全 文 ：文章编号 :100028551 (2004) 052368204
CO2 气体在植物组培中的应用及前景
郭　海1 　赵　明2 　李　云1 　梁　机1 　李　慧1 　陈晓阳1
(1. 北京林业大学生物科学与技术学院 , 北京　100083 ;2. 瓦格宁根大学 ,瓦格宁根 荷兰)
摘 　要 :本文就植物对 CO2 的利用、保护地与组织培养环境中 CO2 浓度的变化及其对植株的影
响、组织培养中 CO2 的施用方法与技术进行了概述 ,指出在组织培养中施用 CO2 存在的问题 ,
并对其应用前景进行了展望。
关键词 :CO2 ;组培 ;应用 ;前景
APPLICATION AND PROSPECTS OF CO2 IN TISSUE CULTURE
GUO Hai1 　ZHAO Ming2 　LI Yun1 　LIANGJi1 　LI Hui1 　CHEN Xiao2yang1
(1. College of Biological Sciences and Biotechnology , Beijing Forestry University , Beijing 　100083 ;
2. Wageningen University , Wageningen , Netherlands)
Abstract : The effects of changed CO2 concentration in greenhouse environment or culture container on plant growth ,
and the techniques of using CO2 in culture container of tissue culture are introduced. The questions and prospects of
CO2 application in tissue culture are discussed.
Key words :CO2 ;tissue culture ;application ;prospects
收稿日期 :2003203203
作者简介 :郭海 (1978～) ,男 ,硕士研究生。从事林木基因克隆与遗传转化方面的研究。E2mail :ghgm1101 @sina. com
植物组织培养技术自 20 世纪初建立以来在理论研究和应用技术上不断发展 ,目前已日趋完善[1 ] 。
植物组织培养是在一个密闭的无菌微环境条件下进行的 ,组培苗生长的好坏与其培养条件密切相关 ,目
前国内外对组培苗培养条件的研究主要集中在温度、光照、湿度、培养器皿、培养基成分及 pH 值等方
面[2 ] ;而对组培苗生长所必需的气体条件研究相对较少。植物生长必须进行光合作用 ,光合作用离不开
CO2 [3 ] 。认识 CO2 气体在组织培养中的重要性 ,对挖掘组织培养的生产潜力 ,加快试管苗生长速度和繁
殖数量 ,培育高质量的壮苗 ,取得良好的经济效益均具有极其重要的意义。
1 　植物对 CO2 的利用
植物光合作用对空气中 CO2 浓度有一定的要求 ,在一定的 CO2 浓度范围内 ,植物的光合作用强度
随 CO2 浓度的升高而升高[4 ] 。目前大气 CO2 浓度为 350μl·L - 1[5 ] ,这一浓度远远不能满足植物生长的光
合所需。在一定光强时 ,大多数植物的 CO2 饱和点为 800～1800μl·L - 1 ,某些温室植物高达 2000μl·L - 1
以上[6 ] 。但过高的 CO2 浓度 (4000～7000μl·L - 1以上) 会引起原生质中毒或气孔关闭而导致反作用[6 ] 。
随CO2 浓度降低 , 植物光合作用的效率降低 , 直至净光合速率为零 , 达到 CO2 浓度补偿点
(CO2 Compensation point) [6 ,7 ] 。所谓 CO2 补偿点 ,是指在光下植物光合过程所吸收 CO2 量与呼吸过程所释
放 CO2 量达到动态平衡时环境中的 CO2 浓度。当外界 CO2 浓度处于补偿点时 ,植物的光合速率与呼吸
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速率相等 ,即物质收支平衡 ,无干物质积累 ;当外界 CO2 浓度低于补偿点时 ,则光合速率低于呼吸速率 ,
植物不但不能积累光合产物 ,反而需要动用贮藏物质 ;只有在外界 CO2 浓度高于补偿点时 ,才能有效地
积累干物质[7 ] 。CO2 补偿点与植物同化碳素时最初阶段的 CO2 固定方式有关 ,不同植物的 CO2 浓度补
偿点有差别 ,C4 植物如玉米、高粱、甘蔗、苋菜等为低补偿点植物 ,其补偿点为 0～10μl·L - 1 ,C3 植物 ,如
大部分农作物、蔬菜和几乎所有林木 ,为高补偿点植物 ,其补偿点为 40～70μl·L - 1 [8 ,9 ] 。对具有高光呼吸
速率的 C3 植物 ,高 CO2 浓度可大幅度地提高它们的光合速率 ,这与高 CO2 浓度能提高 RuBP 羧化酶活
性 ,增强 RuBP 与 CO2 的结合能力以及抑制光呼吸对有机碳的逆转有着密切关系[5 ] 。C4 植物叶肉细胞
中的磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP)羧化酶与 CO2 有很强的亲和力 ,它催化 PEP 与 CO2 结合 ,把大气中低浓度
的 CO2 固定下来 ,再通过 C4 途径把 CO2 浓度提高并集中到维管束鞘细胞 ,供 C3 循环途径所利用[5 ] 。C4
植物对 CO2 的需求不像 C3 植物那样高 ,其光合作用对 CO2 响应的敏感性相对较差 ,故 CO2 浓度的升高
对 C3 植物的影响要远远大于对 C4 植物的影响[10 ] 。
2 　保护地和组织培养环境中 CO2 浓度变化
211 　保护地中 CO2 浓度变化
保护地内 CO2 的浓度因保护地设施结构、管理方法、栽培作物、土壤有机质含量及天气情况等因素
的不同而有所不同 ,但变化规律大致相同[11 ] 。保护地中 CO2 主要来自与自然界的气体交换、植物和土
壤中微生物呼吸释放、土壤中有机物分解等 ;CO2 又通过植物光合同化和与大气交换而被消耗[12 ] 。保护
地是一个密闭的环境 ,夜间是 CO2 的聚集过程 ,在清晨未通风前浓度最高达到 1000～5000μl·L - 1[13～16 ] ;
通风换气后浓度逐渐下降 ,由于保护地内作物种植密度高、生长势强、叶面积指数大 ,CO2 消耗速度快 ,
到上午 10 时左右便降到与大气中浓度相同的程度 ;有时午间 CO2 浓度可低到 70～80μl·L - 1 ,甚至低于
作物的 CO2 补偿点[13 ,17 ] ,然而此时保护地内的温度、光照条件都比较适宜 ,作物的光合作用应该是一天
中最强的 ,CO2 却远远不能满足需要 ,成为提高光合作用的主要限制因子[11 ] ;直到下午 4 时密闭以后保
护地内 CO2 浓度又逐渐开始回升[18 ] 。保护地中 CO2 的缺乏使作物的生长发育迟缓 ,并使作物的产量、
品质受到严重影响。
212 　组培容器中 CO2 浓度变化
不同培养条件下组培容器中的 CO2 浓度变化不同。崔瑾等试验表明 :正常培养条件下 ,对于葡萄
组培苗每天 7 - 19 时给予光照 ;19 时熄灯后组培苗由于呼吸作用使玻璃瓶中 CO2 浓度迅速升高 ,从 19
- 24 时 ,CO2 浓度由 210μl·L - 1上升至 1800μl·L - 1 。7 时开始光照 ,40min 后 ,CO2 浓度便从 1500μl·L - 1迅
速下降到 210μl·L - 1的起始水平 ,甚至到 CO2 补偿点[19 ,20 ] 。古在丰树等利用竹芋、猪笼草等不同植物和
不同容积的培养容器进行试验表明 :在开始光照的 1～2 h 内 CO2 浓度即由几千μl·L - 1迅速下降到 70～
90μl·L - 1 ,随后的光照期中都维持这种低浓度状态。到暗期又恢复到高浓度[21～24 ] 。组织培养微环境中
CO2 浓度的变化与保护地中的变化极其相似 (都为密闭 ,但在组培中的密闭条件更加严格 ,不同于保护
地中可以放风、换气) ,在组培条件下生长的小苗也同样具有一定的光合能力 ,而光照期间组培容器中
CO2 得不到及时补充使得组培苗长期处于 CO2 饥饿状态 ,且组培苗长期处于高湿、弱光条件下 ,严重影
响了光合作用 ,表现为组培苗较大田苗生长要细弱得多。目前组培苗长期靠培养基中的糖和人工光照
进行异养和兼养生长 (自养与异养同时进行) [25 ] ,限制了组培苗光合生产潜力的发挥 ,极不利于组培苗
的快速生长。
3 　CO2 对保护地植物和组培苗的影响
现在保护地 CO2 施肥技术在国内外已被广泛使用 ,主要应用在蔬菜、花卉及苗木上 ,一般在日出后
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2h 之内未放风时施用 ,浓度以 800～2000μl·L - 1为宜[11 ,12 ,26 ] 。增施 CO2 已得到了很好的效果 :增施 CO2
可以加速作物生长 (冠幅、高度增加、叶面积增大、叶片加厚、节间和叶柄加长、叶片气孔体积和数目增
加、叶片栅栏组织比例增加、提高叶片叶绿素含量、提高细胞膜的稳定性、干物质含量增加、茎粗增加、茎
干中次生木质部的生长轮加宽、材积增大、根系发达、生长加快、开花提早、花多且脱落少、生活周期缩
短、提早成熟等) ,增加作物产量 (果实种子增大) ,提高植物的光合速率和水分利用率 ,促进植物次生代
谢物质的形成和分泌 ,增强植物抗病能力和对环境胁迫 (如缺水、低光、盐害、缺肥、极端气温、空气污染
等)的抵抗力 ,改善作物品质[13 ,27 ,3 ,8 ,28 ,10 ,29～32 ] 。在保护地中利用 CO2 还可以克服和减轻十字花科蔬菜 (如
花椰菜、甘蓝、萝卜、白菜等)自交不亲和系的自交不亲和性 ,从而无需进行人工蕾期授粉 ,使其自然开花
授粉自交 ,获得原种种子 ,减少了大量劳力 ,大大降低了制种成本[33 ] 。另外 ,温室中增施 CO2 ,使 9 个月
的桦树苗产生雄花序 ,大大缩短了林木的育种世代间隔 ,在强化育种方面具有很大的作用[34 ] 。
目前 ,国内外关于在组培容器中施用 CO2 的研究和报道较少 ,崔瑾、丁永前等对“赤霞珠”葡萄组培
苗的研究表明 :光照期间 ,在容器中增施浓度为 800～1200μl·L - 1 CO2 后组培苗生长健壮 (叶片浓绿 ,茎
杆粗壮 ,茎色深红 ,主根长且粗 ,侧根多 ,黄白色) ;茎部细胞分化和植株整体发育提前 (株高增长、节间距
缩短、茎粗增加、茎部薄壁细胞增大、导管增粗、纤维组织开始形成、形成层明显发育、鲜重与干重均增加
和叶面积增大) ;提高繁殖系数 ,光合自养能力得到促进 ,生长发育具有明显的优势 ;植株的抗倒伏和茎
部输送物质的能力增强 ,从而使组培苗能更好地适应移栽后的外界环境 ,提高了植株的驯化成活
率[19 ,20 ,35 ] 。李宗菊等对满天星组培苗的研究也得到类似的结果[36 ] 。
另据报道乙烯的产生与培养基中植物激素的含量有关 :培养基中生长素、细胞分裂素、吲哚乙酸、
BA 及 KIN 含量的增加可促进乙烯产生 ,对器官分化、繁育起抑制作用[22 ,37 ] 。而 CO2 可抑制乙烯的产生 ,
延缓植株的衰老[38 ,39 ] ,促进植株的生长、发育。
4 　CO2 来源及施用技术
CO2 来源[13 ]一般有如下 4 种 : (1) 酒精酿造或从各种天然气中分离出的副产品 :即气态 CO2 、液态
CO2 及经加工而成的固体 CO2 干冰[40 ] ; (2) 化学分解 :用强酸与碳酸盐作用放出 CO2 气体[41 ,42 ] ; (3) 空气
分离 ,即将空气低温液化蒸发分离出 CO2 再加温压缩成液态 CO[13 ]2 ; (4) 碳素或碳氢化合物 :如煤、焦炭、
煤油液化石油气、天然气等通过充分燃烧生成 CO2 [43 ] 。
CO2 浓度检测方法目前常用的有红外 CO2 分析仪检测法[44 ] 、导电率检测法和化学检测法[14 ] (检测
剂测定法和碳酸氢钠溶液吸收比色法) 。
国内外在 CO2 施用装置 (环境控制技术)方面研究较少 ,日本的古在丰树[45～48 ] 主要通过增加培养箱
内 CO2 浓度 ,凭借箱体内 CO2 浓度与培养容器内气体浓度之差 ,通过渗透的方式向培养容器内增施
CO2 [49 ,50 ] 。国内该领域的研究还处于起步阶段 ,方法与国外基本相同[51 ,36 ] ,丁永前等自行设计制作了组
培环境 CO2 实时增施监控系统 ,将组培箱与培养容器直接贯通 ,并在适当位置安装一个 CO2 传感器 ,即
可测得组培苗周围的 CO2 浓度 ,并可根据需要随时更改 CO2 浓度设定值。该控制系统还能够进行培养
箱内 CO2 浓度的实时检测和记录 ,为后继的分析和研究工作提供了可靠的原始数据[20 ,35 ] 。
5 　问题与展望
有关组培过程中增施 CO2 的研究 ,目前国内外报道较少。但在保护地适时适量增施 CO2 对作物生
长、质量和产量形成所起的作用已为众多研究和实践肯定。因此对与其同样处于微环境下的组培容器
中增施 CO2 的价值和意义不可忽略。
实验证明 ,只要具有 20mm2 含有叶绿素的叶片 ,植物就能独立进行光合作用[52 ] ;组培快繁中所使用
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的材料基本上为带有一段茎及一片或数片叶片的植物体 ,组培材料完全有能力通过自养进行生长。因
此可以在培养基中不加或少加糖 ,通过在组培容器中增施 CO2 ,使组培苗在无糖或少糖培养基中自养生
长 ,实现组培的无糖或少糖培养 ;这不仅有利于组培无糖培养的产业化生产和降低组培苗的生产成本 ,
还可使组培苗充分进行光合作用 ,通过自身的生理调节 ,克服组织培养中的黄化、白化、褐化、玻璃化等
问题 ,从而起到加快组培苗生长速度和培育壮苗的目的 ,提高组培苗质量和移栽成活率。
目前的组培方法使用了含糖培养基 ,杂菌很容易侵入并在培养基中繁殖。杂菌一旦侵染 ,将很快在
培养基上繁殖 ,使培养植株枯死。为了减少因杂菌污染造成的培养植物损失 ,必须在无菌条件下采用小
型培养容器的繁杂手工接种等操作 ,这不利于组织培养的工厂化生产。而通过增施 CO2 实现无糖培
养 ,培养基中没有利于微生物生长的营养物质 ,可极大地降低污染发生率 ,在此情况下可用透光性好的
大型培养容器替代小培养容器 ,使环境控制 (如光照、温度、水分、养分、湿度和空气等) 及接种操作简便
易行 ,大大降低生产成本 ,实现工厂化生产。
对于低成本、少污染的 CO2 碳源及更适合组培的 CO2 缓释颗粒有待于进一步研究 ;对适合于组培
工厂化生产的 CO2 与其它环境因子的配合使用 (例如在培养基中加入一定量的稀土元素) 及施用方法、
施用装置和施用时期也需进一步探索。研究 CO2 对组培苗的影响时 ,应考虑到这种影响是由 CO2 浓度
升高造成 ,还是 CO2 浓度的变化只起到类似生长刺激素的作用。组培中增施 CO2 ,对苗体内激素的含量
和变化的研究在国内外尚为空白 ,CO2 在密闭环境中对组培苗影响的生理、生化机制研究也未见报道 ,
建议从事这些方面的研究。另外 ,在组培生产中如何系统的采用自动化、新材料、节能、环保等新技术 ,
并将系统工程学、核能学、电子工程学、材料工程学、精密仪器等学科的研究方法和成果加以应用 ,也是
今后的研究方向。
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3 　结论
采用60 Coγ射线对冻虾仁进行辐照灭菌 ,是目前国内外水产品冷冻加工中较为普遍采用的一种方
法。但对冻虾仁辐照灭菌后对其品质的影响未见详细的文献报道。本试验主要针对不同剂量辐照对其
主要品质进行了初步探讨 ,结果表明 ,维生素 A、E对辐射比较敏感 ,很容易被氧化 ;蛋白质、氨基酸和脂
肪酸对辐射的敏感性较钝化 ,辐照后与对照相比没有显著变化。根据维生素 A、E 对辐射敏感性程度综
合考虑 ,本研究建议生产厂家在辐照冻虾仁灭菌时 ,辐照剂量控制在 3～5kGy 为宜。
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