农作生物技术：植物无毒化育苗的经济效益与促进国际交流

一、农作生物技术

1.组织培养

1943年美国植物生理学家White出版了专著《植物组织培养手册》，这是早期组培技术的开创性工作。1958年Steward用胡萝卜根外植体愈伤组织进行液体培养，而后将悬浮液细胞培养成小植株，由此导致60年代组培技术的迅速发展并应用于生产实践。我国学者罗宗洛、崔徵和罗士韦在组培方面也做了许多开创性工作。

由于组培技术简单而应用性强，故很快在农林园艺生产上得到展示。自20世纪70年代以来，我国建成了水稻、小麦、高梁、甜菜、苹果、柑橘、番茄、草莓等60多种植物的花培、组培成株技术，得到有效应用。组培脱毒解决了马铃薯退化留种问题而柑橘、香蕉、苹果、葡萄等水果建立了无毒苗基地。目前，发达国家充分利用植物组织培养技术实现了植物脱毒和无毒化育苗，使所栽培的花卉、果树的质量和产量大幅度提高，产生了显著经济效应，无病毒种苗可以减少检疫手续，还有利于国际间的交流。

到90年代用组织快速繁殖的植物已达3000余种，今后不应只着眼于无效的数量增加而是向纵深发展和有效的生产性普及。从植物生理学角度看，植物形态发生和器官建成是一个尚未揭露的秘密，它通过组织培养，可进一步在细胞水平、代谢水平和基因调控上探索植物细胞的生长、分化和发育，达到完整小植株产生的途径。

组培技术的应用是多方面的，其组培材料包括茎尖、芽、胚状体幼胚、花粉、悬浮培养细胞、原生质体等。这是现代生物工程在农业上应用成功的种质资源，可以作为“克隆体”或“营养体”种子，在低温库中长期保存；组培中胚状体（embryoid）具有与正常合子胚相似结构，将它包裹在含有养分和具保护功能的包膜中，并在适宜条件下能够发芽出苗的颗粒体，被称为植物“人造种子”。这种人工种子国内外都有研究与应用。再者，利用单细胞培养法，合成某些特殊药用物质，如颠茄根愈伤组织中提取的良菪烷、良菪碱和东良菪碱用于麻醉；从鸭脚树种子愈伤组织中提取利血平用于降血压；从紫花毛地黄愈伤组织中提取的强心配糖体是心脏病药品等。当然，组培繁殖的更大前景在于使试管苗进入工厂化生产，例如，荷兰植物离体繁殖公司有72家，全年生产各类试管苗8000万株。近些年，我国北京、上海、广州、昆明等省市都建有试管苗工厂化生产基地，生产材料有香蕉、甘蔗、切花菊、康乃馨、桉树、杨树、大花洋兰及热带兰等。

2.植物激素与除草剂

植物激素和化学除草剂在现代农业生产上有着广泛用途，是两种不可缺少的科学技术。

植物激素（plant hormones）是指植物体内某些组织（如茎尖、幼叶、根尖）合成而运转到作用部位并对生长发育产生显著作用的一种微量的有生理活性的代谢产物。植物激素的研究是始于20世纪30年代的生长素分离，50年代确定了赤霉素和激动素（细胞分裂素），60年代又发现了脱落酸和乙烯。后来还有其他类型激素发现，但被公认的天然五大类植物激素为：生长素类（auxins）、赤霉素类（gibberellins）、细胞分裂素（cytokinins）、脱落酸（abcisic acid，ABA）、乙烯（ethylene）。

随着植物激素研究的深入和农林生产技术的需求，导致许多高效的人工植物生长素的合成，如生长素类的吲哚乙酸（1AA）、吲哚丁酸（1BA）、α-萘乙酸（NAA）、2，5-D、2，4，5-T等。它们在农作物、果蔬开花时喷雾一定浓度可以促进结实，其中NAA能更有效地诱导菠萝开花和扦条生根作用。

赤霉素种类很多，GA₃最具广谱性，促进植物生长开花结实。早在1958年至1966年，中科院上海植生所开展了赤霉素的发酵生产及广泛的生理研究和农田生产应用。GA₃处理可使茎叶类作物如芹菜、莴苣、牧草、茶叶、甘蔗、苎麻显著增产；在水稻开花时处理可促进受精、籽粒发育；还能促进葡萄单性结实，种子休眠解除，促进萌发。

60年代中期前，我国人工合成了矮壮素（即CCC）、Amo-1618和B9一类新生花抑制剂，作者当时在中科院植物所生理室工作参与了制备和负责应用研究。其中，确认矮壮素在防止高产棉花徒长、小麦倒伏，促进增产颇见成效；矮壮素在控制果木开花结实，特别对菊花、一串红花卉的矮化开花方面已得到广泛应用。此外，60～70年代的乙烯利作为乙烯的液体释放制剂，曾在热带橡胶等胶脂植物上刺激流胶流脂及香蕉、棉花、烟叶催熟上有过广泛试用而今作为香蕉催熟剂仍得到有效商品应用。PP333又名多效唑是一种不易代谢的生长抑制剂，曾在水稻生产上控制植株生长发育有过研究，而今在果木花卉上仍有广泛使用。

除草剂亦称化学除草剂，它是植物另一类的化学控制物质，但与植物激素有相近似的某些方面，故可放在一起叙述。除草剂的合成也以植物生理代谢特点来设计与合成的，只是通过干扰杂草的生理代谢而得到杀伤。其实，2，4-D在低浓度时为植物激素而在高浓度时成为除草剂；PP333用量稍大亦具有不可逆的矮化变形杀伤作用。

根据除草剂的作用方式，可分为选择性除草剂和非选择性除草剂两种。非选择性除草剂，如亚砷酸钠、氯酸钠和五氯酚钠等能把地面上的一切植物完全杀死，可用以消灭路旁、河边、森林防火带等地区的杂草，以及造林前的除草。选择性除草剂的特点是不伤害作物和树苗，例如2，4-D能杀死双子叶杂草而不伤小麦；敌稗能除去稗草而不伤水稻。

除草剂在接触植物后在体内移动情况不同，又可分为内吸型除草剂和触杀型除草剂。内吸型除草剂的特点是可以被植物吸入体内，传至茎叶或全身，起到“斩草除根”的作用，但见效较慢。触杀型除草剂，不能在体内移动传导，但局部杀伤力大，见效快。目前除草剂已有数百种之多，但按其化学结构可分为以下几类：

（1）苯氧羧酸类，这是最早发现的一类除草剂，主要包括2，4-D、2，4，5-T、2-甲基-4-氯苯氧乙酸（MCPA），因为它们和生长素有类似的作用，所以又称为激素型除草剂，它们能干扰植物体内正常代谢而死或表现出畸形症状。

（2）酰胺类和醚类，这是一种触杀型除草剂，它的有效成分是3，4-二氯苯丙酰胺，其中敌稗和除草醚即是。

（3）取代脲类，这类除草剂有敌草隆、灭草隆和非草隆，都是内吸型的，通过根部吸收后运输到地上部分发挥作用，主要抑制植物的光合作用。

（4）均三氮苯类，这类除草剂有西马津、阿特拉津和扑草净等，具有高度选择性的传导型除草剂。通常用于玉米、高粱、甘蔗地，杂草通过根系吸收运输至地方部分，抑制光合作用，耗尽其内在养分而死亡。

（5）甲氨酸酯类，属于这类的除草剂有苯胺灵（IPC）和氨苯胺灵。通过喷雾，能杀除单子叶杂草而对双子叶植物影响较小。它们能抑制杀草剂的光合作用而对诱发种子更有杀伤作用，主要通过对α-淀粉酶的抑制作用。

3.无土栽培

（1）理论依据(www.xing528.com)

所谓无土栽培就是采用矿质营养液的水培或砂培方式进行栽种，使之植物正常生长发育，获得所需各种产品。植物的自养性对矿质元素的需要就是通过溶液培养获得了证实。现在知道植物必需元素为19种，其10种属大量元素，它们是C、H、N、O、P、K、S、Ca、Mg、Si；9种属微量元素，它们是Fe、B、Zn、Mn、Cu、Cl、Mo、Ni、Na。当然，有些少数植物还得添加几种。这项重大研究成果奠定了农业栽培学的理论基础并极大地推动了工业化肥生产和农业产量的增加。

著名的Knop溶液（1865）是最早提出的植物营养配方。随之经过半个多世纪的试验探索，使配方逐步完备起来。其中，荷兰Hoagland（1933）的培养液也成为经典性配方，已被广泛用于植物生理学实验教学和生产应用，为此也奠定了现代无土栽培的理论技术依据。

（2）技术装置

无土栽培技术实际由两大部分组成：一是营养液配制，二是培养方式的选择。一种简易的水培法就是用一个花缸或杯子盛上营养液，找块木板或塑料作盖子，开个孔适于细苗根插入，再用小团棉絮固着即可。这种方法还要经常通气与添加营养液，则很难用于大面积生产。1978年A.J.Cooper试验成功了一种新型的营养液膜技术（nutrient film technigue，NFT）栽培植物，引起了生产者的重视。20几年来经过不断改进和完善，已广泛用于温室生产。

NFT的基本技能与原理是将培育的幼苗种在无土基质钵中，种植钵由泥炭藓和蛭石，珍珠岩或人造塑料泡沫混合，而长条形的培养水槽视为种植垅铺一层黑色聚乙烯薄膜，起到挡光和扎根作用，根系沿着流动水槽水平生长，形成薄片并得到更好的固着。

NFT的应用要与塑料大栅或玻璃温室相配合，温室的建筑设施大体有二类：一种是利用自然光照与温度或作适当调节；另一种是利用人工光温控制，自动化程度较高。除温室外，NFT本身主要由培养水槽、贮液罐和输送营养液的调控系统组成。水槽是溶液流动和栽培植物的主要设备，可称苗床。它可用金属台架铺放塑料膜水槽或用硬质塑料制成各种水槽，可任意调整斜度。一种简易方式是在温室地面做成浅的水泥槽，可直接在地面铺设薄膜，置上种植钵。槽长一般20～30m，宽50～70cm，深10～20cm，斜度适宜平整，以免积水影响通气和根系生长。流速约为2L/min。水槽内株距和水槽间行距视种植蔬菜类而定。幼苗用钵定植后提起膜两侧用夹子固定，形成三角形平底长槽。关于温棚内的全套调控管理技术在此不作详述了。

（3）生产应用

无土栽培技术始于第二次世界大战，为美军驻太平洋岛屿军队提供了新鲜蔬菜。随后，50～60年代的无土栽培大棚温室在美英国家得到发展。1980年，国际无土栽培学会（ISOSC）成立，促进国际间交流，加速无土栽培技术的更大发展。

近20年来，我国无土栽培技术在各大城市郊区都有研究和生产。在早期的研究报导中，如山东农学院的水培西红柿亩产8000kg；山西太原市冬季温室无土栽培黄瓜亩产3300kg；承德蔬菜所的水培韮菜，全年亩产37726kg；浙江省农科院无土栽培的黄瓜、蕃茄、甜椒等单季产量要比大田增加2～3倍。国外有关资料表明，无土栽培的菜豆、甜菜、莴苣、黄瓜的亩产达3500、2000、1362.5和2121kg较之土壤种植3～4倍，而豌豆、土豆和西红柿则增加9～12倍。现在，我国无土栽培已在温棚蔬菜和花卉上得到广泛应用，多半采用应地制宜，土洋结合的方法。此外，中科院上海植生所曾在太湖水面进行各类青饲料和某些水生蔬菜的无土栽培，为水域利用促进鱼类养殖或水上种蔬菜展现了新的前景。

据前些年报道，美国10种主要花卉，如菊花、玫瑰、石竹、天竺葵、一品红、唐昌蒲、杜鹃、兰花和百合，每年出售产值达20多亿美元，绝大部分是采用无土栽培获得的。商品性温室花卉不是生长在通常土壤上，而是生长在人工配制的混合土中，它以泥炭、珍珠岩、沙、蛭石、锯木作基质，并加入各类所需的无机元素。

商品性花卉每年大量出口，靠土壤栽培是行不通的，因为生产基地的肥沃表土将会被用光的。况且，出口运输的重量和因土壤带来的病虫害是通不过进口国检疫的。现代花卉栽培工业生产基地的设立，已不是市郊为重点，而是以各类花卉的适宜生长气候为主要条件，因为现代交通运输已不是一个障碍因素了。例如，美国石竹的生产基地是设立在大西洋沿岸东郊和科罗拉图州，菊花在佛罗里达州，可以全年控制开花，是理想的生产之地；得克萨斯州有玫瑰城之称，大量种植玫瑰出售；夏威夷适合于兰花；加利福尼亚是石竹、一品红等花卉的繁殖基地。目前，我国花卉和花木盆景也广泛采用营养液培养，基质是锯木、珍珠岩、人造塑料泡沫与沙混合取得有效的应用。

4.转基因植物

植物转基因技术是指把从动物、植物或微生物中分离到的目的基因，通过各种方法转移到植物的基因组中，使之稳定遗传并赋予植物新的农艺性状，如抗虫、抗病、抗逆、高产、优质等。现在，转基因植物细胞的方法有化学法、电激法、花粉管注射法、农杆菌（Ti质粒）介导法和基因枪等，其中基因抢和农杆菌介导法技术得到广泛应用。随着现代生物技术的迅速发展，植物转基因技术方兴未艾。自从1983年首次获得转基因植物后，至今已有35科120多种植物转基因获得成功。1986年首批转基因植物被批准进入田间试验，至今国际上已有30个国家批准数千例转基因植物进入田间试验，涉及的植物种类有40多种。

目前，农作物生物技术育种的研究已经不再处于实验室阶段，而是进入了实际应用，走到了商业化阶段。近年来，转基因植物在全球的种植面积增长迅速，种植转基因植物的国家从1992年的1个增长到1996年的6个，1998年9个，2011年进一步扩大到29个国家。全球转基因植物的种植面积1996年仅为170万hm2，1997年为1100万hm²，1998年增长到2780万hm²，1999年又比1998年增长44％，达到3990万hm²，至2011年种植面积达1.6亿hm²（表9-3）。

表9-3　2008-2011年全球转基因作物种植面积

转基因植物的研究发展得很快而且已进入农业生产。2012年2月，国际农业生物技术应用服务组织（ISAAA）在北京发布的转基因作物年度报告指出，全球转基因作物种植率继续以前所未有的速度递增。随着全球人口急速迈向70亿关口，转基因作物的种植面积在连续猛增15年之后继续攀升。ISAAA主席克莱夫·詹姆士表示：在1996年至2011年间，数以百万遍布全球29个国家的农民自发作出多达1亿个种植转基因作物的决定，其种植和再植面积累计达到12.5亿hm²。种植转基因作物的29个国家中有19个是发展中国家，另外10个则是发达国家。种植转基因作物的五大主要发展中国家分别为亚洲的印度和中国、拉丁美洲的巴西和阿根廷以及非洲大陆的南非。

2011年种植面积最多的国家是：美国6900万hm²占全球总面的43％，巴西3030万hm²占19％，4大主要转基因作物种植面积也创新高。全球大豆面积的五分之四（81％）、棉花面积的三分之二（64％）、玉米面积的三分之一（29％）、油菜面积的四分之一（23％）种植的都是转基因品种。耐除草剂是转基因作物的主要性状。2011年耐除草剂大豆、玉米、油菜、棉花、甜菜和苜蓿的种植面积为9390万hm²，占全球转基因作物种植面积的59％，较上一年下降两个百分点。两性状和三性状转基因作物的种植面积比抗虫性状转基因作物的种植面积大11％。与2010年的转基因作物种植面积相比，堆积性状作物的种植面积攀升了31％，耐除草剂性状作物的种植面积增加了5％，抗虫性状作物的种植面积下滑了10％。

据2002年报道，全球转基因作物种植面积已达5780万hm²，仍以大豆、玉米、油菜、棉花为主，占总面积的62.2％。转基因作物的主要特色是耐除草剂和抗虫性。大多科学家认为转基因作物有安全保障。2004年全球转基因作物的种植面积达到了8100万hm²，由此产生了极大经济效益。

2011年，我国转基因作物种植突破390万hm²，成为转基因作物大国。经农业部批准水稻、棉花、玉米、大豆、番茄、马铃薯、油菜、甜椒进入田间环境释入与生产，特别在转基因抗虫棉和转基因水稻的研究成果已居世界前列。苏云金杆菌毒蛋白（Bt）基因培育抗虫棉是植物抗虫基因工程育种最为成功的例子。利用Bt基因还培育出抗玉米螟转基因玉米。转基因大豆为了改良品质；转基因厚皮耐贮西红柿是为改善品质；转基因水稻是为培育高产光能利用率。总之，各类转基因作物的侧重点是不一样的。