植物人工培養組合方法

專利名稱：植物人工培養組合方法
技術領域：
本發明涉及的是一種人工植物快速培養的方法，特別是一種利用納米燈光的方法、循環式營養液漫流補給的方法、氣體循環式降溫控濕的方法、側光自轉式光補償的方法相互結合的自轉式的植物人工培養組合方法，屬于植物培植技術領域。
背景技術：
以CO2為植物體生長的碳源，通過良好的光照及碳源補充，經人工環境調節，來改善植物生長的環境條件，使其植株自身進行光合作用，提高植物生長速度和改變植物生長季節。目前科技人員正在通過不斷調整技術條件和改進技術設計來進一步提高植株成活率，有效改良植物品種，有效節約能源和所占空間。經過對現有技術的文獻檢索，發現專利申請號為98121867.9，名稱為一種無糖箱式植物組織的培養方法，該技術自述為本發明涉及植物組織的培養方法。用培養容器代替瓶子作培養容器，以利于植株對CO2的充分吸收和氣體交換，提供一種無糖+培養容器+CO2的最佳培養方法。該方法由于采用固定光源，組培苗生長不完全，且CO2分布不均勻，散熱差，組培成本高，組培苗在進入大田種植過程中成活率低，容易形成“玻璃苗”現象(生長環境稍有變化，苗株成活率大幅下降)。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種植物人工培養組合方法。使其在保證光照及碳源得到充分滿足的前提下，結合空氣動力學、光學、植物學、物理學等基礎理論，通過氣體循環方法解決了無糖組培過程中對組培容器的溫度、濕度的控制問題，簡化了現有技術無糖組培工藝流程。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明方法是采用將循環式氣體消毒方法、氣體CO2碳源均衡循環補充方法、氣體循環式溫度控制方法、氣體循環式濕度控制方法、植物納米燈照射方法、循環式營養液漫流補給方法、側光照自轉式光補償方法組合用于植物人工培養。
以下對本發明的各項方法作出進一步的具體說明
1、循環式氣體消毒方法現有工藝方法需對培養容器內壁進行人工酒精擦拭消毒，不但勞動力成本高，而且存在“消毒死角”，培養容器的污染機率較高。本發明充分利用了氣體循環通道的多功能性特點，在對培養容器進行消毒時，在循環通道內注入臭氧(O3)氣體殺菌消毒，由于臭氧含有的新生態氧原子有很強的氧化能力，直接穿透細胞壁與其體內的“不飽和鍵”化合而奪取細菌生命，它具有很高的殺菌效率。同時臭氧是自然的氣體，取自于空氣、在殺菌的過程中自身還原為氧氣，回到空氣中。不留下殘存物，無二次污染和副作用。
本發明的臭氧消毒步驟為①在培養容器初次組培或結束組培時，培養容器內未置入組培植株之前，通過氣體循環通道將濃度為3～4PPM的臭氧氣體注入培養容器，氣體流量為5～15L/min，消毒時間5分鐘；②5分鐘后通過自然排空將剩余臭氧氣體排出，組培前的培養容器消毒工序完成。
其殺菌效果如下表所示

本發明可以迅速而徹底的殺傷空氣中、培養容器內的病毒及細菌，徹底消除了現有工藝人工消毒方法存在的“消毒死角”，不僅殺菌效率高，而且使得培養容器的消毒成本大幅降低，更易于工廠化組培技術的發展。
2、氣體CO2碳源均衡循環補充方法二氧化碳(CO2)濃度和光照條件是植物進行光合作用的二個最重要因素，空氣中的CO2濃度只有330ppm，如果以容積表示，僅為空氣的0.3％左右，植物每合成一克葡萄糖，植物葉片要從2250升空氣中才能均勻吸收到足夠的CO2作為合成一克葡萄糖的碳源，因此培養容器的CO2濃度就成為植物光合作用的決定因素之一。由于原技術方法培養容器的其CO2進氣孔與CO2出氣孔為同一平面和垂線，根據空氣動力學原理分析，CO2氣體從進氣孔到出氣孔的過程中，培養容器內四周會因氣流產生氣體循環死角，使得培養容器內的CO2氣體分布不均勻，氣體有效作用面積在培養容器內呈“橄欖狀”分布，培養容器內約2/5的植株因無法得到新鮮的CO2氣體補充，使組培植株的生長和健康受到嚴重影響，造成組培周期長，成活率低的現象。原技術方法CO2氣體利用率低，浪費嚴重，使得碳(CO2)源成本上升。
本發明應用氣體循環通道使CO2氣體通過分布于通道上的無數氣體出口進入培養容器內，使CO2氣體能夠均勻分布于培養箱的各個角落，克服了因氣流產生的氣體循環“死角”缺點，并根據空氣動力學原理，通過外置動力系統，使氣體循環通道內形成氣體流動，由自動化檢測系統對氣體濃度實時檢測，監控CO2濃度對植物光合的飽和點和補償點，及時控制CO2氣體的補給與循環使用。提高了CO2氣體的使用效率，使得碳(CO2)源成本降低。
本發明由于是多種方法組合而成，在組培工藝方面采用多種先進的技術，因此培養容器內植株的光合作用速率比原方法快得多，即植株的生產速度比原方法快得多。在組培周期內，培養容器內的CO2濃度控制為1000～1500ppm，培養容器的氣體換氣次數為3～10h-1，由于采用CO2氣體循環使用方式，培養容器內的CO2供應量足以滿足植株的需求。
3、氣體循環式溫度控制方法培養容器內部溫度是影響了植株的成長發育的要素，原技術方法由于培養容器制造材料和結構布置以及溫控方法采用外置式空調系統等問題，使得培養容器內的溫度無法有效下降，嚴重影響了植株的成長發育，其溫控方法采用培養容器的外置式空調系統，由于外置式空調系統是通過測定培養容器外部的溫度后，再對容器外部空氣溫度進行調節，通過容器外部空氣溫度調節影響培養容器內部溫度，因此對培養容器內部溫度變化不敏感，溫控效率低，電耗成本高，使得植株的組培運行成本上升，同時造成培養容器內部溫度調節不均勻，嚴重影響了植株的成長發育和植株的成活率。
本發明克服了原方法的缺點，通過外置動力系統對循環通道內循環氣體的自動測溫和溫度調節控制培養容器內的溫度，因此對培養容器內的溫度調節十分靈敏。當檢測到溫度過高時，可對循環通道內的氣體直接降溫，經降溫后的氣體通過氣體循環通道可直接進入培養容器內，可迅速引起培養容器內溫度變化，使其達到組培技術要求的溫度。本發明提高了溫控效率，降低了溫控成本，可滿足植株的成長發育的理想溫度。
本發明在光周期內，當培養容器邊界的光或純輻射光通密度大與35Wm2時，氣體溫度(DIF)將發生變化，因此，根據植株要求，本發明對植株光期和暗期的溫度控制如下0～3天，溫度控制為25℃/15℃(+10DIF)，4～6天，溫度控制為20℃/20℃(0DIF)，7～15天，溫度控制為15℃/25℃(-10DIF)。
4、氣體循環式濕度控制方法原方法由于采用外置式空調系統降溫，因此當培養容器外壁的溫度低于培養容器內的溫度時，培養容器內的水蒸氣會凝集在容器內的壁上和頂部，尤其是在大型的培養容器中，雖然培養容器的壁上和頂上布滿了蒸氣冷凝水，但容器內的相對濕度很難達到90％以上。這使得培養容器中的空氣濕度常常不能滿足植株生長的需求，易造成植株失水萎蔫，植株成活率低。
本發明克服了原方法的缺點，在培養容器內氣體通過氣體循環通道循環過程中，在通過對氣體循環通道內氣體直接實施濕度測定和調濕處理，使培養容器內的濕度始終保持最佳的濕度范圍內，確保植株的正常生長發育。
為保證植株的成苗率和生根率，本發明對培養容器空氣的濕度測定和調濕處理應用以下的措施外置式的濕度控制系統采用富含植物營養液的水進行噴霧，通過對進入培養容器的CO2氣體進行加濕處理，可直接提高培養容器中的氣體濕度，植株不僅可從空氣中吸收CO2氣體，而且根、莖、葉還可從富含營養液的水霧中吸收養份，使植株生長更為迅速。由于培養容器內的CO2氣體中富含植物營養液，因此在植株組培周期內，第0～5天，濕度控制為90％～100％，6～15天，濕度控制為75～85％，15天后可出苗直接進入大田移栽。組培苗無需經扶壯期培養，適應能力強。
5、植物納米燈照射方法植株葉片是進行光合作用的主要器官，而葉綠體是光合作用的重要的細胞器。根據光波理論，太陽輻射到地面的光，波長大約為300～2600nm，其中380～760nm為可見光，科學實踐證明植物對光合作用最有效的可見光的波長是在400-700nm范圍內。原方法應用日光燈作為培養容器內的照射光源，其日光燈發出的可見光波長為350～600nm，無法達到植株所需的最佳光波要求。
本發明從植株葉綠素的光學性質分析，根據葉綠素吸收光譜的最強區一個在波長為640～660nm的紅光部分，另一個在波長為430～450nm的藍光部分。本發明利用納米技術，采用專用納米燈作為光源，納米燈的光波波長范圍是根據植物的葉綠素吸收光譜最強區而確定的，該波長最適宜植株的生長，可使植株的光合作用效率達到最佳狀態。本發明所發出的波長為640～660nm的紅光，可以激發葉綠素光合作用的能力，有利于植物對碳水化合物的積累，波長為430～450nm的藍光，可促進了植物蛋白質與非碳水化合物的積累。
原方法忽視了光能利用率，光能的損失較大。本發明的側光照系統有利于促進植株的生長并在節約成本的情況下控制植株高度。在培養容器內，側光照系統的光照強度是垂直光照系統的5倍，而且植株葉片接受的光能比垂直光照系統更加均勻，它比常規光照系統有相對較短的節間和稍多的葉片數量，植株可以接受更多的光譜分布。本發明在實現側光照射的同時，通過利用培養容器內的反射光源，大大節約了光能，使反射光源約50％的光向上反射，另外50％的光向下反射，使培養容器內的光照強度增加1.8倍，節約光能消耗54％，減少了光能的熱量產生，使氣體制冷成本節約75％。
本發明在植株組培周期內，0～5天，納米燈的光照強度為1000～1500LX，通過反射光源，培養容器內的光照度為2000～3000LX，光照時間為每天5小時；6～15天，納米燈的光照強度為2500～3500LX，通過反射光源，培養容器內的光照度為5000～7000LX，光照時間為每天15小時，15天后出苗。
6、循環式營養液漫流補給方法原技術方法沒有解決循環營養液設計，其組培基質只能使用瓊脂、珍珠巖、砂、蛭石及其他載體生成，組培效率降低，組培成本高，且組培基質必須經120℃的高溫滅菌后方可使用，操作上增加了組培植株的污染機率。另外，由于基質間隙小透氣不良，會引起植株的爛根現象，若基質的PH值控制不當，固體基質會積累了大量的有害成分，對植株的生長造成極大影響。
而本發明采用先進的“無土栽培技術”，通過人工創造的作物根系生長環境取代原方法的培養基質環境，使植物營養液以漫流狀態直接與植物根系接觸，通過營養液對植株根系的循環供應，植物從營養液中便獲取生長所需的各種養份，植株根系可不受培養基質的制約影響，加快了植株對營養成份的吸收，植株根系可自由伸展發育。強壯的根系結構使植株的成活率大大提高。該方法不僅克服了原方法存在的根系發育緩慢，植株生長不均勻等問題，而且可使植株根、莖、葉均衡健壯。由于實現了營養液的循環供應，降低了培養基質成本，且對周邊環境無污染，有利于植株的規模化、工廠化組培應用。
本發明營養液漫流流速為5mm/s，植株根系浸沒深度1cm。
7、側光照自轉式光補償方法由于植物，尤其是被子植物，其葉綠體在細胞中是隨光照方向與光照強度發生移動，在強光下，葉綠體在植物細胞壁中隨光源的方向平行移動，以避免過度受熱。在弱光下，葉綠體在植物細胞壁中隨光源的方向垂直移動，盡量吸收光能。這是植物在經歷了自然界幾億年進化過程后形成的生存規律。
本發明根據上述植物自然生存理論，通過外置的動力，使培養容器中的植株發生空間變化，當植株空間距離與培養容器內的照射光源空間位置發生相對變化，形成側光照的光補償，而且這種側光照圍繞培養容器轉動，植株所接收到的光波波長將產生相對變化，從而形成強弱光的不間斷變化，將培養容器內的靜態光源變為相對動態光源，模擬出植株在自然界中接收自然光源的動態照射，使植株葉面氣孔根據光合作用原理不斷開閉，葉綠素光合能力得到充分煅煉，植株生命力旺盛，使組培植株在大田移栽過程中更具適應性。本發明克服了原有方法采用靜止光源照射所造成的植物葉面葉綠素及其光合磷酸化合酶系統生長發育脆弱，使得培養容器內的植株的葉面氣孔開閉受阻，植株大田移栽的成活率低的缺點。
本發明外置的動力系統，在植株組培周期內，根據組培期光照強度確定轉速。0～5天，轉速為10周轉/小時；隨著光照度的加強，組培周期在5～15天時，轉速為15周轉/小時。
另外，本發明的培養容器內側采用反射面，可使培養容器內的植株可同時接受側照光源和反射光源，使中部光源的不同波長的變化照射，能最大限度的提高光能的利用率，植株通過培養容器內不斷變化的側光光波的照射，使植株葉面、莖都可接受到光波照射，葉和莖同時進行光合作用，這加快了植株的生長速度，從而極大地提高了植株的移栽至自然環境中的生存調節能力，避免了“玻璃苗”的產生。
本發明的氣體循環通道具有多功能性特點，氣體循環通道既是溫度控制系統、濕度控制系統的控制通道，又是消毒控制通道。通過該氣體循環通道可對CO2氣體進行補充，通過對循環通道內的氣體溫度及濕度的調節控制實現對培養容器濕度、溫度的控制。當培養容器組培周期結束后，原方法需對培養容器進行人工消毒，工藝流程復雜，且勞動力成本高，既便如此，仍然存在較高的污染機率。在對培養容器進行消毒時，可在循環通道內注入臭氧氣體殺菌消毒，不僅殺菌效率高，而且消毒成本大幅降低。
本發明使用側光照自轉式光補償方法培養的植株高度明顯比原方法采用的培養容器培養的組培植株矮，但植株重量明顯加重，植株健壯，故成活率高。使得本發明可應用于各品種組培植株的需要，本發明的應用，對提高我國農業生產技術水平，降低農業成本，增加農民收入，保障物種的優良品質，物種的多樣性，改善生態環境，具有重大的意義。
本發明具有實質性特點和顯著進步，它在傳統的植株種植工藝方面有很大的突破，解決了傳統組織培養中存在的污染率高，植物生長發育不良、生理形態紊亂、畸形、生長發育延緩或死亡等問題，可顯著提高種苗質量，縮短培養周期，提高勞動生產率，降低生產成本。
具體實施例方式
實施例及對比試驗組培種類薯蕷苗培植方式用透光材質制作的等邊六角形容器+容器內沿間隔安裝反光材料+側光照射+CO2氣體循環降溫+營養液(占地面積3.5平方米)。
操作過程本實施例充分利用了CO2氣體循環通道的多功能性，在培養容器初次組培或結束組培時，培養容器內未置入組培植株之前，通過氣體循環通道將濃度為3～4PPM的臭氧氣體注入培養容器，氣體流量為5～15L/min，消毒時間5分鐘，5分鐘后通過自然排空將剩余臭氧氣體排出，殺菌過程中臭氧氣體還原為氧氣，回到空氣中，不留下殘存物，無二次污染和副作用。本消毒方法消除了人為消毒造成的“消毒死角”，不僅殺菌效率高，而且消毒成本大幅降低。
本實施例通過循環流動的植物生長營養液為培養基質，在營養液的流動循環過程中，不斷對流動中的營養液實施120℃循環消毒，解決了由于培養基消毒不徹底，造成的植株生長發育污染問題，本實施例省卻了對組培植株的“培養基質”進行“先消毒再組培”的工序。它在簡化了組培工藝及降低培養基成本的基礎上，使植株的受污染機率大幅降低。
本實施例在培養期內應用側光動態照射原理，0～5天，納米燈的光照強度為1000～1500LX，光照時間為每天5小時；6～15天，納米燈的光照強度為2500～3500LX，光照時間為每天15小時，由于采用側光照射，同時光源應用動態、靜態組合式光源，因此光照強度可滿足培養容器內植株光合作用的需要。組培期為15天，在組培期內，培養容器內的CO2濃度控制為1000～1500ppm，營養液漫流流速為5mm/s。第0～5天，外置動力系統帶動培養層的轉速為10周轉/小時，培養容器內的光照度為2000～3000LX，濕度控制為90％～100％，溫度控制為23℃～24℃。隨著植株的逐步生長，組培周期在5～15天時，培養容器內的光照度增加為5000～7000LX，轉速為15周轉/小時，培養容器內的光照度為5000～7000LX，濕度控制為75～85％，溫度控制為22℃～25℃，植株根系浸沒深度1cm。15天后可出苗直接進入大田移栽，組培苗無需經扶壯期培養，適應能力強。本實施例通過外置動力系統實現培養容器內的CO2氣體的補給、空氣濕度及降溫工作，因此空氣流通速度可調，控制流通速度范圍為培養容器的氣體換氣次數為3～10h-1。根據對薯蕷實施組培試驗后，其試驗結果對比情況如下表

通過上述試驗結果證明，本實施例組培期短且成活率高，組培成本大幅降低，其成本下降的主要原因在于(1)原材料成本及勞動力成本降低。本實施例完全以植株營養液替代原有組培基質，節約了組培所需的原材料成本。由于省卻了對組培基質的消毒工序，使得人工成本也隨之降低。
(2)電的消耗降低。本實施例在組培容器內應用的反光材質提高了約50％光能利用率。植株生長發育加快，培養周期縮短40％～60％，減少了照明的時間，是節約了電能消耗的主要原因。
(3)組培植株數量增加。本實施例與現有技術比較，在相同的培養面積上，相同的植株種植密度下，提高植株組培增長率為100％，成苗率亦得到顯著提高。
(4)植株損失減少。本實施例與現有技術比較，進一步降低了植株被污染的因素影響，再加之自動控制系統的配合，使其在較短的組培周期內，即可生產出高品質的組培苗。
權利要求
1.一種植物人工培養組合方法，其特征在于，采用將循環式氣體消毒方法、氣體CO2碳源均衡循環補充方法、氣體循環式溫度控制方法、氣體循環式濕度控制方法、植物納米燈照射方法、循環式營養液漫流補給方法、側光照自轉式光補償方法組合用于植物人工培養。
2.根據權利要求1所述的植物人工培養組合方法，其特征是，所述的循環式氣體消毒方法是指在對培養容器進行消毒時，在循環通道內注入臭氧氣體殺菌消毒，臭氧消毒步驟為①在培養容器初次組培或結束組培時，培養容器內未置入組培植株之前，通過氣體循環通道將濃度為3～4PPM的臭氧氣體注入培養容器，氣體流量為5～15L/min，消毒時間5分鐘；②5分鐘后通過自然排空將剩余臭氧氣體排出，組培前的培養容器消毒工序完成。
3.根據權利要求1所述的植物人工培養組合方法，其特征是，所述的氣體CO2碳源均衡循環補充方法是指應用氣體循環通道使CO2氣體通過分布于通道上的無數氣體出口進入培養容器內，使CO2氣體能夠均勻分布于培養箱的各個角落，通過外置動力系統，使氣體循環通道內形成氣體流動，由自動化檢測系統對氣體濃度實時檢測，監控CO2濃度對植物光合的飽和點和補償點，及時控制CO2氣體的補給與循環使用。
4.根據權利要求3所述的植物人工培養組合方法，其特征是，在組培周期內，培養容器內的CO2濃度控制為1000～1500ppm，培養容器的氣體換氣次數為3～10h-1，由于采用CO2氣體循環使用方式，培養容器內的CO2供應量足以滿足植株的需求。
5.根據權利要求1所述的植物人工培養組合方法，其特征是，所述的氣體循環式溫度控制方法是指當檢測到溫度過高時，對循環通道內的氣體直接降溫，經降溫后的氣體通過氣體循環通道直接進入培養容器內，迅速引起培養容器內溫度變化，使其達到組培技術要求的溫度，對植株光期和暗期的溫度控制如下0～3天，溫度控制為25℃/15℃(+10DIF)，4～6天，溫度控制為20℃/20℃(0DIF)，7～15天，溫度控制為15℃/25℃(-10DIF)。
6.根據權利要求1所述的植物人工培養組合方法，其特征是，所述的氣體循環式濕度控制方法是指對培養容器空氣的濕度測定和調濕處理應用以下的措施外置式的濕度控制系統采用富含植物營養液的水進行噴霧，通過對進入培養容器的CO2氣體進行加濕處理，可直接提高培養容器中的氣體濕度，在植株組培周期內，第0～5天，濕度控制為90％～100％，6～15天，濕度控制為75～85％，15天后可出苗直接進入大田移栽。
7.根據權利要求1所述的植物人工培養組合方法，其特征是，所述的植物納米燈照射方法是指在植株組培周期內，0～5天，納米燈的光照強度為1000～1500LX，通過反射光源，培養容器內的光照度為2000～3000LX，光照時間為每天5小時；6～15天，納米燈的光照強度為2500～3500LX，通過反射光源，培養容器內的光照度為5000～7000LX，光照時間為每天15小時，15天后出苗。
8.根據權利要求1所述的植物人工培養組合方法，其特征是，所述的循環式營養液漫流補給方法是指通過人工創造的作物根系生長環境取代原方法的培養基質環境，使植物營養液以漫流狀態直接與植物根系接觸，營養液漫流流速為5mm/s，植株根系浸沒深度1cm，通過營養液對植株根系的循環供應，植物從營養液中便獲取生長所需的各種養份。
9.根據權利要求1所述的植物人工培養組合方法，其特征是，所述的側光照自轉式光補償方法是指通過外置的動力，使培養容器中的植株發生空間變化，當植株空間距離與培養容器內的照射光源空間位置發生相對變化，形成側光照的光補償，而且這種側光照圍繞培養容器轉動，將培養容器內的靜態光源變為相對動態光源，模擬出植株在自然界中接收自然光源的動態照射，根據組培期光照強度確定轉速。0～5天，轉速為10周轉/小時；隨著光照度的加強，組培周期在5～15天時，轉速為15周轉/小時。
10.根據權利要求8所述的植物人工培養組合方法，其特征是，培養容器內側采用反射面，使培養容器內的植株可同時接受側照光源和反射光源，使中部光源的不同波長的變化照射，能最大限度的提高光能的利用率。
全文摘要
一種植物人工培養組合方法，屬于植物培植技術領域。采用將循環式氣體消毒方法、氣體CO
文檔編號A01G7/00GK1552179SQ20031012274
公開日2004年12月8日 申請日期2003年12月19日 優先權日2003年12月19日
發明者章永泰 申請人:章永泰