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作物化学控制原理与技术讲义第页1讲稿课程名称：化学调控授课学时：30学时（24+6）适用专业：植物科技学院本科（2003年度）任课教师：郑殿峰黑龙江八一农垦大学作物化学控制原理与技术讲义第页2序言多年来，农业生产在不断发展，作物产量有了一定的提高，品质也有所改善。但是，随着我国人口的增长和人们生活水平的提高，尤其是我国加入WTO组织以后，对作物的产量和品质的要求越来越高，因此，如何使作物优质高产已成为急待解决的问题。实践证明，单靠传统的作物栽培手段已不能满足当前形势的需要，只有与化控技术有机结合起来，才能实现作物的高产、超高产。所以说，化控技术应用前景十分广阔。第一章作物化学控制概述§1作物化学控制的概念、性质及任务一、有关化学控制的概念1、化学控制——应用植物生长调节剂，通过影响植物内源激素系统，调节作物的生长发育，使其朝着人们预期的方向和程度发生变化的技术。上述概念中阐述了化学控制的手段、机理、结果三个方面。2、植物激素——是指植物体内天然存在的一类化合物，它的微量存在便可影响和有效调控植物的生长和发育，包括从生根、发芽到开花、结实和成熟等一切生命过程。（简言之，植物激素是指植物体内产生的，可以在植物体内运输的，用很低浓度能起很大作用的化学物质。）3、植物生长调节剂——是人工合成的一些与天然植物激素有类似生理和生物学效应的有机物质。4、植物生长物质——植物生长调节剂和植物激素的总称。（二者在化学结构上可以相同，也可能有很大不同，不过其生理和生物学效应基本相同。）二、作物化学控制的性质1、作物化学控制是应用学科，它广泛应用于农业生产中。2、作物化学控制是交叉学科，它是植物生理学、作物栽培学和农作物化学控制原理与技术讲义第页3药合成的交叉学科。三、作物化学控制的任务认识植物激素的作用机理，研究植物激素的作用与功能，同时，主要针对大田作物体内植物激素和植物生长调节剂进行合成、筛选和评价。四、作物化学控制基本原理它不同于植物生理，是从植物生理基础出发，最终形成一个完善成熟的技术，其发展方向是借助于作物化控栽培工程（是90年代初李丕明和何钟佩两位先生提出的），把农业生产过程变成可控的，并可以以人的意志为转移的，趋向于工业生产的可控过程。五、作物化学控制实例§2作物化学控制技术的发展历史及应用的重大进展在讲述作物化学控制技术的发展历史及应用进展之前，首先看一下植物激素在植物体中的发现及其作用特点一、植物激素的发现及其作用特点1植物激素按发现的先后顺序依次是：生长素（1928年）、赤霉素、细胞分裂素、乙烯、脱落酸。2作用特点：根据作物的生长发育过程，证明了没有植物激素就没有植物的生长发育，植物激素贯穿于植物生长的一生。可用下图表示：促进萌发（GA）种子植株（根、茎、叶、花、果实）打破休眠（GA、CTK、CH2=CH2三者协同作用）均受不同激素控制a根：b茎：c叶片：物应用后可以使叶角减小、改善株型、增加透光。作物化学控制原理与技术讲义第页4d花：e果实：二、化控技术的发展历史及应用进展第一例生长调节剂（PGRs）是用乙烯、乙炔促进菠萝开花；较大的进展是在1945年以后，当时最有代表性的应用是促进果树插枝生根，这是20世纪40年代最有代表性的技术；在此以后，世界范围内发展状况如下：50年代用MH（青鲜素）防止马铃薯洋葱的块茎鳞茎等发芽；60年代用矮壮素最早防止的是小麦倒伏，接着是在棉花上防止徒长（需严格用量）；70年代用乙烯利促进棉花催熟及防止玉米倒伏；80年代用缩节安控制棉花的生长发育（这是对于双子叶植物），但是在小麦玉米等禾本科作物上其效果没有前者好；90年代研制的调节剂较多，用多效唑、壮丰安、烯效唑（效果好于多效唑，厂家不同效果不同）。多效唑主要用于水果、油菜、水道育秧上，而后两者主要用于禾本科植物的倒伏上。实践证明，广谱性的调节剂不存在，要根据不同作物不同生理需要来生产使用。有些调节剂如杭州水稻所推出来的多效唑药物残留量大，只是在水田中表现还不明显，后来又研制出烯效唑由于其应用剂量小，所以说残留量不大，现在正逐步取代多效唑。§3作物化控技术在开发农作物遗传和生理潜力上的功能一、化控技术中控制的内涵：二化控技术与传统技术的关系㈠、区别1、传统的栽培措施是针对作物生长的外部环境来调控（如水肥管理、中耕松土、清楚有害生物等）；作物化学控制原理与技术讲义第页5而化控技术则是通过控制内部生理变化来调控（如通过施用植物生长调节剂来控制发育，其目的是通过改变作物的生长使其适应环境）。2、传统的栽培措施是采用强迫手段，对植株个体作人工或机械修整（如烟草种子的厚种皮在栽前去掉、棉花的整枝、小麦的镇压、果树的修整等）；而化控技术则是通过施用外源激素来改变作物内源激素系统从而来调控作物的生长发育（其主要是开发作物自身的如对干旱高温低温等逆境的免疫能力减轻不良条件对其的伤害）。3、在应对乏策方面，传统技术都留有余地（如水肥等），作物的生产潜力不一定完全发挥出来；而化控技术则能够最大限度发挥作物的生产潜力，从而发挥最大的经济效益。㈡、联系二者的目的是相同的，不是相互对立的，而是取长补短互相融合的，这样就形成了新的体系即化控栽培工程。㈢、化控技术与常规技术的关系1化学控制与改变基因型的育种工作起互补作用；2化控技术使改善环境的措施，趋于完善或发挥更大效益，促进常规技术革新；3化控技术可减少或免除机械修整植株，并提高劳动生产率。三、作物化控技术在开发农作物遗传和生理潜力上的功能.（一）化控技术与改变基因型的育种工作起互补作用育种工作改变作物的基因；化控技术与其工作互补。1、化控技术可以诱导出与基因作用产生相同的效应。如：2、化控技术可以使品种适应多变的气候，扩大种植范围，提高稳产的保险系数。（在抗逆育种中，应用化控技术意义重大。）3、化控技术可以修饰品种，促进品种优良性状的表达。作物化学控制原理与技术讲义第页64、化控技术可提高作物的抗生物逆境（包括病、虫等）能力。5、解决育种或制种程序上的某些疑难问题（包括杀雄，花期，水稻的不育系、恢复系、保持系的三系制种。）。如：a化学杀雄：b杂交水稻制种：c无籽果实的产生：6、控制性别分化（二）化控技术使改善环境的措施趋于完善或发挥更大效益，并促使某些传统措施革新（三）化控技术可以解决耕作制度改革中的一些难题，有利于多熟种植的施行由于我国土地资源有限，人口众多，要想满足人们的需要，必须充分利用现有资源，使耕地满负荷运转，从而使产量提高，但高产也有高风险相伴。如一年两熟种植区，由于后期低温，使二次耕作物产量明显下降。但是，应用化控技术可以使产量提高，使高产高风险转化为高产低风险。（四）化控技术可以增加产量，提高产品的质量和经济效益1增加产量：2提高产品质量和经济效益：3提高商品价值：（五）化控技术能够诱导开花和调整花期（六）化控技术可以提高劳动生产率，免除或减少机械修整植株我国在农业生产中，手工操作多，如整枝、打杈、除草、收获等。而国外多是机械化，如在美国均是化学整枝、化学除草。据统计，每亩棉田在中国、前苏联、美国所需劳动力分别是40个、5个、0.5个。在生产中发现以下几个问题：作物化学控制原理与技术讲义第页71在我国用DPC代替整枝打杈等没有推广开，与我国农业机械化程度落后有关。2除草剂是在调节剂的应用过程中才发现的，如2，4—D在小剂量时是调节剂，但大剂量时是除草剂（用于多阔叶林的除草）。3从脱叶到收获，在美国使用脱叶剂较多，因为它有不同的收获机械。从以上可以看出，在我国，如果调节剂推广后，可大大提高劳动生产率。§4未来展望：作物化控技术——最具开发潜力的研究领域植物生长调节剂的应用已对我国农业生产做出巨大贡献。但就其研究深度、应用范围和规模与其具备的潜力相比较，这些成就只能说是初步的。随着农业生产的发展，对农业技术的要求越来越高。实现“三高”农业面临严峻挑战。必须调动一切可行因素，来解决这些问题。由于植物生长调节剂具备以上介绍的那些特点，能够对作物施行基因诱导表达调控、生理调控和农业性状调控。所以说，从长远来看，植物生长调节剂是最具潜力、最具开发前景的研究领域。今后在农业生产上必将发挥越来越重要的作用。本领域近期研究的主要目标是：1加速推广现已研制成功并确实在农业生产上有实际效益的生长调节剂，使科研成果迅速转变为生产力。2开发研制新型高效生长调节剂。在科学实验基础上进行合理混配，找出具有相同或相加效果的剂型。同时开展多方位试验，以确定它的作用、效果、使用时期和方法，实用作物及其毒性和残留等。3在有条件的单位深入开展激素作用机理研究，如基因表达和信号转导机制等，为新型植物生长调节剂的研制和开发奠定基础。第二章植物激素系统与植物生长发育的化学控制§1植物激素的概念、种类及主要生理作用作物化学控制原理与技术讲义第页8一、植物激素的概念植物激素——是指植物体内产生的，可以在植物体内运输的，用很低浓度能起很大作用的化学物质。二、植物激素的种类及其生理作用1、生长素（IAA）最初在1880年，C.Darwin首先提出了植物中存在某种物质，从顶端向下运转到伸长区，刺激并引起生长的现象。在1928年Went通过琼脂上胚芽鞘的变化实验证明了这种物质能够从胚芽鞘尖端向茎部运输，促进生长，从此确定了生长素的存在。生理作用如下：①促进细胞伸长②促进细胞的分裂与分化③促进发根和不定根的形成④促进开花⑤促进果实形成，诱导形成（无籽果实）单性结实。⑥促进顶端优势（抑制侧芽生长）⑦促进脱落⑧促进着果和肥大生长此外，IAA还有以下作用：促进酶活性提高（纤维素酶、葡聚糖酶、果胶甲酯酶、ATP酶）；促进核酸、蛋白质合成；形成生长素结合蛋白，参与信号转导；促进基因表达。2、赤霉素（GA）生理作用如下：①促进茎和叶鞘的伸长生长②促进丛形植物抽薹如：花仙子等，但未必能开花。③促进细胞伸长与分裂④诱导花芽形成作物化学控制原理与技术讲义第页9⑤打破种子、块茎、休眠芽的休眠，促进发芽。⑥诱导单性结实，形成无籽果实。如：葡萄、黄瓜、番茄等已在生产上应用。⑦延缓衰老，与生长素有类似效果。⑧促进顶端优势3、细胞分裂素（CTK）它的种类很多，至少30多种。生理作用如下：①促进细胞的分裂和扩大，促进细胞质的分裂，单核细胞可以使组织扩大。②可诱导芽的分化IAA高浓度利于生根，CT高浓度利于生芽。③解除顶端优势，在侧芽处用它可抑制侧芽的生长。④可以打破休眠，促进芽的萌发。⑤延缓叶片衰老这是它特有的作用，衰老时叶片黄化，是由于根系在生育后期上面开花结果形成细胞分裂素较少，致使叶黄化脱落。⑥诱导同化物定向运输（促进物质从老组织向幼组织运输）在已黄化叶片部位用CT诱导可使其过几天后变绿。⑦可促进结实（促进果实肥大、增加雌花，增加坐荚）可诱导产生无籽果实（以上IAA、GA、CT均可产生无籽果实）。⑧促进气孔开放以上可以看出，抑制植物生长的物质和促进植物生长的物质是同时存在的。应该注意，酚类物质虽然可以抑制植物生长，但由于其在植物体内含量较高，故不能称为植物激素。4、脱落酸（ABA）从1940年以后便知道，在马铃薯块茎等一些植物的休眠芽中存在引起休眠和阻止生长的物质，称为阻碍物质β。1963年，E.F.Addicott、大熊和彦单离出与棉花脱落有关的物质，命名为脱落作物化学控制原理与技术讲义第页10素Ⅰ和Ⅱ。同年确定了该物质的结构，并成功地进行了合成。另一方面，英国人P.E.Wareing发现在鸡爪槭叶片中存在能引起休眠的物质，命名为休眠素。现已查明，其精致过的物质与脱落素Ⅱ属于同一种物质。1967年，一直将此而种相同的物质称为脱落酸。①促进休眠（阻止发芽、促进休眠芽的形成）ABA可诱导多年生的树木种子休眠，其在多年生的种子中含量高。②促进脱落（幼果、幼叶）③促进气孔关闭④脱落酸可以抑制细胞生长，促进乙烯形成，与GA、IAA具有诘抗的作用。⑤促进单性结实，果实肥大，生长（蔷薇）。⑥促进短日照植物花芽形成（矮牵牛）⑦防止未成熟种子过早穗发芽⑧诱导耐胁迫基因表达；参与植物信号转导；调节膜和细胞壁结构；促进亲水性保护分子形成，维持mRNA稳定；抑制α—淀粉酶的形成。此外，