书城科普读物新编科技大博览(A卷)——蓬勃发展的现代农业
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第17章 作物栽培与育种(6)

在农业生产中,由于计算机在各个环节通力协作,大大减轻了从事农业生产的劳动强度,按科学化来满足植物“所求”,既降低了生产成本,又提高了农作物产量。展望未来,计算机将给农业生产带来一场史无前例的革命。

离开土壤种庄稼

种庄稼不用土,是人类创造出的一个奇迹。所以,当1929年,美国人利用营养液种出了一棵7.5米高的西红柿,并收获果实14公斤时,整个世界都轰动了。人们把无土栽培看做是20世纪最伟大的科学进步之一。

1945年,驻扎在伊拉克和巴林的英国空军,发现这里的土壤不适合种粮食后,改用无土栽培法,为自己解决了吃饭的大问题。

如今,无土栽培技术已广泛应用于大田作物、蔬菜、水果、花卉、药用植物,甚至牧草的生产。荷兰是全球最大的鲜花生产国,它的国土不仅大片地种植鲜花,还推广发展无土栽工厂化的无土栽培蔬菜培技术。用这个方法培养出的香石竹香味浓郁,开花时间长,花还特别多,叶片也似乎更结实强健。无土栽培对荷兰的鲜花生产仿佛神力相助,使它的出口更受欢迎。谁都知道,各国对生物的环境有着严格的规定,不仅花、果要严格检疫,连根部所带的土壤都受到限制,因为这里也很可能隐藏着危害极大的昆虫、细菌和病毒等,所以,人们日益希望进口无土栽培的鲜花。我国要想大量出口花卉,也必须走无土栽培的道路。

无土栽培生产的水果、蔬菜不但个大、色艳、口味好,又因不施农药而成为无公害产品,最宜生吃。无土栽培节水节肥,和它相比,在土壤里种植庄稼要多耗7倍以上的水和2倍以上的肥料。无土栽培法因供给植物充足的水肥,产量远远高于土壤栽培,如西红柿每亩收几万公斤,是土植法的20倍左右;豌豆亩产近1500公斤,亦为土植法的9倍之多。小地块出高效益,总的来看,省工省力,节约能源。另外,这种种植方法是把农业生产工业化了,不受季节和地理条件的限制,还能向空中和地下发展。说不定有朝一日,人们会在潜水艇和宇宙飞船里用无土栽培法种庄稼呢!

人工种子

农业生产中使用的天然种子,一般都是由种被、胚乳和胚3部分构成。种皮通常在种子的外层起保护作用;胚乳含有大量的营养物质,是种苗萌发生长不可缺少的营养来源;胚由胚芽、胚轴、胚根和子叶构成,将来发成植株。农业生物技术的发展,通过组织培养技术,可把植物组织的细胞培养成在形态及生理上与天然种子胚相似的胚状体,也叫作体细胞胚。

科学家把体细胞胚包埋在胶囊内形成球状结构,使其具备种子机能。所以,人工种子是一种人工制造的代替天然种子的颗粒体,可以直接播种于田间。从广义上讲,人工种子技术包括体细胞胚生产、体细胞包裹、人工种子贮藏、人工种子制造机械等众多技术内容。从狭义范围讲,人工种子技术只包括体细胞胚生产和体细胞胚包裹(人工胚乳和人工种皮)技术。生产高质量的体细胞胚是人工种子制作的关键。从目前的研究结果来看,还并不是所有的植物种均开发出了体细胞胚培养发生技术。不同植物的体细胞的培养亦有难易。在生产人工种子时,要求体细胞胚具有与天然种子相比拟的成株率,甚至超过天然种子,这就是所说的高质量人工种子。体细胞胚的包裹是关系到人工种子萌发、贮藏和生产与应用等重要环节。对体细胞胚包裹要求做到:首先,不影响体细胞胚萌发,并提供其萌发与成苗所需的养分和能量,即起到胚乳的作用;其次,使体细胞胚经得起生产、贮存、运输及种植过程中的碰撞,并利于播种,即起到种皮的保护作用;最后,人工种子培育的芹菜胚芽针对植物种类和土壤等条件,满足对人工种子的特殊需要。为了满足上述要求,要有针对性地在包裹剂中加入大量养分、无机盐、有机碳源、植物市场上出现了许多用生物技术培育的新型蔬菜生长调节剂,以及农药、抗菌素和有益菌类。人工种子充分利用了快繁技术的优势,又吸收了对植物生长发育和农业生物技术研究的先进成果。具有以下5个优点:一是人工种子繁殖速度快。人工种子中的体细胞胚是通过组织培养法生产的,故能以很快的速度繁殖生产体细胞胚。以胡萝卜为例,用一个体积为12升的发酵罐在20天内生产的胡萝卜体细胞胚可制作1000万粒人工种子,可供几万亩地种植,这就大大地节省了种子。此外,人工种子的包裹层是通过化学方法生产的,不存在生物生产的任何限制;二是可望获得整齐一致的植物苗,有利于农业生产的规范化、标准化和机械化管理。大量人工种子来源于同一植株的体细胞,不存在任何遗传变异问题;三是缩短育种周期、加速良种繁育速度。在新品种选育过程中,利用人工种子技术,只需有一株优良单株便可大量繁殖,这样将大大加速杂交一代杂种的应用速度,扩大应用规模和范围;四是人工种子还具备一些天然种子不具备的功能。人工种子的胚乳和种皮,构以胡萝卜为例,用一个体积为12升的发酵罐在20天内生产的胡萝卜体细胞胚可制作1000万粒人工种子成了体细胞胚胶囊。在胶囊中可根据不同植物的需要配制最优的营养,还可加入某些农药、微生物、除草剂等防止病害、杂草发生。这样,就可使其具备天然种子不具备的功能,从而使其具有特殊的价值;五是人工种子便于贮藏和运输,适合机械化播种。

人工种子是通过人工的方法制造的,它的体积小(通常仅几毫米),故占用空间小、操作方便,非常便于贮藏和运输。人工种子的均匀度高,有利于机械化播种。随着农业生物技术,尤其是组织培养和细胞培养技术的发展,人工种子将成为新世纪高科技种子业中的主导技术之一,在农业生产中发挥重要作用。

贮存种子的新方法

贮存种子的新方法主要包括以下几种:用地下冷库和液氮罐存贮种子。在美国科罗拉多州柯林斯堡的种子库实验所的地下冷库和液氮罐里,存有24万余种植物的种子,这些种子大部分是温带作物种子,储存时把它们晒干,冷藏,或者放在液氮里深冻,以阻止细菌繁殖,把种子细胞本身活动降至最低限度。用这种办法能够保存集中的大量植物基因,挽救诸如研究和探索贮存种子的先进方法,对于农业的发展乃至于人类的生存具有重要的意义耐旱和抗虫害这样一些特性,挽救整个物种使之免遭灭绝。

用氧化亚氮处理种子有些热带作物种子颗粒较大,含水分多,低温冷冻会使它们脆弱的组织形成冰晶而遭毁坏,因此存贮这些种子不能用低温冷冻办法。美国农业部化学家索瓦发现,用氧化亚氮(即笑气)处理这些种子,可使种子细胞的呼吸器内吸附氧的酶结构发生微小改变;这反过来又大大降低用氧产生能量供细胞活动的速度。细胞的活动因此降至很低程度,从而使损耗放慢。索瓦通过实验得知,在由80%的氧化亚氮组成的空气里,种子的呼吸降至它通常呼吸率的一半。她用这种办法已成功地贮存了荔枝和龙眼大戟的种子达3个月,而不是通常的1个月。如何使这些种子的存贮时间进一步延长,是她正在继续研究的新课题。

在北极圈贮存粮食——设在罗马的国际植物遗传资源委员会和联合国粮农组织植物遗传资源委员会,正在组织实行一项在北极圈永久冻土里为子孙后代贮存世界最重要粮食作物的种子的计划。他们的目的是把这些种子深藏在挪威斯匹次卑尔根岛上的一个废弃的矿井内,这里的永久冻土保证温度低于-35℃。矿井的进口海拔为150米,矿井顺水平面伸入一个山麓。矿井内有些区域的温度低至-7℃。植物学家们认为,在-3℃下,豇豆种子的活力可保持800年,大麦300年,苹果100年,但榆树种子只能保持14年。如果上述矿井启用,在一些更冷的区域还可以进一步延长种子的寿命。

种子贮藏按瑞士一个种子库的方针管理,各国只能存取它自己的“安全贮存箱”中的种子。这些贮存箱里装有主要粮食作物的种子和对该国具有独特经济重要性的种子。

此外,联合国粮农组织还在考虑在秘鲁安第斯山和中国喜玛拉雅山的冰川下面搞另外的廉价长期贮存种子的建议。