脫毒馬鈴薯霧化生產(chǎn)研究進(jìn)展

張德銀　廖霏霏　劉興貴　劉曉　周力

摘要 霧培法生產(chǎn)脫毒馬鈴薯是一種新型植物培養(yǎng)方法，與其他方法相比具有可控性、生產(chǎn)自動(dòng)化、成本低和效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于脫毒馬鈴薯原原種的生產(chǎn)。本文總結(jié)了近10年脫毒馬鈴薯霧培法生產(chǎn)過程中營(yíng)養(yǎng)液、生產(chǎn)管理方式、抗性、貯存和設(shè)備等方面的研究進(jìn)展，分析了目前存在的問題和今后的研究方向，以供參考。

關(guān)鍵詞 脫毒馬鈴薯；霧培法；營(yíng)養(yǎng)液；產(chǎn)量

中圖分類號(hào) S532 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）20-0060-02

目前，脫毒馬鈴薯原原種的生產(chǎn)方式主要有基質(zhì)栽培、水培和霧培。霧培法是1988年由Weathers等提出的一種新型植物培養(yǎng)方法，其原理是通過定時(shí)噴霧營(yíng)養(yǎng)液，使根系獲取生長(zhǎng)所需水分和養(yǎng)分[1]。與其他方法相比，霧培法具有可控性、生產(chǎn)自動(dòng)化、成本低和效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于脫毒馬鈴薯原原種的生產(chǎn)。近年來，對(duì)霧培法生產(chǎn)脫毒馬鈴薯種薯技術(shù)上的研究取得了更進(jìn)一步的成果。本文總結(jié)了近10年脫毒馬鈴薯霧化生產(chǎn)技術(shù)的主要研究進(jìn)展，以供參考。

1 營(yíng)養(yǎng)液研究

霧培法栽培技術(shù)是將植物根系懸空在無光的容器里，用霧化的營(yíng)養(yǎng)液定時(shí)噴灑根系，以獲得植物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)和水分。營(yíng)養(yǎng)液是霧培法的核心，為了獲得高產(chǎn)，大量研究者在根系營(yíng)養(yǎng)液配方上進(jìn)行研究，甚至有學(xué)者對(duì)葉面營(yíng)養(yǎng)液也有所研究。

1.1 根系營(yíng)養(yǎng)液

目前，用于馬鈴薯霧培的營(yíng)養(yǎng)液配方多以MS培養(yǎng)液為基礎(chǔ)，根據(jù)馬鈴薯生長(zhǎng)需要適當(dāng)調(diào)整N、P、K的含量和比例即可。孫海宏[2]篩選出最適合中早熟馬鈴薯品種的營(yíng)養(yǎng)液是3/4 MS溶液，最適合晚熟馬鈴薯品種的營(yíng)養(yǎng)液是MS營(yíng)養(yǎng)液，可見不同生育周期的馬鈴薯品種對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的需求不同。何 忠等[3]利用不同配方營(yíng)養(yǎng)液霧化生產(chǎn)微型薯，發(fā)現(xiàn)噴施3/4 MS營(yíng)養(yǎng)液的植株生長(zhǎng)發(fā)育中等，但合格薯率最高，爛薯率極低，而單株結(jié)薯數(shù)與利用MS營(yíng)養(yǎng)液差別不大。喬建磊[4]研究發(fā)現(xiàn)，營(yíng)養(yǎng)液中N、P、K 3種元素之間有耦合反應(yīng)，且與馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)系密切，通過篩選得出N、P、K含量比例為1.00∶0.28∶1.30時(shí)結(jié)薯最多。李繼嫚[5]以春薯4號(hào)品種作為材料，研究馬鈴薯不同生育期對(duì)營(yíng)養(yǎng)液配方的需求。結(jié)果表明，生長(zhǎng)初期不同營(yíng)養(yǎng)液配方對(duì)植株生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)的影響差異明顯，主要表現(xiàn)在植株可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和根系活力等方面；生長(zhǎng)后期不同營(yíng)養(yǎng)液配方間各有優(yōu)勢(shì)，綜合得出營(yíng)養(yǎng)液N、P、K含量比例為1.00∶0.32∶1.29對(duì)植株生長(zhǎng)發(fā)育后期最有利。韓忠才等[6]對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)液配方進(jìn)行比較，結(jié)果表明，配方KNO3 455 mg/L、Ca（NO3）2·4H2O 718 mg/L、K2SO4 257 mg/L、KH2PO4 254 mg/L、NH4NO3 296 mg/L、MgSO4·7H2O 554 mg/L對(duì)莖粗、匍匐莖數(shù)量及長(zhǎng)度、單株結(jié)薯數(shù)和>6 g種薯所占比例等表現(xiàn)顯著優(yōu)于其他配方。

1.2 葉面營(yíng)養(yǎng)液

馬鈴薯塊莖的形成和膨大需要大量營(yíng)養(yǎng)成分。為了在產(chǎn)量上達(dá)到最大化，葉面營(yíng)養(yǎng)液噴施是一個(gè)有效途徑，生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑和葉面肥的噴施是常用方法。目前在此方面的研究中，已報(bào)道的關(guān)于大田馬鈴薯葉面營(yíng)養(yǎng)的研究較多，而關(guān)于霧培馬鈴薯葉面營(yíng)養(yǎng)的研究甚少，但大田研究對(duì)霧培應(yīng)用具有借鑒作用。丁 凡等[7]研究發(fā)現(xiàn)，同時(shí)進(jìn)行葉面營(yíng)養(yǎng)處理和根系營(yíng)養(yǎng)處理能促進(jìn)馬鈴薯植株對(duì)N、P、K的吸收，其含量在后期塊莖中較高，而分配率低，表明在增產(chǎn)上仍有較大潛力；而僅葉面營(yíng)養(yǎng)處理后吸收的N、P、K大部分都能分配到塊莖，表明塊莖是三元素的最終貯存器官。許淑娟等[8]于馬鈴薯初花期對(duì)葉面噴施不同濃度的烯效唑，發(fā)現(xiàn)葉面噴施烯效唑能促使葉片葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和凈光合速率提高，20 mg/L烯效唑處理能顯著增強(qiáng)馬鈴薯植株光合作用。鄒曾碩等[9]在葉面噴施KH2PO4對(duì)微型薯產(chǎn)量影響的探索中發(fā)現(xiàn)，葉面噴施1～5 g/L KH2PO4能明顯增加匍匐莖數(shù)量和1 g以上種薯數(shù)量，其中KH2PO4濃度為4 g/L時(shí)效果最好，其大薯率最多、單株產(chǎn)量最高。

2 生產(chǎn)管理方式研究

馬鈴薯器官建成直接影響馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)，因而在馬鈴薯霧培研究中，研究者通常會(huì)對(duì)植株葉片、匍匐莖、塊莖等進(jìn)行特殊處理，以增加產(chǎn)量。李 標(biāo)等[10]采用去葉和下放植株的方式探討了源器官調(diào)控對(duì)馬鈴薯植株生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明，2種方式均能明顯促進(jìn)植株伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，同時(shí)會(huì)極顯著降低植株莖粗、分枝數(shù)、單株匍匐莖數(shù)。方貫?zāi)鹊萚11]利用槽內(nèi)打頂整根技術(shù)掐掉霧培馬鈴薯過長(zhǎng)匍匐莖頂端和腋芽化的匍匐莖后，匍匐莖大量生成，提高了種薯產(chǎn)量和質(zhì)量。隨后，劉 偉等[12-13]研究表明，摘除匍匐莖尖端、一次匍匐莖、多級(jí)匍匐莖均能誘導(dǎo)大量新匍匐莖產(chǎn)生，除去一級(jí)塊莖能提高匍匐莖形成和塊莖膨大速率。由此可知，采用多次采收方式可以刺激匍匐莖多發(fā)，從而增加產(chǎn)量。唐道彬等[14]在馬鈴薯結(jié)薯對(duì)光的響應(yīng)機(jī)理研究中發(fā)現(xiàn)，光調(diào)控能提高凈光合速率等參數(shù)，促進(jìn)根莖葉生長(zhǎng)，以及提早馬鈴薯匍匐莖與塊莖的形成和增加其數(shù)量。高 旭等[15]研究表明，馬鈴薯植株定植3節(jié)和打頂2次均能促使匍匐莖多發(fā)，以及增加塊莖數(shù)量和質(zhì)量。汪翠存等[16]利用帶根苗和頂端扦插苗進(jìn)行霧培，結(jié)果表明，與頂端扦插苗相比，帶根苗具有更強(qiáng)的匍匐莖形成能力，能提早完成形態(tài)器官的建設(shè)。柳巧霞等[17]研究發(fā)現(xiàn)，棚內(nèi)環(huán)境溫度越高、噴霧時(shí)間越長(zhǎng)，植株生長(zhǎng)越快，若根據(jù)溫度變化進(jìn)行間隙性遮陽，能促進(jìn)植株莖粗和葉面積，從而提高產(chǎn)量。

3 抗性研究

由于霧培馬鈴薯植株的根系暴露在空氣中，容易受到環(huán)境溫度和水分的影響。為了摸清霧培馬鈴薯的抗性機(jī)理，研究者做了很多試驗(yàn)研究。于海業(yè)等[18]、喬建磊[19]的研究發(fā)現(xiàn)，適宜濃度的鈣素可提高霧培馬鈴薯幼苗的抗寒性，表明鈣素在馬鈴薯幼苗抵御冷害的生理調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮著重要作用，同時(shí)低鉀脅迫對(duì)植株葉片光補(bǔ)償點(diǎn)和暗呼吸速率影響顯著。邱孟柯等[20]發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下馬鈴薯幼苗生長(zhǎng)發(fā)育受到明顯抑制，隨后用黃腐酸進(jìn)行處理后減輕了干旱脅迫對(duì)幼苗的傷害，并提高了整體抗旱性。同年，李繼嫚[5]在營(yíng)養(yǎng)液中N、P、K比例對(duì)植株抗性影響試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)N、P、K比例的適當(dāng)調(diào)整能提高其對(duì)高溫弱光和低溫弱光環(huán)境的抵抗能力。

4 貯存研究

霧化生產(chǎn)的微型薯含水量很高，對(duì)收獲后的處理及貯存條件要求嚴(yán)格。微型薯采收后必須清洗干凈表皮，并用0.5%多菌靈溶液浸泡10 s，攤開陰干，防止表皮上營(yíng)養(yǎng)液和菌落富集導(dǎo)致爛薯。楊 芳等[21]利用石蠟切片法對(duì)馬鈴薯塊莖切片，發(fā)現(xiàn)微型薯采收后24 d木栓層細(xì)胞厚度較采收后3 d增加了86.3%，木栓層細(xì)胞寬度卻降低了40.1%，長(zhǎng)度增加24.5%，木栓層細(xì)胞表現(xiàn)為扁平、排列緊密、層數(shù)增加，其致密性明顯增強(qiáng)，表明木栓化基本完成，是貯存的最佳時(shí)期。郭靜[22]指出，為了防止霧培微型薯貯存時(shí)出現(xiàn)皺縮和腐爛，冷庫(kù)的最適溫度為2～4 ℃、最適濕度為80%。

5 設(shè)施設(shè)備研究

霧培法是目前生產(chǎn)微型薯效果最好的方法，但由于其成本、技術(shù)等條件而阻礙了其快速發(fā)展和應(yīng)用[23]。因此，許多研究者開始研究生產(chǎn)設(shè)備和管理方式的自動(dòng)化、可視化和智能化等。周國(guó)雄等[24]設(shè)計(jì)了一套以超聲波霧化器為核心的智能控制系統(tǒng)，可根據(jù)棚內(nèi)環(huán)境變化及時(shí)自動(dòng)調(diào)控。同年，劉佳[25]設(shè)計(jì)了一款通過對(duì)相應(yīng)的電磁閥進(jìn)行調(diào)控從而控制營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率和酸堿度的調(diào)控系統(tǒng)，很好地解決了營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)的調(diào)控問題。2017年，針對(duì)營(yíng)養(yǎng)液霧滴大小和霧化量對(duì)植株生長(zhǎng)的影響等問題，劉彬[26]設(shè)計(jì)了超聲霧化固定栓以控制霧滴粒徑大小。同年，劉曙光等[27]設(shè)計(jì)了一套日光溫室霧培生產(chǎn)系統(tǒng)，此系統(tǒng)可保證各區(qū)域管路的終端壓力變化在3%以內(nèi)，栽培床內(nèi)和貯存的營(yíng)養(yǎng)液溫度差異均小于2 ℃，栽培床內(nèi)濕度變化小于1%，營(yíng)養(yǎng)液回流時(shí)間不超過30 min，最終穩(wěn)定植物生長(zhǎng)環(huán)境。

6 存在的問題及展望

霧培法生產(chǎn)脫毒馬鈴薯是一項(xiàng)新型的生產(chǎn)技術(shù)，其涉及環(huán)節(jié)主要有設(shè)備控制系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液配制、生產(chǎn)管理、收獲和貯存。在不同地域、不同季節(jié)、不同生育期，馬鈴薯對(duì)營(yíng)養(yǎng)液pH值和營(yíng)養(yǎng)液中各元素的含量、比例的需求不同，有待進(jìn)一步探索。有研究表明，秋季適合生產(chǎn)晚熟品種，春季適合生產(chǎn)早熟品種，且秋季是原原種繁育的最適季節(jié)；而有研究者發(fā)現(xiàn)，一些地區(qū)由于秋季氣溫高，秋冬季交叉時(shí)間極短，冬季氣溫回暖早，春季霧培馬鈴薯生產(chǎn)時(shí)間較秋季長(zhǎng)，且溫度較秋季低，種植特點(diǎn)剛好相反，但不同地區(qū)、不同季節(jié)究竟適合哪些品種還需深入探索。此外，為避免營(yíng)養(yǎng)液污染，一般每周更換1次，營(yíng)養(yǎng)液更換頻率較快，而馬鈴薯植株吸收的營(yíng)養(yǎng)占配制營(yíng)養(yǎng)液的比例極低，僅20%左右，營(yíng)養(yǎng)液利用率極低，如何用最少的成本獲得最大的產(chǎn)量還需繼續(xù)研究。現(xiàn)有霧培環(huán)境更多的是考慮光照強(qiáng)度、溫度和濕度，忽視了二氧化碳濃度等因素，而多個(gè)環(huán)境因素具有相互作用，對(duì)植株生長(zhǎng)也有影響。在霧培栽培系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)是關(guān)鍵技術(shù)之一，如何將自動(dòng)化、可視化和智能化成熟應(yīng)用于馬鈴薯霧培生產(chǎn)還需深入研究。

針對(duì)馬鈴薯霧培近年的研究現(xiàn)狀及存在的主要問題，未來的研究重點(diǎn)將是馬鈴薯不同生長(zhǎng)環(huán)境和不同生育期對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的需求差異、營(yíng)養(yǎng)液利用率、環(huán)境因素相互作用對(duì)生產(chǎn)的影響，以及栽培環(huán)境中自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)多傳感器信息的在線融合、手機(jī)APP遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制等方面。最終，可根據(jù)馬鈴薯不同生長(zhǎng)環(huán)境及不同生長(zhǎng)階段所需營(yíng)養(yǎng)的不同，利用智能系統(tǒng)設(shè)置營(yíng)養(yǎng)液配比、多種環(huán)境因素等，真正實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化調(diào)節(jié)、智能化控制，使馬鈴薯產(chǎn)量達(dá)到最大值。

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