
关键词:
植物非试管快繁；组培育苗；离体材料；空间电场；光自养；酶；内源激素；根原基
引言:
植物非试管快繁技术是近年我国发展起来的一项全新育苗技术，是对于原来试管内组培技术的一种提升与发展，也是无糖组培的放大与提高。传统组培技术由于在营养液的基质配方中加入了糖等有机营养物质，这就会给培养过程带来操作上的繁琐，也就是在接种离体材料时需创造绝对无菌的环境，还要求组培容器与外界空气环境的严密隔绝，否则一旦器具或空气中的细菌真菌进入组培试管内，就会依赖培养基中的糖与蛋白质等有机物为代谢能量而大量滋生繁殖，从而造成离体材料感染而导致组培的失败。所以对于无菌操作这环节已成为组织培养技术操作上的关键，从而也大大增大了培养的投资。随着人们研究及生产运用的不断深入，发现在培养基中不加糖，除却细菌及真菌滋生的条件，可以让组培的环境要求及操作环节更加简化，也更利于生产运用与推广。这就是无糖组培尝试与运用的开始，它在基质中去糖后，再利用二氧化碳供给以弥补碳源的不足，同样可以取得很好的培育效果，但在操作过程中还是离不开组培的各种器具及严格的人工环境，针对这些技术问题，一种新型的育苗技术在日本千叶大学产生了，命名为光自养微繁技术，它把容器再进一步放大，一个个敞开如浴缸一样的大容器代替了组培的小试管，这种改变大大优化了离体材料的光合自养条件，如透气通风性、见光度都有了很大改善，使离体材料发育过程中的光合作用、呼吸代谢营养吸收、蒸腾作用等更为正常完善，不会像组培苗那样，出现很多皮孔气孔缺失、维管断裂、玻璃化等纤弱少根的劣质苗现象。在开放且光照充足的高浓度二氧化碳环境下培育的苗更接近自然，它的自养同化能力很容易在培养过程中良好建立，这样就减免了传统组培需严格炼苗的环节，一株发育好的种苗只需稍作炼苗培育就有较高的移栽成活率。
上述这两种育苗技术如日本千叶大学开发的光自养及无糖组培在技术上有了很大的改进，但在操作上及投资上还是较高，生产的实用性还是比较欠缺，而且在无菌的控制上还是有较高的要求。针对这问题，我们在前人基础上，开发了适于我国当前农业生产力水平的实用型植物非试管快繁技术，它在技术上实现较大的创新与改进，使它在生产上能真正发挥作用。在杀菌方式上有了很大的发展与提高，从传统化学杀菌改为电场物理杀菌，从密闭环境杀菌改为开放的空间杀菌，从小范围杀菌改为大环境大空间杀菌，从组培的兼养改为光合效率最大化的全自养，从依赖于糖培养改为利用空气中CO2碳源的同化培养[1]，从单纯的依赖组培配方发育改为综合利用物理电场与计算机控制以激发离体材料自身最大生理潜能的自养发育。这些杀菌及碳同化及酶激活等技术发展与改进，为种苗的快繁解决了污染及碳源供给的最重要问题，使该项技术在上的生产运用有了着实的保障。现就电场技术在植物快繁过程中的杀菌机理及生理效应在生产上运用作些简要的综述。
一、电场杀菌与代谢促进机理
地球上所有植物都是在地球空间电场作用的环境下进化与演变，一切生物都离不开地球电场的作用。植物也然，如采用电场屏蔽技术，在生长植物的上方施加一个屏蔽网，会大大影响植物的光合作用，这已被实验所证实。究其原因在于，其实植物光合作用的过程就是一个光电反应的过程，在这个过程中施加电场可以直接影响与作用于光合生理，它通过影响电子的位移与跃迁来实现。根据这个机理，人们已开发成功用于调控光合作用的光合控制装置，也就是植物电场发生器，通过给植物生长空间施加人为电场，可以使设施栽培环境下的瓜果蔬菜产量得以大幅度的提高，品质得以改善，如黄瓜的产量可以提高20-30%，霜霉病及白粉病可以得到有效的控制。
这些电场效应的产生主要在于生物的任何生理代谢过程，都是一个电生理的过程[2]，包括光合作用、呼吸作用、酶促反应、离子吸收、膜的渗透等，而且都是在有一定电位差存在的情况下才能完成各种代谢。不管是生长发育、营养间的源库关系调配、还是根系对外界离子的吸收，信息的转录与表达，本质上都是细胞或物质间电子获得与失去的过程。外加电场自然影响到植物组成的各种不同组织细胞及物质间电位变化，从而达到影响植物生理代谢与生长发育，这就是电场产生物效应的电生理学基础，也是用于快繁促进生根发育的生理基础。现就与植物快繁过程相关的抑菌杀菌效应及促进植物离体材料发育的生理效应进行分析，并阐明它的运用原理。
1、空间电场的杀菌机理。
在开放的植物非试管快繁苗床中，虽然采用了珍珠岩基质可以有效地抑制菌类的滋生，但开放环境常由于空气流动及喷淋水雾或工作人员的操作，而使大量的细菌及真菌进入育苗的空间环境，对于抗性较弱的离体材料来说，极易感染致病或滋生。而采用于苗床上方架设电场网创造空间电场技术后，可以使空间水气及苗床内基质的电位发生变化，使水电离成具有强氧化还原性的超氧阴离子、过氧化氢物及OH自由基等物质，还有带电荷的颗粒与臭氧，当它接触到细菌或真菌的细胞表面时，可以产生氧化反应而使细胞膜脂膜的渗透性破坏，从而达到杀菌抑菌之目的[3]。另外，在几万伏的直流高压电场环境下，菌类细胞膜的电位发生了极骤的变化，当作用的域值超过一定强度时，会因膜两侧的正常渗透性破坏，在细胞膜上造成电穿孔现象，从而使内含物大量外溢而起到杀菌的作用。但植物的离体材料常有表皮层保护，比细菌及真菌有更大的组织电阻而免受伤害，却起到了正效应的电生理反应。对于存于珍珠岩基质中的菌类，也因基质电位环境的变化，使基质常处于微电流状态，而使菌类的滋生受到了抑制与杀灭。
2、电场处理的ATP能量效应
植物光合作用的过程从自然界的角度来说，也是在地球电场的作用下，在植株与大地间形成了电位差，从而使光合代谢正常进行。同样，植物的离体材料在外加电场的作用下，可以大大促进与加快光合作用的光电反应过程，外加电场使细胞膜内外电位差增大，为ATP的形成起到提供了更大推动力[4]，从而起到诱导产生更多的ATP能量源，为各种酶的活化创造了能量基础。另外，膜内外电位差加大所形成的电场力，可以使膜的扩散通量增大，离子主动吸收的泵运通量也得以增强，从而加速了胞膜内外物质、水份等信息的交换，使新陈代谢等生理过程更加旺盛，使离体材料的生根速度大大加快。
3、电场处理的抗逆诱导效应
电场处理使离体材料的抗逆性增强，对高温胁迫与强光抑制等环境引起的伤害得以缓减与修复。离体材料剪离母体并置于开放近自然的苗床环境下，远远不如完整植株时与组培试管内的环境稳定与较高的抗逆性，常因不适环境的影响而使体内产生大的H2O2、0-及HO-积累，这些物质对于胞膜的破坏性极大，会导致离体组织材料的老化掉叶或者切口氧化腐烂。而在空间电场环境下，可以使清除自由基的SOD、CAT、POD的三种酶活性增强[5]，可以对膜起到保护或修复的作用，从而可以使离体材料保持旺盛的生理状态。
4、电场处理的能量转换效应
电场处理能为离体材料切口发育提供更多的呼吸转换能，离体材料的切口创伤除了能提高切口部位的创伤电位外，由于电场作用可以使切口的呼吸作用得以加强[6]，使呼吸能的转换加剧，更有利于切口部位愈伤组织的发育与根原基的快速形成。同时切口呼吸强化后形成的大量HCO3-又可促进切口部位细胞与外界的离子交换，使愈伤组织的发育与生根获取更多的营养，另外，切口部位环境的酸化，根据酸生长理论，也具有促进切口细胞发育的作用。
5、电场处理的激素调配效应
在电场环境下，使离体材料的生长素分配重构。生长素在电场的作用下，会出现位移重构与输送加速。从电生理学的角度看，静电场在高压条件下产生微电流电位差，使细胞内源生长素从低电位向高电位运输，因为电位差是生长素极性运输的重要动力[7]。由于膜电位加大，使激素传递更快，在生活细胞受损伤后，其所产生的损伤电流由此而加强，促进了信息和物质的传递，使受伤部位产生修复应答反应。由于离体材料的切口在创伤电位及电场的复合作用下，形成了比其它部位具有更高电位，使光合产生的内源激素更多的移向切口部位，从而使切口成为代谢库中心，更利于愈合与根原基的生长。
6、电场处理的酶效应
在电场作用下，离体材料中的各种酶发生极化与相变，使酶的活性发生了变化，可以提高a-淀粉酶、蛋白质水解酶的活性[8]，对于离体材料内营养物质及能量的转化起到了积极作用，可以使离体材料内贮藏的淀粉及蛋白质等物质转化为糖与氨基酸以满足生根发育的需要。特别是块茎及鳞茎类的离体材料，贮藏物质的及时快速转化对于发育是影响很大的。另外，电场作用可以使过氧化物酶及IAA氧化酶的活性降低，对于胞膜保护及IAA内源激素活性的维持起到了关键作用，以确保切口部位愈伤组织及根原基的正常快速地发育。
7、电场处理的钙调理论
电场作用可以使切口愈伤组织发育及根的分化速度得以加快，大量研究表明，电场处理可以使切口细胞发育的有丝分裂中期指数提高，分裂周期缩短，愈伤组织形成加快；究其原因与电场处理的钙调效应有关。静电场促进植物对Ca2+的吸收与移动[9]，这个无处不在的重要信号分子会把静电场的刺激传递给其它信号分子，从而发生信号级联放大。作为第二信使，它与生长素、细胞分裂素协同作用，调节和启动有关基因的表达，合成核酸、蛋白质，为愈伤组织的发生、形成奠定基础。
8、电场处理的增绿效应
电场环境下，可以使叶片的叶绿体含量提高，使叶片变厚，叶片单位面积的栅栏细胞数，每个细胞中的叶绿体数增加，其中叶绿素a含量增加幅度更大，另外，叶绿体中的基粒数及基粒中的类囊体片层数均比对照提高，这对维持较高的光合活性提供了良好的结构基础[10]。而离体材料发育过程中愈伤组织及根系的形成，都得依赖于光合产物的不断提供，光合作用的提高为快速生根提供了物质基础。而且在电场环境下建立的光合模式与维管系统对移栽后的
二、快繁苗床空间电场的建立
快繁苗床相当于组培的试管，它是离体材料发育的重要场所，也是植物非试管快繁过程中环境控制的主要对象，是空间电场创造的主要环境，它的标准化建立对于电场的效果影响较大，现就生产上的运用，把苗床空间电场技术介绍如下。
1、标准水泥苗床的建造。
用砖与水泥建造高度为15-20cm、宽为1.2m、长为14.5m的苗床，在8X30m的大棚内可砌制这样的苗床8个，呈纵横向平行布局，床体与走道全部用水泥抹刮光滑，以利于清洗及减少纳垢。
2、阴极网埋设及基质铺设。
床底先铺一层5cm厚的鹅卵石作为排水层，然后水平铺设一电场网的阴极网（也叫地网），是由防锈耐蚀的金属网制成，再于金属网上平铺一层约3-5cm厚的碳素粉末，最后覆盖8-10cm厚的园艺级珍珠岩。其中碳素粉末层一般选择木炭或竹炭的细微粉末为好，越细微其贮电的效果越好，它像蓄电池一样可以起到提高苗床电位的作用，让苗床在非电场处理时也还具有较高的电位，这对于抑制基质中的菌类及提高切口部位的电位与活化细胞起到了很好的作用。这种方法已在日本的农业生产中得以推广运用，叫植物波农法[11]。通过改变基质或土壤的电位来达到促进植物生长目的，另外，如果埋设是竹炭粉还具更好的杀菌抑菌效果。

3、阳极网的架设。
架设阳极网（也叫天网），于苗床上方水平架设同样的电场网作为正极网，架设时用的支架或悬吊物一定要做到绝缘，以防电场处理过程中的放电与漏电，影响电场效果。通常正极网离苗床水平面的高度以50cm为佳，对于一些刺激强度要求更大的品种还可降低电场网缩小离地距离，以提高电场强度。
4、处理强度的确定。
安装好电场网后，用高压线从正极负极网上引出接线头，联接到植物电场发生器相应的正负极上，使用时只需开启电源，调好电压就可在苗床上形成空间电场。而且运用时电场的强度可灵活的调节，可因植物种类或材料类型不同而进行调控。一般组织致密成熟的离体材料或难繁殖生根的，强度调大些，组织疏松与幼嫩或易生根的离体材料可弱些；也可按材料的电阻率来确定强度，电阻率大的可强度增大，电阻率小的可降低强度[12]。通常易生根的植物以0.6-1kv/cm的强度每天处理2-4小时为佳，难生根植物以1.2-1.6kv/cm的强度每天处理4-6小时为宜，对于极难生根的植物类型可以采用更高的强度刺激，如1.6-2kv/cm的强度处理6-8小时，处理的方法可以是在有光照的白天进行定时间歇循环，也可以与二氧化碳补充同步进行，一般以上午8-10点的这个时间段为光合最佳时段，此时的处理效果也会更佳。
三、电场技术在植物非试管快繁过程中的具体运用
1、电场与二氧化碳同补
空间电场的创造可以使离体材料的光合速率加快，对二氧化碳的吸收速度大大提高。而自然环境的二氧化碳量常常不能满足最佳光合同化的需求，此时结合二氧化碳的强制供给技术，可以起到更好的光合效果。另外，这两者技术有机结合后，即使在弱光环境下，也能保持离体材料较高的光合效率，使光合补偿点大大降低[13]，更利于光照不足的冬季或阴雨季节苗的培育与生长。在生产上可以通过二氧化碳气的强制供给或碳酸水的间歇喷雾，使苗床或离体材料微环境的二氧化碳浓度保持在1000-1500ppm之间，能够使微型离体材料的光自养能力发挥至极限，对光合面积较小材料的生根促进效果极为明显。
2、离体材料的集中处理
植物非试管快繁技术的操作流程中，离体材料的制作与处理是较为重要的一个环节；传统扦插或组培，大多只作些外源激素的处理，如切口的浸蘸或叶面的喷洒还有包敷等，这些处理方法吸收外源激素的速度与效果却与外界温度、湿度息息相关，如温度高湿度低时，吸收浸液的速度快，温度低湿度高则慢，从而影响处理的效果与稳定性。而采用与电场处理相结合后，可以大大加速植物离体材料对外源处理液的吸收速度。具体操作方法有两种，其一是，先对离体材料进行生长激素的喷雾处理，而后置于电场环境中，利用电场产生的负离子来促进生长激素的运动，起到离体材料的活化作用。其二是，把离体材料的下切口浸渍于处理液中，然后给它外加电场，这样可以大大加快离体材料对处理液的吸收速度，同时也可以使离体材料内的一些酶活化，与起到集中杀菌的效果。
3、空间电场的生根促进
在苗床空间电场的作用下，为离体材料的快繁生根过程，创造了最佳的光合同化条件，与相对无菌的空间环境，以及在综合的电场生物效应下，使离体材料的生根大大加快，根系更加发达，培育的幼苗抗逆适应性更强。如曼地亚红豆杉，在电场作用环境下，愈伤组织老化及褐化现象得以遏制，根原基的形成时间缩短，25天即可出根，而无电场处理的由于愈伤组织的老化，需45天左右才有根原基突破表皮。另外，由于光合效率提高，根冠比及根的数量明显提高，有利于壮苗及移栽成活。
4、生根苗木的炼苗移栽
对于植物非试管快繁的生根苗，在进行移栽前需于苗床内经炼苗壮根处理，方可栽植至自然的土壤环境，在炼苗过程中除了计算机的环境模拟控制技术逐渐降低环境湿度外，如果再结合电场处理技术，可以使根系的根量大幅度增加，能促进二次根及三次根的快速发育，能使根系吸收矿质营养的速度加快，可以使叶片变得浓绿而厚实，植株的抗逆性得以增强，更利于适栽成活与壮苗。
5、采集母本的促生栽培
在农业生产的栽培环节采用电场处理，叫做电气栽培，可以使植株营养生长及生殖生长保持旺盛，使产量大幅度提高，如黄瓜可以增产至少20-30%，高的可达70%；番茄可增产91.9%,叶菜与根菜类可增产70%以上[14]。同样，用于苗木的栽培，也可使苗木的生物量大幅度提高，生理状态得以全面优化，对于以苗繁苗的非试管快繁技术体系来说，加快苗木的营养生长速度对于提高育苗效率具有非常重要的意义，特别是对于一些难生根的品种，可以通过母本的科学管理与植株的生理调控使生根率大大提高。在电场作用下，母本的萌枝更健壮，营养积累更充足，酶的活性更高，内源生长激素及细胞分裂素的含量也得以提高，这对于材料的生根来说是最为重要的生理促进因子。在母本园的管理中，结合电场技术进行快繁前预处理，是加快离体材料生根速度，提高成活率，培育壮苗的最为实用而经济的方法，目前已在生产中得以推广运用。
结束语
植物非试管快繁技术是组培技术发展到一定阶段的产物，是组培技术的进一步补充与拓展，它在生产上具有广泛的意义，特别是一些传统条件下难以实现无性快繁的品种，可运用植物非试管快繁技术得以有效的解决。而电场技术又是非试管快繁技术体系中较为重要的技术环节，它对于无菌环境创造，离体材料自身生理潜能激发起到了关键性作用，在电场环境下，使离体材料的生理代谢更加旺盛，愈伤组织及根原基的发育大大加强，生根时间得以缩短，催根壮苗效果明显，是目前用于植物快繁甚至栽培领域中较为实用而投资成本极低的物理农业新技术。但作为一项新技术的运用还有许多方面需要生产与科研部门不断的完善与改进，特别是针对不同植物品种处理剂量与阈值的研究上，是当前指导与服务生产中最为关键的一项指标，如果阈值达不到，起不到应有的正效应，如果超过阈值又会起到抑制的负效应。这方面的探索与运用研究是项长期而艰巨的工作，它需要生产单位科研部门的高度重视与积极投入，才能为电场技术体系的完善及在农业生产上的运用发挥出巨大作用，为农业生产服务为无公害农产品基地建设服务。目前，发达国家已把电场处理作为物理农业中的一个重要技术来运用，特别是在设施农业建设中，已作为一项实用技术而被普及与推广，而我国在这领域的研究运用起步较迟，但相信在不久的将来它也会成为如普通农具一样被农民普遍接受与应用。
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