冰核细菌和植物霜冻PPT课件

1、 生物冰核和植物霜冻生物冰核和植物霜冻冰核细菌与防霜冻技术冰核细菌与防霜冻技术冰核细菌的其他应用冰核细菌的其他应用植物霜冻的原因植物霜冻的原因第1页/共20页植物霜冻的原因植物霜冻的原因低温使作物受到低温使作物受到不同程度的伤害不同程度的伤害以至死亡，按照以至死亡，按照低温的不同程度低温的不同程度、作物受到寒害、作物受到寒害可分为冷害与冻可分为冷害与冻害两大类。害两大类。冻害：温度下降到冰点以下，植物体内水分结冰，因之霜害与冰害都属于冻害。第2页/共20页结冰的原因结冰的原因过冷却状态过冷却状态：水在摄氏零度以下仍能保持液体状态的现：水在摄氏零度以下仍能保持液体状态的现象象, ,叫作过冷却状态

2、。小体积纯水可过冷却到叫作过冷却状态。小体积纯水可过冷却到-40-40而而不结冰。不结冰。冰核冰核：水从液态向固态转变需要一种称为冰核的物质来：水从液态向固态转变需要一种称为冰核的物质来催化，。由水分子自身形成的冰核称催化，。由水分子自身形成的冰核称同质冰核同质冰核, ,它在它在- -4040时催化水结冰时催化水结冰; ;非水分子形成的冰核称为非水分子形成的冰核称为异质冰核异质冰核。非生物冰核催化水结冰温度都在非生物冰核催化水结冰温度都在-10-10左右，如碘化银左右，如碘化银-8-8, ,高岭土高岭土-9-9, ,尘埃颗粒尘埃颗粒-10-10。为什么很多时候，植物在为什么很多时候，植物在-2

3、-2 5 5就发生霜冻就发生霜冻了呢？了呢？第3页/共20页 1974年Maki首次从赤杨树叶中分离到一类细菌能使值物体内的水在-2-5结冰而发生霜冻,后被称为冰核细菌(Ice nucleation active bacteria,简称INA细菌) 1988年Kieft首次发现一种在具有冰核活性地衣真菌。这些冰核细菌和冰核真菌产生的冰核称为生物冰核,在-2-5条件下具有冰核活性,是自然界冰核活性最强的异质冰核。冰核细菌的发现引起人们的关注，国内外大量研究证明,在自然界广泛存在着冰核活性细菌,它可在-2-3诱发植物细胞水结冰而发生霜冻;无INA细菌存在的植物,一般可耐-6-7的低温不发生或发生轻

4、微霜冻。因此,这一发现为研究和防御植物霜冻开辟了一条新途径。第4页/共20页第5页/共20页生物冰核和植物霜冻生物冰核和植物霜冻 生物冰核的一般性质生物冰核的一般性质 生物冰核的成核活性是由冰核基因赋予的。冰核主要组生物冰核的成核活性是由冰核基因赋予的。冰核主要组成部分是冰蛋白成部分是冰蛋白,其次有糖类、脂类、多胺等。一般是其次有糖类、脂类、多胺等。一般是质量越大的冰核质量越大的冰核,成冰活性越强。成冰活性越强。 不同生物及其不同种属产生的冰核是有差异的不同生物及其不同种属产生的冰核是有差异的,其成冰其成冰活性也有所不同。活性也有所不同。 冰核生物一般在温度较低的条件下产生冰核。冰核生物一般在

5、温度较低的条件下产生冰核。 不同生物产生的冰核不同生物产生的冰核,其稳定性是不同的。其稳定性是不同的。第6页/共20页 生物冰核和植物霜冻生物冰核和植物霜冻 保持过冷却状态是植物对付低温逆境以保存自己的一种保持过冷却状态是植物对付低温逆境以保存自己的一种能力。生物冰核会打破过冷却状态能力。生物冰核会打破过冷却状态, ,诱发植物体内水分诱发植物体内水分结冰结冰, ,使不耐结冰的和中度耐结冰的植物发生霜冻害。使不耐结冰的和中度耐结冰的植物发生霜冻害。无菌的植株能保持过冷到无菌的植株能保持过冷到-6-6 -7-7, ,而接种冰核菌的而接种冰核菌的植株在植株在 -3-3就发生结冰而造成霜冻害。因此就发

6、生结冰而造成霜冻害。因此, ,生物生物冰核是诱发植物霜冻的一个重要因素。冰核是诱发植物霜冻的一个重要因素。 自然降雨和人工灌溉都会使低洼地的水分比平地多自然降雨和人工灌溉都会使低洼地的水分比平地多, ,空空气较湿润气较湿润, ,植物较柔嫩植物较柔嫩, ,有利于冰核菌繁殖有利于冰核菌繁殖, ,霜冻前生物霜冻前生物冰核数比平地高倍冰核数比平地高倍, ,是霜害较重的一个原因。是霜害较重的一个原因。 生物冰核使植物霜冻害加重是因为它们开始发生结冰的生物冰核使植物霜冻害加重是因为它们开始发生结冰的时间较早时间较早,到日出升温前结冰持续时间较长到日出升温前结冰持续时间较长,致使细胞膜致使细胞膜伤害较重的缘

7、故。伤害较重的缘故。第7页/共20页冰核细菌与防霜冻技术冰核细菌与防霜冻技术 除去生物冰核有助于植物保持过冷却状态而防除去生物冰核有助于植物保持过冷却状态而防止霜冻。现已查明止霜冻。现已查明, ,田间作物叶片上的生物冰田间作物叶片上的生物冰核绝大多数是冰核细菌产生的。霜冻发生前不核绝大多数是冰核细菌产生的。霜冻发生前不但要把已有的冰核除去但要把已有的冰核除去, ,而且要使冰核菌不再而且要使冰核菌不再产生新的冰核产生新的冰核, ,才能起到防霜的作用。才能起到防霜的作用。第8页/共20页1）药剂防霜）药剂防霜 研制或筛选防除研制或筛选防除INA 细菌的药剂，必须具有杀灭细菌的药剂，必须具有杀灭IN

8、A 细菌和破细菌和破坏冰蛋白成冰活性的功能，方能取得防霜效果。坏冰蛋白成冰活性的功能，方能取得防霜效果。 美国用一羧酸脂化丙烯酸聚合物喷洒叶面，形成薄膜，阻止美国用一羧酸脂化丙烯酸聚合物喷洒叶面，形成薄膜，阻止INA细菌繁殖来防御果树和蔬菜霜冻。细菌繁殖来防御果树和蔬菜霜冻。 国内也研制了一系列防霜药剂国内也研制了一系列防霜药剂第9页/共20页 本产品是采用进口高质本产品是采用进口高质防冻、抗冻生物酶，添防冻、抗冻生物酶，添加特殊因子，激活生物加特殊因子，激活生物酶，杀灭冰核细菌和阻酶，杀灭冰核细菌和阻止冰核细菌繁殖；施用止冰核细菌繁殖；施用后形成的保护膜，增强后形成的保护膜，增强植株保水和抗

9、冻能力，植株保水和抗冻能力，抑制和破坏冰冻蛋白成抑制和破坏冰冻蛋白成冰活性，增加热量，降冰活性，增加热量，降低结冰能力，显著提高低结冰能力，显著提高植株对低温的抵抗力。植株对低温的抵抗力。第10页/共20页2)生物方法防霜生物方法防霜 从自然界植物体上的多种微生物中，筛选对从自然界植物体上的多种微生物中，筛选对INA细菌有拮抗作细菌有拮抗作用、营养竞争能力强、抑杀或寄生性强的菌株，对其进行了人用、营养竞争能力强、抑杀或寄生性强的菌株，对其进行了人工生产繁殖，再喷洒在植物体上，以期控制或杀灭工生产繁殖，再喷洒在植物体上，以期控制或杀灭INA细菌，细菌，达到防御霜冻的目的。达到防御霜冻的目的。第1

10、1页/共20页拮抗菌防霜拮抗菌防霜 中国农科院植保所研究人员经过人工霜箱防中国农科院植保所研究人员经过人工霜箱防霜试验，从霜试验，从83 株对株对INA细菌有拮抗作用的细菌有拮抗作用的菌株中筛选获得菌株中筛选获得6株细菌，用于番茄、烟草株细菌，用于番茄、烟草和黄瓜，具有一定防霜效果，可使霜冻温度和黄瓜，具有一定防霜效果，可使霜冻温度降低降低1.52.第12页/共20页基因工程菌防霜基因工程菌防霜 基因工程菌防霜就是选择有拮抗作用，营养竞争、定殖能力和抗逆性强，基因工程菌防霜就是选择有拮抗作用，营养竞争、定殖能力和抗逆性强，又对植物无致病性的又对植物无致病性的INA INA 细菌，采用生物技术手

11、段，将细菌，采用生物技术手段，将INAINA细菌的冰核活细菌的冰核活性基因切除或缺失，从而获得无冰核活性的变异基因工程菌，该菌除无冰性基因切除或缺失，从而获得无冰核活性的变异基因工程菌，该菌除无冰核活性特性外，仍保持原核活性特性外，仍保持原INAINA细菌的优异生物学特性，用于防除细菌的优异生物学特性，用于防除INAINA细菌细菌来防御植物霜冻。来防御植物霜冻。 这种方法比从自然界筛选拮抗生防菌成功率高，效果好。这种方法比从自然界筛选拮抗生防菌成功率高，效果好。第13页/共20页 1980 年，用冰核细菌研制成冰蛋白人工降雪催化年，用冰核细菌研制成冰蛋白人工降雪催化剂，并申请专利。剂，并申请专

12、利。 1985 年由美国生产了商品名为年由美国生产了商品名为Snomax 的冰蛋白的冰蛋白人工降雪催化剂，在美国人工降雪催化剂，在美国18 个滑雪场使用，获得个滑雪场使用，获得巨大成功。巨大成功。冰核细菌的其他应用冰核细菌的其他应用冰核细菌和人工降雪冰核细菌和人工降雪第14页/共20页 冰核细菌应用于食品冷冻浓缩中，冰核细冰核细菌应用于食品冷冻浓缩中，冰核细菌具有在较高温度（菌具有在较高温度（ -2-5-2-5）下形成规）下形成规则、细腻、异质冰晶的能力。因此，将一定则、细腻、异质冰晶的能力。因此，将一定浓度的冰核菌液喷于待冷冻的食品上，可在浓度的冰核菌液喷于待冷冻的食品上，可在（ -2-5-

13、2-5）条件下贮藏。）条件下贮藏。 一方面可以提高冻结的温度，缩短冻结时一方面可以提高冻结的温度，缩短冻结时间，节约能源，另一方面又可避免由于过冷间，节约能源，另一方面又可避免由于过冷却现象造成冷冻食品风味与营养成分损失过却现象造成冷冻食品风味与营养成分损失过多等弊端，最大限度地保持食品原料中的芳多等弊端，最大限度地保持食品原料中的芳香组分，改善冷冻食品的质地。香组分，改善冷冻食品的质地。冰核细菌和食品冷冻浓缩冰核细菌和食品冷冻浓缩第15页/共20页 昆虫体重的昆虫体重的60%-80% 由水分组成，由于水的过冷却特性，使由水分组成，由于水的过冷却特性，使得昆虫在一定的低温条件下不会因体内结冰而

14、死亡。这也是昆得昆虫在一定的低温条件下不会因体内结冰而死亡。这也是昆虫具备抗寒能力，越冬后仍能生存的主要原因。虫具备抗寒能力，越冬后仍能生存的主要原因。 冰核活性细菌能提高昆虫的过冷却点，使其在较高的亚零下温冰核活性细菌能提高昆虫的过冷却点，使其在较高的亚零下温度下体内结冰，从而提高避免结冰类型昆虫的越冬死亡率。度下体内结冰，从而提高避免结冰类型昆虫的越冬死亡率。冰核细菌与促冻杀虫冰核细菌与促冻杀虫第16页/共20页 冰核基因及分子生物学的研究已成为国冰核基因及分子生物学的研究已成为国内外的研究热点内外的研究热点, ,涉及多个领域涉及多个领域: :构建冰构建冰核细菌的表面展示系统、用作报告基因

15、、核细菌的表面展示系统、用作报告基因、促冻杀虫和病原微生物高敏检测等促冻杀虫和病原微生物高敏检测等, ,显显示了良好的应用前景。示了良好的应用前景。冰核基因的应用冰核基因的应用第17页/共20页展望20 20 世纪世纪7070年代生物冰核发现以来，美国、日本和加拿年代生物冰核发现以来，美国、日本和加拿大等大等3030多个国家对其进行了研究，召开了多个国家对其进行了研究，召开了7 7次国际次国际生物冰核研讨会，在生物冰核的种类、影响成冰生物冰核研讨会，在生物冰核的种类、影响成冰活性的因素、冰核基因、冰蛋白以及生物冰核与活性的因素、冰核基因、冰蛋白以及生物冰核与植物霜冻和病害、冰核细菌的应用等方面取得了植物霜冻和病害、冰核细菌的应用等方面取得了较大进展，但还有一些问题需要进一步研究和突较大进展，但还有一些问题需要进一步研究和突破