一种加快马铃薯组织培养幼苗块茎膨大的光环境调控方法

摘要

本发明提供了一种加快马铃薯组织培养幼苗块茎膨大的光环境调控方法。该方法将继代接种后的马铃薯组织培养幼苗在全人工光源条件下进行培养；以光质光谱积分百分比计，所述全人工光源包括：0～30％的红光以及70～100％的蓝光，所述蓝光和红光的百分比之和为100％；所述蓝光的峰值波长为430～480nm，所述红光的峰值波长为610～660nm。本发明将蓝光和红光的比例调节在合适范围内，以此来调节马铃薯组培苗(试管苗)内源激素的合成和分布，实现光环境加快马铃薯组培苗(试管苗)块茎膨大的进程，减少激素使用量，提升能源利用效率，降低生产成本，同时覆盖范围广且针对性强。

说明书

技术领域

本发明属于组织培养技术领域，具体涉及一种加快马铃薯组织培养幼苗块茎膨大的光环境调控方法。

背景技术

组织培养是农业上常见的一种无性繁殖技术，在无菌条件下将生物离体器官、组织或细胞置于培养基内，然后于适宜的环境中，通过连续培养以获得细胞、组织或个体，实现种质资源的脱毒、快繁、储藏、保质、保纯及反季节生产。该技术通常采用的是人工立体栽培式植物工厂控制方式，其中主要的光源来源为人工光环境。在诸多环境因子中，光对植物细胞、组织、器官的生长和分化有着极其重要的作用。光是植物生理代谢、发育繁殖的基本环境因素，光源的光质作为植物生长发育的重要调控因子，直接或间接地影响植物激素的合成和运输。植物组织培养过程中从外植体愈伤组织诱导到形成完整植株的各个形态建成阶段均受到光质的影响，且不同植物的不同组织培养阶段对光质的反应也不同。

现有技术中，一般在生产马铃薯试管薯(原原薯)时，常常通过加入各类激素来实现生产目的，当生产目的(如延缓组培苗生长或加快组培苗生长)不同时，往往需要将组培苗(试管苗)重新继代接种、净化多代后，再开展相关生产工作，导致生产过程相对较长，成本高，且对操作人员的技术水平(激素添加量等)要求较高。目前有研究表明，黑暗是诱导试管马铃薯的关键条件，但长时间的黑暗会导致马铃薯试管苗黄化，无法进行光合作用，不能形成光合产物，直接影响试管马铃薯块茎的膨大。因此，在试管马铃薯的诱导阶段，有必要在黑暗中加入一定时段的光照，从而恢复试管苗的光合作用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种加快马铃薯组织培养幼苗块茎膨大的光环境调控方法。该方法为植物组培工厂加快马铃薯块茎膨大，促进马铃薯微型原原薯结薯提供科学合理的光源提供方案，减少外源激素使用量的同时，缩短生产周期，提升生产效率。

为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种加快马铃薯组织培养幼苗块茎膨大的光环境调控方法，包括以下步骤：

将继代接种后的马铃薯组织培养幼苗在全人工光源条件下进行培养；

以光质光谱积分百分比计，所述全人工光源包括：0～30％的红光以及70～100％的蓝光，所述蓝光和红光的百分比之和为100％；所述蓝光的峰值波长为430～480nm，所述红光的峰值波长为610～660nm。

优选地，以光质光谱积分百分比计，所述全人工光源包括：0～25％的红光以及75～100％的蓝光，所述蓝光和红光的百分比之和为100％。

优选地，所述培养的过程中，组培瓶外部接收到的光照强度为50～200μmol/(m

优选地，所述培养的过程中，组培瓶内部接收到的光照强度为30～150μmol/(m

优选地，以24h为一个周期计，所述全人工光源在一个周期内的光照时间为8～16h。

优选地，所述培养的过程中环境温度为18～23℃，环境湿度为20～40％。

优选地，所述培养的过程中组培瓶瓶内的湿度为40～70％。

优选地，所述全人工光源为点状光源、条状光源或平板光源中的任意一种。

优选地，所述全人工光源为条状光源，相邻两个条状光源间的距离为0.1～0.5m，所述条状光源距组培瓶顶端的高度为0.1～0.25m。

优选地，所述条状光源的出光角度为90°～120°。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种加快马铃薯组织培养幼苗块茎膨大的光环境调控方法。该方法在遵循植物生长规律的前提下，通过调节马铃薯组培苗(试管苗)培养过程中人工光环境中各波段光质(蓝光和红光)及其比例，其中蓝光可以缩短节间距、促进茎叶横向伸展及次生代谢产物的积累，红光可以促进分蘗，增加叶绿素、类胡萝卜素以及促进碳水化合物的合成积累，本发明将蓝光和红光的比例调节在合适范围内，以此来调节马铃薯组培苗(试管苗)内源激素的合成和分布，实现光环境加快马铃薯组培苗(试管苗)块茎膨大的进程，减少激素使用量，提升能源利用效率，降低生产成本；

(2)本发明提供的加快马铃薯组织培养幼苗(试管苗)块茎膨大的光环境调控方法可用于多个品种，如克新1号、希森3号、希森6号等，覆盖范围广。实际应用时，可根据目前植物组培工厂的不同设施条件，结合外界温度、湿度环境变化情况，制定出与其对应的加快马铃薯组织培养幼苗(试管苗)块茎膨大的光环境调控方法；

(3)该方法的针对性强，可以针对加快马铃薯组培苗(试管苗)快茎膨大，促进马铃薯组培苗(试管苗)结出微型原原薯，制定适宜的光环境调控方案。

附图说明

图1a为点状光源的安装侧面示意图；图1b为条状光源的安装侧面示意图；图1c为平板光源的安装侧面示意图；

图2为实施例1中克新1号试管苗在LED光源人工光环境下照射48d后的块茎膨大情况图；

图3为实施例3中希森3号二代试管苗接种45d后的块茎膨大情况图；

图4为实施例4中希森6号二代试管苗接种45d后的块茎膨大情况图；

图5为对比例1中克新1号试管苗在LED光源下照射48d后的茎基部膨大情况图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术中，生产马铃薯试管薯(原原薯)存在生产过程相对较长，成本高，且对操作人员的技术水平要求较高的问题，本发明提供了一种加快马铃薯组织培养幼苗块茎膨大的光环境调控方法，包括以下步骤：

将继代接种后的马铃薯组织培养幼苗在全人工光源条件下进行培养；

在本发明中，以光质光谱积分百分比计，所述全人工光源包括：0～30％的红光以及70～100％的蓝光，所述蓝光和红光的百分比之和为100％；所述蓝光的峰值波长为430～480nm，所述红光的峰值波长为610～660nm。在本发明中，以光质光谱积分百分比计，所述全人工光源优选包括：0～25％的红光以及75～100％的蓝光，所述蓝光和红光的百分比之和为100％。在本发明的一些实施方案中，所述全人工光源更优选为100％的蓝光。

本发明在遵循植物生长规律的前提下，通过调节马铃薯组培苗(试管苗)培养过程中人工光环境中红光和蓝光的比例来调节马铃薯组培苗(试管苗)内源激素合成和分布的影响，实现光环境加快马铃薯组培苗(试管苗)块茎膨大进程，减少激素使用量，提升能源利用效率，降低生产成本。有望为植物组培工厂提供科学合理的光源提供方案，减少外源激素使用量的同时，加快生产周期，提升种薯的生产效率。

LED光源人工光环境能发出植物所需且有效利用率可达80％～90％的波段，并实现对不同光质和发光强度的单独控制，满足了设施农业中对光源设备的特殊需求。除此之外体积小、产热少、质量轻、寿命长等显著特征也表明LED光源适合应用于植物组织培养、设施农业与工厂化育苗及航天生态生保系统等种植密度较高的人工调控植物栽培环境。

在本发明中，所述培养在组培瓶中进行，所述全人工光源可以是点状光源、条状光源或平板光源中的任意一种。其中，所述条状光源相较于点状光源或平板光源而言，产热相对较少，照射更加均匀，经济投入成本低，容易控制，因此本发明更优选采用条状光源。在本发明的一些实施方案中，当采用条状光源作为全人工光源的照射形式时，相邻两个条状光源间的距离为0.1～0.5m，可以是0.1m、0.15m、0.2m、0.25m、0.3m、0.35m、0.4m、0.45m或0.5m等，所述条状光源距组培瓶顶端的高度为0.1～0.25m，可以是0.1m、0.15m、0.2m或0.25m等，所述条状光源的出光角度为90°～120°，可以是90°、95°、100°、105°、110°、115°或120°等。在本发明的一些实施方案中，当采用平板光源作为全人工光源的照射形式时，平板光源距组培瓶顶端的高度为0.1～0.25m，可以是0.1m、0.13m、0.2m或0.25m等，所述平板光源的出光角度为60°～120°，可以是60°、70°、80°、90°、100°、110°或120°等。在本发明的一些实施方案中，当采用点状光源作为全人工光源的照射形式时，点状光源距组培瓶顶端的高度为0.5～2.0m，可以是0.5m、0.75m、1.0m、1.25m、1.5m、1.75m、或2.0m等，所述点状光源的出光角度为90°～160°，可以是90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°或160°等。

在本发明的一些实施方案中，在采用具有上述光质的全人工光源时，为了保证马铃薯组培苗(试管苗)块茎膨大，优选将组培瓶外部接收到的光照强度控制为50～200μmol/(m

光照时间的长短会直接决定光合阶段光密度的累积量，从而影响到光合作物产量的累积量。光密度累积量和马铃薯试管苗的产量成正相关。而马铃薯试管苗的产量不仅包含薯块数量，更重要的是关注单薯重量。诱导马铃薯试管苗后，持续高效的光合作用可以促使更多的光合产物转运到试管马铃薯中，加快马铃薯试管苗持续膨大，收获高产量的马铃薯试管苗。因此，在本发明的一些实施方案中，以24h为一个周期计，所述全人工光源在一个周期内的光照时间为8～16h，可以是8h、9h、10h、11h、12h、13h、14h、15h或16h等。本发明对于每次光照之间的间隔没有特定的要求，可以连续照射8～16h或者任意选择间隔进行照射，只要满足照射的总时间为8～16h即可。在本发明的一些实施方案中，也可以采用植物组培工厂中常用的“2+1”模式进行照射，即光照2h，然后黑暗1h，以此为一个周期进行循环照射。

在本发明的一些实施方案中，所述培养的过程中环境温度为18～23℃，优选为20～23℃，环境湿度为20～40％，优选为20～35％，更优选为20～25％。所述培养的过程中，所述组培瓶瓶内的湿度为40～70％，优选为40～50％。

本发明对上述培养的时间没有特别的限制，主要是将马铃薯组织培养幼苗(试管苗)置于上述技术方案中涉及的LED光源人工光环境中进行照射，监测不同时间下马铃薯组织培养幼苗(试管苗)的根茎膨大情况。

经研究，本发明提供的加快马铃薯组织培养幼苗块茎膨大的光环境调控方法可用于多个品种，如克新1号、希森3号、希森6号等，覆盖范围广。实际应用时，可根据目前植物组培工厂的不同设施条件，结合外界温度、湿度环境变化情况，制定出与其对应的加快马铃薯组织培养幼苗(试管苗)块茎膨大的光环境调控方法。

同时，本发明提供的加快马铃薯组织培养幼苗块茎膨大的光环境调控方法针对性强，可以特异性针对加快马铃薯组培苗(试管苗)快茎膨大，促进马铃薯组培苗(试管苗)结出微型原原薯。

为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例中所用的克新1号马铃薯组培苗、希森3号二代马铃薯组培苗、希森6号二代马铃薯组培苗均由内蒙古自治区马铃薯工程技术研究中心提供。

下述实施例中点状光源、条状光源和平板光源的安装侧面示意图如图1所示，其中图1a为点状光源的安装侧面示意图；图1b为条状光源的安装侧面示意图；图1c为平板光源的安装侧面示意图。其中，A1、A2、A3分别为点状光源、条状光源和平板光源的安装位置；B1、B2、B3分别为测试组培瓶外部光照强度的位置；C1、C2、C3分别为测试组培瓶内部光照强度的位置；α为点状光源、条状光源和平板光源的出光角度，单位为°；H为点状光源、条状光源和平板光源距组培瓶顶端的高度；l为相邻两个人工条状光源间的距离。

实施例1

本实施例提供了一种加快马铃薯组织培养幼苗(试管苗)块茎膨大的光环境调控方法，在以人工光环境为主光源的植物组培工厂中，即组培苗(试管苗)生长过程中获得的光能量全部由人工光环境提供，并不涉及太阳直射光。在上述植物组培工厂中种植马铃薯组培苗(试管苗)时，所述光环境调控方法具体为：

将克新1号马铃薯组培苗(试管苗)在继代接种后，将组培瓶置于LED光源人工光环境下，所述人工光环境是光质光谱积分百分比100％的蓝光，所述蓝光的峰值波长为430～480nm。所述组培瓶外部光照强度为180μmol/(m

在上述植物组培工厂中，各层组培架上安装的是条状光源，相邻两个人工条状光源间的距离均为l，H为光源距组培瓶顶端高度，单位为m；α为人工光源出光角度，单位为°。本实施例中，α＝120°；H＝0.15m；l＝0.17m。

在实施例1的人工光环境下，克新1号接种48d后的块茎膨大情况如图2所示，可以看出采用实施例1的人工光环境进行照射，克新1号的块茎可逐渐膨大。针对在人工光环境下生长的试管苗(克新1号)的块茎直径进行统计，结果如下表1所示(马铃薯膨大形状常为椭圆或圆形，长直径指的是通过连接椭圆上的两个点所能获得的最长线段，也叫大直径。)：

表1

由表1数据可知，在实施例1中的人工光环境下生长的试管苗(克新1号)的块茎的长直径大多数在3～4mm，甚至部分试管苗的块茎的长直径可达到8mm以上。

实施例2

本实施例提供了一种加快马铃薯组织培养幼苗(试管苗)块茎膨大的光环境调控方法，在以人工光环境为主光源的植物组培工厂中，即组培苗(试管苗)生长过程中获得的光能量全部由人工光环境提供，并不涉及太阳直射光；在上述植物组培工厂中种植马铃薯组培苗(试管苗)时，所述人工光环境调控方法具体为：

将克新1号马铃薯组培苗(试管苗)在继代接种后，将组培瓶置于LED光源人工光环境中，所述人工光环境是光质光谱积分百分比为20％的红光、80％的蓝光，所述红光的峰值波长为610～660nm，蓝光的峰值波长为430～480nm。所述组培瓶外部光照强度为150μmol/(m

在上述植物组培工厂中，各层组培架上安装的是条状光源，相邻两个人工条状光源间的距离均为l，H为光源距组培瓶顶端高度，单位为m；α为人工光源出光角度，单位为°。本实施例中，α＝120°；H＝0.15m；l＝0.20m。

针对实施例2中在人工光环境下生长的试管苗(克新1号)的块茎直径进行统计，结果如下表2所示：

表2

由表2数据可知，在实施例2中的人工光环境下生长的试管苗(克新1号)的块茎的长直径大多数在3～4mm，部分试管苗的块茎的长直径在6～8mm，少量可达到8mm以上。

实施例3

本实施例提供了一种加快马铃薯组织培养幼苗(试管苗)块茎膨大的光环境调控方法，在以人工光环境为主光源的植物组培工厂中，即组培苗(试管苗)生长过程中获得的光能量全部由人工光环境提供，并不涉及太阳直射光；在上述植物组培工厂中种植马铃薯组培苗(试管苗)时，所述光环境调控方法具体为：

将希森3号二代马铃薯组培苗(试管苗)在继代接种后，将组培瓶置于LED光源人工光环境中，所述人工光环境是光质光谱积分百分比为10％的红光、90％的蓝光，所述红光的峰值波长为610～660nm，蓝光的峰值波长为430～480nm。所述组培瓶外部光照强度为120μmol/(m

在上述植物组培工厂中，各层组培架上安装的是平板光源，H为光源距组培瓶顶端高度，单位为m。本实施例中H＝0.13m。

在实施例3的光环境下，希森3号二代接种45d后的块茎膨大情况如图3所示，可以看出采用实施例2的光环境进行照射，希森3号二代的块茎可逐渐膨大。

针对实施例3中在人工光环境下生长的试管苗(希森3号第二代)的块茎直径进行统计，结果如下表3所示：

表3

由表3数据可知，在实施例3中的人工光环境下生长的试管苗(希森3号第二代)的块茎的长直径大多数在3～4mm，部分试管苗的块茎的长直径在6～8mm，少量可达到8mm以上。

实施例4

本实施例提供了一种加快马铃薯组织培养幼苗(试管苗)块茎膨大的光环境调控方法，在以人工光环境为主光源的植物组培工厂中，即组培苗(试管苗)生长过程中获得的光能量全部由人工光环境提供，并不涉及太阳直射光。在上述植物组培工厂中种植马铃薯组培苗(试管苗)时，所述光环境调控方法具体为：

将希森6号二代马铃薯组培苗(试管苗)在继代接种后，将组培瓶置于LED光源人工光环境中，所述人工光环境是光质光谱积分百分比为25％的红光、75％的蓝光，所述红光的峰值波长为610～660nm，蓝光的峰值波长为430～480nm。所述组培瓶外部光照强度为86μmol/(m

在上述植物组培工厂中，各层组培架上安装的是点状光源，H为光源距组培瓶顶端高度，单位为m；α为人工光源出光角度，单位为°。本实施例中，α＝160°；H＝1.2m。

在实施例4的光环境下，希森6号二代接种45d后的块茎膨大情况如图4所示，可以看出采用实施例4的人工光环境进行照射，希森6号二代的块茎可逐渐膨大。

针对实施例4中在人工光环境下生长的试管苗(希森6号二代)的块茎直径进行统计，结果如下表4所示：

表4

由表4数据可知，在实施例4中的人工光环境下生长的试管苗(希森3号第二代)的块茎的长直径大多数在3～4mm，部分试管苗的块茎的长直径在6～8mm，少量可达到8mm以上。

对比例1

本对比例提供了一种加快马铃薯组织培养幼苗(试管苗)块茎膨大的光环境调控方法，在与实施例1条件相同的以人工光环境为主光源的植物组培工厂中，即组培苗(试管苗)生长过程中获得的光能量全部由人工光环境提供，并不涉及太阳直射光。在上述植物组培工厂中种植马铃薯组培苗(试管苗)时，唯一区别是在培养马铃薯组培苗(试管苗)提供的人工光环境均为全可见光连续光谱。该对比例中的马铃薯组培苗(试管苗)包括克新1号、希森3号二代和希森6号二代、所述组培瓶顶端接收到的人工光环境总光照强度和光照时间，以及培养环境温度、湿度均与实施例1相同。接种48d，监测试管苗的块茎膨大情况。

在对比例1的LED光源照射下，克新1号接种48d后的块茎膨大情况如图5所示，可以看出克新1号的枝叶生长比较茂盛，而块茎无膨大趋势。

将本对比例1与实施例1相比较，发现实施例1中马铃薯组培苗(试管苗)在接种后48天茎基部膨大直径最大可达8.0mm，长直径大于3.0mm的数量占78.15％。

针对对比例1中在人工光环境下生长的试管苗(克新1号)的块茎直径进行统计，结果如下表5所示：

表5

由表5数据可知，对比例1中马铃薯组培苗(试管苗)在接种后48天后茎基部并没有出现明显膨大状态，茎基部直径均小于3mm，明显低于实施例1。

对比例2

本对比例提供了一种加快马铃薯组织培养幼苗(试管苗)块茎膨大的光环境调控方法，在与实施例1条件相同的以人工光环境为主光源的植物组培工厂中，即组培苗(试管苗)生长过程中获得的光能量全部由人工光环境提供，并不涉及太阳直射光。在上述植物组培工厂中种植马铃薯组培苗(试管苗)时，唯一区别是在培养马铃薯组培苗(试管苗)提供的人工光源为适宜马铃薯组培苗(试管苗)缓慢生长的光谱，所述人工光源按光质光谱积分百分比包括33％的所述红光、33％的所述蓝光、33％的所述绿光，所述红光的峰值波长为610-660nm，所述蓝光的峰值波长为430-480nm，所述绿光的峰值波长为540-560nm，所述组培瓶顶端接收到的人工光环境总光照强度和光照时间，以及培养环境温度、湿度均与实施例1相同。接种48天，监测试管苗的块茎膨大情况。

将本对比例2与实施例1相比较，发现实施例1中马铃薯组培苗(试管苗)在接种后48天茎基部膨大直径最大可达8.0mm，长直径大于3.0mm的数量占78.15％。

针对对比例2中在人工光环境下生长的试管苗(克新1号)的块茎直径进行统计，结果如下表6所示：

表6

由表6数据可知，在对比例2提供的人工光环境的照射下，马铃薯组培苗(试管苗)在接种48天后茎基部直径大于3mm的数量仅占36.11％。

对比例3

本对比例提供了一种加快马铃薯组织培养幼苗(试管苗)块茎膨大的光环境调控方法，在与实施例1条件相同的以人工光环境为主光源的植物组培工厂中，即组培苗(试管苗)生长过程中获得的光能量全部由人工光环境提供，并不涉及太阳直射光。在上述植物组培工厂中种植马铃薯组培苗(试管苗)时，唯一区别是在培养马铃薯组培苗(试管苗)提供的人工光源为适宜马铃薯组培苗(试管苗)缓慢生长的光谱，所述人工光源按光质光谱积分百分比包括50％的所述红光、30％的所述蓝光、10％的所述绿光、10％的全可见光连续光谱；所述红光的峰值波长为610～660nm，所述蓝光的峰值波长为430～480nm，所述绿光的峰值波长为540～560nm，所述组培瓶顶端接收到的人工光环境总光照强度和光照时间，以及培养环境温度、湿度均与实施例1相同。接种48天，监测试管苗的茎基部膨大情况。

将本对比例3与实施例1相比较，发现实施例1中马铃薯组培苗(试管苗)在接种后48天茎基部膨大直径最大可达8.0mm，长直径大于3.0mm的数量占78.15％。

针对对比例3中在人工光环境下生长的试管苗(克新1号)的茎基部直径进行统计，结果如下表7所示：

表7

由表7数据可知，在对比例3提供的人工光环境的照射下，马铃薯组培苗(试管苗)在接种48天后茎基部均小于3mm，明显低于实施例1。

所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。