全 文 ：园 　艺 　学 　报 　2006, 33 (3) : 680～686
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期 : 2005 - 07 - 14; 修回日期 : 2005 - 09 - 21
基金项目 : 科技部升级改造项目 (JG2200326) ; 中国农业科学院科研基金项目3 通讯作者 Author for correspondence ( E2mail: yangqichang1@ vip1 sina1com)
植物光自养微繁技术研究进展
管道平　杨其长 3 　刘文科　肖　平　杨建荣
(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 , 北京 100081)
摘 　要 : 光自养微繁技术是一种全新的植物组织培养技术 , 从提出该理论至今 , 许多研究者已在光自
养微繁方面做了大量的尝试 , 使这一新技术逐步完善。本文对光自养微繁的研究进展进行了综述 , 介绍了
光自养微繁研究现状、研究热点、在种苗工厂化生产中的应用 , 并提出光自养微繁技术研究动向。
关键词 : 光自养微繁 ; 研究热点 ; 工厂化生产 ; 综述
中图分类号 : S 68　　文献标识码 : A　　文章编号 : 05132353X (2006) 0320680207
D evelopm en t of Research on Photoautotroph ic M icropropaga tion
Guan Daop ing, Yang Q ichang3 , L iu W enke, Xiao Ping, and Yang J ianrong
( Institu te of A gricultural Environm ent and Susta inable D evelopm ent, Ch inese A cadem y of A gricultural Sciences, B eijing 100081,
China)
Abstracts: The Photoautotrophic m icrop ropagation is a new technology in p lant tissue culture. This pa2
per reviewed the summary of the photoautotrophic m icrop ropagation research p rogress, p resent situation, A rou2
sing general interests, in seedling factory2p roduction app lication, and new research contents in the future.
Key words: Photoautotrophic m icrop ropagation; Research hotspots; Factory p roduction; Review
光自养微繁 ( Photoautotrophic m icrop ropagation) 技术又称无糖培养微繁 ( Sugar2free m icrop ropaga2
tion) 技术 , 是由日本千叶大学设施园艺与环境控制专家古在丰树教授在 20世纪 80年代末提出的。
一般认为在植物组织培养过程中的外植体是以培养基中添加的糖作为主要碳源进行异养或兼养生长 ,
糖被看作是植物组织培养中必不可少的物质 ; 古在丰树教授试验发现即使只有米粒大小的叶片都具有
一定的光合能力 , 在强光照和高二氧化碳浓度下 , 小植株完全能够进行光自养生长 , 提出了用二氧化
碳代替培养基中的糖作为植物组培苗碳源的光自养微繁理论〔1, 2〕。从提出该理论至今 , 许多学者已在
光自养微繁方面做了大量的研究 , 使这一新技术逐步完善 , 现将该技术的研究进展做一综述。
1　光自养微繁技术的特征
在传统的组织培养技术中 , 一直把培养基的配方作为研究的重点。包括培养基的类型、植物生长
调节剂的种类、各种植物生长调节剂在培养基中的含量和有机物质的添加等。而事实上 , 光照、温
度、湿度、CO2 浓度、植株的密度、培养容器中空气流速等环境因子都影响小植株的生长发育。随着
光自养微繁概念的提出 , 利用工程技术手段调控组培微环境的 CO2 浓度、光照、湿度等来提高微繁
苗的质量已成为组织培养技术研究的热点。光自养微繁技术的特征在于 : 采用人工环境控制技术 , 用
CO2 代替糖作为植物体的碳源 , 通过调控培养容器内的有效光量子流密度 ( Photosynthetic photon flux
density, PPFD)、CO2 浓度以及气流速度等来提高微繁苗的光合速率 , 从而促进植物的生长发育和快
速繁殖 ; 其技术创新在于依靠组培微繁苗本身的光合作用来自我调节生长速度 , 是植物组织培养的一
种全新的概念 , 是环境控制技术和组织培养技术有机结合的产物 , 它适用于具绿叶或叶绿体的幼嫩组
　3期 管道平等 : 植物光自养微繁技术研究进展 　
织的微繁殖。光自养微繁技术解决了培养容器中气体环境 (CO2 和乙烯 ) 差、易污染等问题 ; 与常
规组织培养相比 , 光自养微繁技术能提高组培微繁苗生长速度、增强品质、缩短培养时间并降低成
本。
2　光自养微繁研究现状
古在丰树把环境控制技术应用到植物组织培养中 , 开始了植物光自养微繁的研究与探索。光自养
微繁的目的是在短时间内获得大量的遗传基础相同、生理一致、生长发育正常、无病原菌的植株。随
着研究的深入及大量试验的成功 , 光自养微繁的可行性和优越性得到了肯定。光自养微繁理论与技术
也逐渐被人们所接受 , 光自养微繁技术也在各国开始得到传播应用 , 并已逐渐在生产中推广应用 , 试
验品种越来越多 (表 1)。
表 1　光自养微繁条件下植物组培试验品种
Table 1　Exper im en ta l spec ies for photoautotroph ic m icropropaga tion
品种
Species
支撑材料
Supporting medium
主要结论
Major findings
引用文献
References
马蹄莲 Zantedeschia aethiopica 蛭石 Verm iculite 促进植株生长和移栽成活率 ,降低生产成本 Imp roved 〔3, 4〕
p lantlet growth and survival ex vitro, reduced produce cost
咖啡 Coffea arabusta Florialite (蛭石和纤维的混合物 促进植株光合作用和移栽成活率 〔5, 6〕
A mixture of vermiculite and fiber) Enhanced p lantlet photosynthesis and survival ex vitro
桉树 Eucalyptus spp. Florialite 促进植物生长和移栽成活率 〔7～10〕
Imp roved p lantlet growth and survival ex vitro
甘薯 Ipom oea batatas Lam. Florialite、蛭石、蛭石 +纸浆 促进植株生长和净光合速率 ,提高移栽成活率 〔11～18〕
Vermiculite, Vermiculite +paper pulp Enhanced p lantlet gorwth, net photosynthesis and ex vitro
草莓 Fragaria ananassa Duchesne聚酯纤维 Polyester fiber 促进植株生长和光合速率 〔19〕
Enhanced p lantlet growth and photosynthesis
马铃薯 Solanum tuberosum 珍珠岩、玻璃纤维 促进植株生长和移栽成活率 ,降低生产成本 Imp roved 〔20, 21〕
Perlite, fiberglass p lantlet growth and survival ex vitro, cost was less than control
补血草 L im onium latifolium 珍珠岩 Perlite 促进植株生长和移栽成活率 ,降低生产成本 Improved 〔20〕
growth and survival ex vitro, cost was less than control
非洲菊 Gerbera jam esonii 珍珠岩 Perlite 植株生根快 ,健壮 ,叶片大 ,干物质含量高 〔22～24〕
Plantlets grew best in term s of root development, leaf area
and dry matter than control
西瓜 Cucum is m elo L. 蛭石 Verm iculite 植株生长快 ,净光合速率增加 ,移栽成活率高 〔25〕
Enhanced growth, net photosynthesis and survival ex vitro
芋 Colocasia esculen ta 琼脂 Agar 植株生长迅速 , POD活性增强 ,光合自养能力得到显著提高 〔26〕
Imp roved growth, increased POD activity and
photoautotrophic capacity
葡萄 V itis vinifera L. 琼脂 Agar 组培苗生长健壮 ,发育提前 ,光合能力促进 ,驯化成活率高 〔27〕
Enhanced growth, net photosynthesis and survival ex vitro
万年青 Rohdea japonica Roth 蛭石 Verm iculite 种苗质量优于常规组培 Quality of seedlings is superior 〔28〕
to that cultivated by conventional tissue culture
丝石竹 Gypsophila paniculata 珍珠岩 + 菜园土 光自养微繁的各项指标将接近于有糖培养 〔29, 30〕
Perlite + vegetable soil Sugar2culture p lantlet grow as well as that of sugar2containing
香石竹 D ianthus caryophyllus 珍珠岩、蛭石 根系发达 ,植株健壮 〔30〕
Perlite, verm iculite Imp roved growth and root develpment
3　研究热点领域
在光自养微繁条件下通过环境控制可以对植株的生长和发育进行调控 , 采用有环境控制和监控系
统的大型容器 , 在此基础上的技术改进有利于组培苗的商品化生产。
311　培养容器向大型化发展
培养容器是小植株生长的场所 , 是植物组织培养中最重要的影响因素之一。培养容器的材质、形
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状、体积、功能极大地影响小植株的生长。在传统的组织培养微繁殖中 , 由于培养基中糖的存在 , 为
了防止病菌的污染 , 一般是采用小的密封培养容器 , 常用的有玻璃试管、三角瓶、广口瓶以及各种塑
料器皿。光自养微繁由于在培养基中除去了糖 , 污染率降低 , 大型的培养容器能够使用。
最近 , 有关光自养微繁技术中采用带有强制性通风系统的大容器培养微繁苗已成为国内外研究的
热点。Fujiware等 1988年开发了 1种大型培养容器 (18 L) 和强制性通风系统 , 该装置还设计了自动
供应无菌营养液的控制系统。该容器提高了草莓在生根和驯化阶段的光自养微繁苗的品质〔19〕。1992
年 , Kubota等用带有多孔穴盘体积为 216 L的容器和强制性通风系统进行马铃薯苗的光自养微繁〔21〕。
1999年 , Heo等也开发了类似体积为 1218 L的容器进行马铃薯苗的光自养微繁〔11〕。为提高容器内微
繁苗的生长一致性 , 2001年 , Heo等设计了体积为 11 L的容器。在这个装置中 , 培养容器内的气体
分布均匀 , 植株生长整齐〔12〕。2000年肖玉兰等开发了体积为 125 L的特大容器 , 该装置已用于彩色
马蹄莲和非洲菊的工厂化生产〔20〕。这些研究表明 : 与传统的植物组织培养相比 , 采用带有强制性通
风系统的大容器进行光自养微繁培养能够显著提高组培苗的生长和发育。
312　光自养微繁环境调控研究
国内外研究人员对组培环境的调控技术做了很多有益的探索。M ichio等〔31〕和 Kozai等〔32〕对组培
环境的控制技术进行了研究 , 利用工程技术手段调节组培微环境的空气、光照、温度和湿度等环境因
子。Hayashi等研究开发了一套适用于组培苗驯化阶段的环境控制系统 , 该系统可以实现驯化室内温
度、相对湿度、光照强度、CO2 浓度和气流速度的综合控制〔33〕。Kitaya等利用蘑菇作为 CO2 发生器 ,
研究开发了一套独特的光自养组培系统〔34〕。1998年 Kozai和 Fujiwara研制出既能控制气体环境又能
控制培养基化学成分的组培设施〔35〕。2002年徐志刚 , 丁永前等在进行组培环境与规模化育苗设施环
境调控研究中 , 设计开发了一套基于生长模型的、半开放式的中小型组培设施及其环境自动化调控系
统 , 通过对组培箱内的 CO2 浓度、相对湿度以及光照强度的调控实现了对组培容器的间接调控〔36, 37〕。
肖玉兰等开发出组合式无糖组培快繁装置 , 该装置包括培养架、培养容器、供气系统、光照系统、气
体流量控制系统、CO2 浓度控制系统。装置分固定式和移动式两种〔30〕。
313　光照强度和 CO2 浓度的相关性研究
光照强度和 CO2 浓度是植物进行光合作用的最重要的两个环境因子 , 通过对这两个环境因子的
调控可以对小植株的光合作用产生重要影响。有研究表明 , 在低 CO2、高 O2 和弱光下不利于光合作
用 , 对试管苗生长不利〔38, 39〕。Kozai等提出在 1个强光照条件下富集 CO2 可促进组培小植株的生
长〔2〕。Nguyen等发现在高速率强制换气和高 PPF对咖啡组培苗茎和根的生长有抑制作用〔40〕。在培养
非洲菊时 , 肖玉兰等进行了高光照 ( 100μmol·m - 2 · s- 1 ) 和高 CO2 ( 3 920μmol·mol- 1 ) 试验 ,
发现使其叶面积、大叶片数和干样质量均比低光照 (35μmol·m - 2 ·s- 1、不加 CO2 ) 的高 , 且生根
率高 , 植株矮、粗壮 , 长势好〔22〕。徐志刚等定量分析了外环境中 CO2 浓度和光合光量子通量密度
( PPFD) 对无糖组培苗光合特性的影响 , 结果表明在使用透气率为 014的封口材料时 , 甘薯无糖组培
苗的光合作用在光合光量子通量密度为 250μmol·m - 2 ·s- 1和外环境 CO2 浓度为 8 735μmol·mol- 1
时最为适宜〔16〕。
314　微繁苗生长一致性调控研究
在光自养条件下 , 由于采用了大型容器培养 , 植株的栽培密度显著增加。例如 , 每平方米的栽培
面积可以培养 4 600株的马铃薯和 2 644株的桉树微繁苗〔8, 20〕。为了提高微繁苗生长和发育的一致性 ,
必须保证培养容器内环境条件的一致。由于 CO2 是光自养微繁系统中唯一的碳源 , 培养容器内的 CO2
浓度和空气流速是否均一是限制植物生长一致性的重要因子。在大型的培养容器内 , 如果仅仅进行强
制性通风 , 培养容器内的 CO2 浓度在进气口非常高 , 而在排气口浓度非常低 , 在进气口和排气口之
间 CO2 浓度存在着显著差异 , 导致容器内培养的植株生长不一致〔11, 41〕。主要原因为仅采用强制通风
措施是不能实现容器内环境条件均匀的。为了克服这个问题 , Zobayed等 1999年在强制通风系统的基
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础上开发了气体管道装置 , 在管道上按照一定比例打孔 , 其主要目的是提供均匀的 CO2 浓度、相对
湿度和气体流速〔15〕。Heo等 2001年也开发了类似的装置〔12〕。
315　支撑材料的研究
在大型培养容器内支撑材料在组织培养过程中起着关键的作用。在植物组织培养中 , 常常使用凝
胶类物质 (琼脂、卡那胶、塑胶等 ) 作为支撑材料 , 通常在这类培养基中植株根系瘦小、脆弱 , 且
非功能性根系增加 , 当移植到土壤中时容易被损坏〔42〕。而液体培养时 , 容易使植株根系缺氧 , 必须
在摇床上进行震荡培养 , 且液体培养易使小植株呈水浸状 , 产生玻璃化苗〔30〕。用多孔的培养材料代
替凝胶类物质可以极大的改善根区的环境和植物根系的组织结构 , 以聚乙烯发泡材料、岩棉、蛙石、
陶瓷纤维和植物纤维的扁平压制块作支撑材料 , 更有利于组培苗的生长〔30, 43, 44, 45〕。多孔培养基的高孔
隙度、高气体扩散性和高含氧量有利于组培苗的生长 , 而且在移栽驯化阶段也有较高的成活
率〔5, 7, 14, 15, 21〕。
316　有益微生物的应用研究
传统的离体培养基质含有高浓度的糖、盐和生长调节物质 , 培养基中高渗透压的环境条件抑制了
有益微生物 (有益细菌和菌根真菌 ) 的生存。微繁苗在无菌条件下繁育 , 缺少有益微生物的侵染 ,
导致微繁苗生长势弱、抗逆性差、移栽成活率低〔46〕。而光自养微繁技术依靠组培微繁苗本身的光合
作用来自我调节生长速度 , 培养基中不加入糖 , 同时降低了矿物质离子浓度的用量 , 为有益微生物的
生存提供了可能〔30〕。1996年 , Cassells等报道了在光自养条件下生根阶段接种丛枝菌根真菌对草莓微
繁苗植株生理品质的影响〔47〕, 2000年 , Duffy等研究了在光自养离体条件下接种丛枝菌根真菌对马铃
薯微繁苗品质的影响〔48〕。以上研究都表明 , 接种丛枝菌根真菌在提高微繁苗生长速度、生理状况和
品质上效果显著 , 并能提高后期产量。另外 , 光自养微繁技术对环境控制水平的要求高、成本较高 ,
菌根真菌能提高植株对环境因子的利用效率 , 降低植株对环境条件的要求和能量能耗。目前尚未见有
关在光自养微繁中丛枝菌根 —微繁苗互作机理的研究报道。在将来的植物光自养组培生产系统中 , 有
益微生物将扮演重要的角色。
4　光自养微繁技术在工厂化种苗生产中的应用
光自养微繁技术改革了传统的用糖作为碳营养和培养瓶作为培养空间的技术方法 , 增加了植物生
长和生化反应所需要的物质流的交换和循环 , 促进了植株的生长和发育 , 实现了微繁苗的优质生产。
同时 , 光自养微繁生产工艺简单 , 技术和设备的集成度高 , 降低了操作技术难度和劳动作业强度 , 使
该技术在工厂化种苗生产中得到了推广应用。2003年 , 肖玉兰等应用大型的培养容器和 CO2 强制性
供气系统 , 实现了非洲菊的优质苗工厂化生产。通过人工控制、动态调整优化植物生长环境 , 为种苗
繁殖生长提供适宜的 CO2 浓度、光照、湿度、温度等环境条件 , 促进了植株的生长发育 , 培养周期
缩短 40%以上。由于大幅度降低了植物组培过程中的微生物污染率 ; 而且植株的生根率、成苗率和
种苗质量显著提高 , 使得种苗驯化期间的成活率大幅度上升 , 驯化过程得以简化 , 与传统的组织培养
技术相比 , 种苗生产综合成本平均降低 30%〔30〕。
5　展望
光自养微繁技术培养的组培种苗与常规组培相比 , 在种苗质量及生产成本上具有明显的优势 , 在
植物种苗生产中具有广阔的应用前景。然而 , 该技术目前在生产中的应用规模很小 , 大多处于科研阶
段或中试水平。许多工程和生理生态方面的问题还没有完全解决 , 有待于各学科间的进一步交叉合
作。随着生物、工程、环境与信息等领域的技术突破 , 光自养微繁技术在未来的发展过程中将更多地
体现现代科技成果的集成与创新。为了实现光自养微繁技术的商业化生产 , 需要加强以下几个方面的
研究。
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511　光自养微繁过程中植物生物学机理研究。研究植株光自养生长的生理变化规律 , 优化培养条件 ,
开创新的以改进光自养生长为基础的高效益低成本的植物微繁生产系统。
512　人工光环境调控研究。通过荧光灯高效间歇补光、发光二极管等新型光源的研制 , 采用红光、
绿光、蓝光、远红外光源组合 , 配合植物光合所需要的 Hf (高频荧光灯 ) 光源 , 进行人工光环境调
控技术的研究。达到既能人工调控植株生长 , 又能减少光源发热量和系统的温度控制负荷的目的。
513　研究光自养微繁自动化生产工艺及配套设备。光自养微繁技术的发展需进一步与商业化生产相
结合 , 通过环境控制研究 , 实现光照、温度、湿度、CO2 浓度自动化调控 , 形成完善的生物技术快繁
生产体系。
514　完善温室配套驯化体系 , 获得高产优质的商品苗。充分利用我国的温室资源 , 使植物微繁苗驯
化体系走适合我国国情的产业化发展道路。
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