冰核細(xì)菌和植物霜凍

1、L/O/G/O2021/8/21植物霜凍與凍與冰核細(xì)細(xì)菌2021/8/22 生物冰核和植物霜凍生物冰核和植物霜凍冰核細(xì)菌與防霜凍技術(shù)冰核細(xì)菌與防霜凍技術(shù)冰核細(xì)菌的其他應(yīng)用冰核細(xì)菌的其他應(yīng)用植物霜凍的原因植物霜凍的原因2021/8/23植物霜凍的原因植物霜凍的原因低溫使作物受到低溫使作物受到不同程度的傷害不同程度的傷害以至死亡，按照以至死亡，按照低溫的不同程度低溫的不同程度、作物受到寒害、作物受到寒害可分為冷害與凍可分為冷害與凍害兩大類。害兩大類。凍害：溫度下降到冰點(diǎn)以下，植物體內(nèi)水分結(jié)冰，因之霜害與冰害都屬于凍害。2021/8/24結(jié)冰的原因結(jié)冰的原因過(guò)冷卻狀態(tài)過(guò)冷卻狀態(tài)：水在攝氏零度以下仍能

2、保持液體狀態(tài)的現(xiàn)象：水在攝氏零度以下仍能保持液體狀態(tài)的現(xiàn)象, ,叫作過(guò)冷卻狀態(tài)。小體積純水可過(guò)冷卻到叫作過(guò)冷卻狀態(tài)。小體積純水可過(guò)冷卻到-40-40而不結(jié)冰。而不結(jié)冰。冰核冰核：水從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變需要一種稱為冰核的物質(zhì)來(lái)催：水從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變需要一種稱為冰核的物質(zhì)來(lái)催化，。由水分子自身形成的冰核稱化，。由水分子自身形成的冰核稱同質(zhì)冰核同質(zhì)冰核, ,它在它在-40-40時(shí)時(shí)催化水結(jié)冰催化水結(jié)冰; ;非水分子形成的冰核稱為非水分子形成的冰核稱為異質(zhì)冰核異質(zhì)冰核。非生物。非生物冰核催化水結(jié)冰溫度都在冰核催化水結(jié)冰溫度都在-10-10左右，如碘化銀左右，如碘化銀-8-8, ,高嶺高嶺土土-9-9, ,

3、塵埃顆粒塵埃顆粒-10-10。為什么很多時(shí)候，植物在為什么很多時(shí)候，植物在-2-2 5 5就發(fā)生霜凍就發(fā)生霜凍了呢？了呢？2021/8/25 1974年Maki首次從赤楊樹葉中分離到一類細(xì)菌能使值物體內(nèi)的水在-2-5結(jié)冰而發(fā)生霜凍,后被稱為冰核細(xì)菌(Ice nucleation active bacteria,簡(jiǎn)稱INA細(xì)菌) 1988年Kieft首次發(fā)現(xiàn)一種在-1.9具有冰核活性地衣真菌。這些冰核細(xì)菌和冰核真菌產(chǎn)生的冰核稱為生物冰核,在-2-5條件下具有冰核活性,是自然界冰核活性最強(qiáng)的異質(zhì)冰核。冰核細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)引起人們的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外大量研究證明,在自然界廣泛存在著冰核活性細(xì)菌,它可在-2-3誘

4、發(fā)植物細(xì)胞水結(jié)冰而發(fā)生霜凍;無(wú)INA細(xì)菌存在的植物,一般可耐-6-7的低溫不發(fā)生或發(fā)生輕微霜凍。因此,這一發(fā)現(xiàn)為研究和防御植物霜凍開辟了一條新途徑。2021/8/262021/8/27生物冰核和植物霜凍生物冰核和植物霜凍 生物冰核的一般性質(zhì)生物冰核的一般性質(zhì) 生物冰核的成核活性是由冰核基因賦予的。冰核主要組成生物冰核的成核活性是由冰核基因賦予的。冰核主要組成部分是冰蛋白部分是冰蛋白,其次有糖類、脂類、多胺等。一般是質(zhì)量其次有糖類、脂類、多胺等。一般是質(zhì)量越大的冰核越大的冰核,成冰活性越強(qiáng)。成冰活性越強(qiáng)。 不同生物及其不同種屬產(chǎn)生的冰核是有差異的不同生物及其不同種屬產(chǎn)生的冰核是有差異的,其成冰活

5、其成冰活性也有所不同。性也有所不同。 冰核生物一般在溫度較低的條件下產(chǎn)生冰核。冰核生物一般在溫度較低的條件下產(chǎn)生冰核。 不同生物產(chǎn)生的冰核不同生物產(chǎn)生的冰核,其穩(wěn)定性是不同的。其穩(wěn)定性是不同的。2021/8/28 生物冰核和植物霜凍生物冰核和植物霜凍 保持過(guò)冷卻狀態(tài)是植物對(duì)付低溫逆境以保存自己的一種能保持過(guò)冷卻狀態(tài)是植物對(duì)付低溫逆境以保存自己的一種能力。生物冰核會(huì)打破過(guò)冷卻狀態(tài)力。生物冰核會(huì)打破過(guò)冷卻狀態(tài), ,誘發(fā)植物體內(nèi)水分結(jié)冰誘發(fā)植物體內(nèi)水分結(jié)冰, ,使不耐結(jié)冰的和中度耐結(jié)冰的植物發(fā)生霜凍害。無(wú)菌的植使不耐結(jié)冰的和中度耐結(jié)冰的植物發(fā)生霜凍害。無(wú)菌的植株能保持過(guò)冷到株能保持過(guò)冷到-6-6 -

6、7-7, ,而接種冰核菌的植株在而接種冰核菌的植株在- -2.52.5 -3-3就發(fā)生結(jié)冰而造成霜凍害。因此就發(fā)生結(jié)冰而造成霜凍害。因此, ,生物冰核是生物冰核是誘發(fā)植物霜凍的一個(gè)重要因素。誘發(fā)植物霜凍的一個(gè)重要因素。 自然降雨和人工灌溉都會(huì)使低洼地的水分比平地多自然降雨和人工灌溉都會(huì)使低洼地的水分比平地多, ,空氣空氣較濕潤(rùn)較濕潤(rùn), ,植物較柔嫩植物較柔嫩, ,有利于冰核菌繁殖有利于冰核菌繁殖, ,霜凍前生物冰核霜凍前生物冰核數(shù)比平地高數(shù)比平地高4.54.5倍倍, ,是霜害較重的一個(gè)原因。是霜害較重的一個(gè)原因。 生物冰核使植物霜凍害加重是因?yàn)樗鼈冮_始發(fā)生結(jié)冰的時(shí)生物冰核使植物霜凍害加重是因?yàn)?/p>

7、它們開始發(fā)生結(jié)冰的時(shí)間較早間較早,到日出升溫前結(jié)冰持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)到日出升溫前結(jié)冰持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),致使細(xì)胞膜傷害致使細(xì)胞膜傷害較重的緣故。較重的緣故。2021/8/29冰核細(xì)菌與防霜凍技術(shù)冰核細(xì)菌與防霜凍技術(shù) 除去生物冰核有助于植物保持過(guò)冷卻狀態(tài)而防止除去生物冰核有助于植物保持過(guò)冷卻狀態(tài)而防止霜凍?，F(xiàn)已查明霜凍?，F(xiàn)已查明, ,田間作物葉片上的生物冰核絕田間作物葉片上的生物冰核絕大多數(shù)是冰核細(xì)菌產(chǎn)生的。霜凍發(fā)生前不但要把大多數(shù)是冰核細(xì)菌產(chǎn)生的。霜凍發(fā)生前不但要把已有的冰核除去已有的冰核除去, ,而且要使冰核菌不再產(chǎn)生新的而且要使冰核菌不再產(chǎn)生新的冰核冰核, ,才能起到防霜的作用。才能起到防霜的作用。2

8、021/8/2101）藥劑防霜）藥劑防霜 研制或篩選防除研制或篩選防除INA 細(xì)菌的藥劑，必須具有殺滅細(xì)菌的藥劑，必須具有殺滅INA 細(xì)菌和破壞冰蛋白成冰活性的功能，方能取細(xì)菌和破壞冰蛋白成冰活性的功能，方能取得防霜效果。得防霜效果。 美國(guó)用一羧酸脂化丙烯酸聚合物噴灑葉面，形成美國(guó)用一羧酸脂化丙烯酸聚合物噴灑葉面，形成薄膜，阻止薄膜，阻止INA細(xì)菌繁殖來(lái)防御果樹和蔬菜霜凍。細(xì)菌繁殖來(lái)防御果樹和蔬菜霜凍。 國(guó)內(nèi)也研制了一系列防霜藥劑國(guó)內(nèi)也研制了一系列防霜藥劑2021/8/211 本產(chǎn)品是采用進(jìn)口高質(zhì)本產(chǎn)品是采用進(jìn)口高質(zhì)防凍、抗凍生物酶，添防凍、抗凍生物酶，添加特殊因子，激活生物加特殊因子，激活生

9、物酶，殺滅冰核細(xì)菌和阻酶，殺滅冰核細(xì)菌和阻止冰核細(xì)菌繁殖；施用止冰核細(xì)菌繁殖；施用后形成的保護(hù)膜，增強(qiáng)后形成的保護(hù)膜，增強(qiáng)植株保水和抗凍能力，植株保水和抗凍能力，抑制和破壞冰凍蛋白成抑制和破壞冰凍蛋白成冰活性，增加熱量，降冰活性，增加熱量，降低結(jié)冰能力，顯著提高低結(jié)冰能力，顯著提高植株對(duì)低溫的抵抗力。植株對(duì)低溫的抵抗力。2021/8/2122)生物方法防霜生物方法防霜 從自然界植物體上的多種微生物中，篩選對(duì)從自然界植物體上的多種微生物中，篩選對(duì)INA細(xì)菌有拮抗作用、營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)、抑殺或寄生細(xì)菌有拮抗作用、營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)、抑殺或寄生性強(qiáng)的菌株，對(duì)其進(jìn)行了人工生產(chǎn)繁殖，再噴灑性強(qiáng)的菌株，對(duì)其進(jìn)行

10、了人工生產(chǎn)繁殖，再噴灑在植物體上，以期控制或殺滅在植物體上，以期控制或殺滅INA細(xì)菌，達(dá)到防細(xì)菌，達(dá)到防御霜凍的目的。御霜凍的目的。2021/8/213拮抗菌防霜拮抗菌防霜 中國(guó)農(nóng)科院植保所研究人員經(jīng)過(guò)人工霜箱防霜中國(guó)農(nóng)科院植保所研究人員經(jīng)過(guò)人工霜箱防霜試驗(yàn)，從試驗(yàn)，從83 株對(duì)株對(duì)INA細(xì)菌有拮抗作用的菌株細(xì)菌有拮抗作用的菌株中篩選獲得中篩選獲得6株細(xì)菌，用于番茄、煙草和黃瓜，株細(xì)菌，用于番茄、煙草和黃瓜，具有一定防霜效果，可使霜凍溫度降低具有一定防霜效果，可使霜凍溫度降低1.52.2021/8/214基因工程菌防霜基因工程菌防霜 基因工程菌防霜就是選擇有拮抗作用，營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)、定殖能基因工程菌

11、防霜就是選擇有拮抗作用，營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)、定殖能力和抗逆性強(qiáng)，又對(duì)植物無(wú)致病性的力和抗逆性強(qiáng)，又對(duì)植物無(wú)致病性的INA INA 細(xì)菌，采用生物細(xì)菌，采用生物技術(shù)手段，將技術(shù)手段，將INAINA細(xì)菌的冰核活性基因切除或缺失，從而細(xì)菌的冰核活性基因切除或缺失，從而獲得無(wú)冰核活性的變異基因工程菌，該菌除無(wú)冰核活性特獲得無(wú)冰核活性的變異基因工程菌，該菌除無(wú)冰核活性特性外，仍保持原性外，仍保持原INAINA細(xì)菌的優(yōu)異生物學(xué)特性，用于防除細(xì)菌的優(yōu)異生物學(xué)特性，用于防除INAINA細(xì)菌來(lái)防御植物霜凍。細(xì)菌來(lái)防御植物霜凍。 這種方法比從自然界篩選拮抗生防菌成功率高，效果好。這種方法比從自然界篩選拮抗生防菌成功率高，效

12、果好。2021/8/215 1980 年，用冰核細(xì)菌研制成冰蛋白人工降雪催化劑，年，用冰核細(xì)菌研制成冰蛋白人工降雪催化劑，并申請(qǐng)專利。并申請(qǐng)專利。 1985 年由美國(guó)生產(chǎn)了商品名為年由美國(guó)生產(chǎn)了商品名為Snomax 的冰蛋白人的冰蛋白人工降雪催化劑，在美國(guó)工降雪催化劑，在美國(guó)18 個(gè)滑雪場(chǎng)使用，獲得巨大成個(gè)滑雪場(chǎng)使用，獲得巨大成功。功。冰核細(xì)菌的其他應(yīng)用冰核細(xì)菌的其他應(yīng)用冰核細(xì)菌和人工降雪冰核細(xì)菌和人工降雪2021/8/216 冰核細(xì)菌應(yīng)用于食品冷凍濃縮中，冰核細(xì)菌具冰核細(xì)菌應(yīng)用于食品冷凍濃縮中，冰核細(xì)菌具有在較高溫度（有在較高溫度（ -2-5-2-5）下形成規(guī)則、細(xì)）下形成規(guī)則、細(xì)膩、異質(zhì)冰

13、晶的能力。因此，將一定濃度的冰膩、異質(zhì)冰晶的能力。因此，將一定濃度的冰核菌液噴于待冷凍的食品上，可在（核菌液噴于待冷凍的食品上，可在（ -2-2-55）條件下貯藏。）條件下貯藏。 一方面可以提高凍結(jié)的溫度，縮短凍結(jié)時(shí)間，一方面可以提高凍結(jié)的溫度，縮短凍結(jié)時(shí)間，節(jié)約能源，另一方面又可避免由于過(guò)冷卻現(xiàn)象節(jié)約能源，另一方面又可避免由于過(guò)冷卻現(xiàn)象造成冷凍食品風(fēng)味與營(yíng)養(yǎng)成分損失過(guò)多等弊端，造成冷凍食品風(fēng)味與營(yíng)養(yǎng)成分損失過(guò)多等弊端，最大限度地保持食品原料中的芳香組分，改善最大限度地保持食品原料中的芳香組分，改善冷凍食品的質(zhì)地。冷凍食品的質(zhì)地。冰核細(xì)菌和食品冷凍濃縮冰核細(xì)菌和食品冷凍濃縮2021/8/217

14、 昆蟲體重的昆蟲體重的60%-80% 由水分組成，由于水的過(guò)由水分組成，由于水的過(guò)冷卻特性，使得昆蟲在一定的低溫條件下不會(huì)因冷卻特性，使得昆蟲在一定的低溫條件下不會(huì)因體內(nèi)結(jié)冰而死亡。這也是昆蟲具備抗寒能力，越體內(nèi)結(jié)冰而死亡。這也是昆蟲具備抗寒能力，越冬后仍能生存的主要原因。冬后仍能生存的主要原因。 冰核活性細(xì)菌能提高昆蟲的過(guò)冷卻點(diǎn)，使其在較冰核活性細(xì)菌能提高昆蟲的過(guò)冷卻點(diǎn)，使其在較高的亞零下溫度下體內(nèi)結(jié)冰，從而提高避免結(jié)冰高的亞零下溫度下體內(nèi)結(jié)冰，從而提高避免結(jié)冰類型昆蟲的越冬死亡率。類型昆蟲的越冬死亡率。冰核細(xì)菌與促凍殺蟲冰核細(xì)菌與促凍殺蟲2021/8/218 冰核基因及分子生物學(xué)的研究已成

15、為國(guó)內(nèi)冰核基因及分子生物學(xué)的研究已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)外的研究熱點(diǎn), ,涉及多個(gè)領(lǐng)域涉及多個(gè)領(lǐng)域: :構(gòu)建冰核細(xì)構(gòu)建冰核細(xì)菌的表面展示系統(tǒng)、用作報(bào)告基因、促凍菌的表面展示系統(tǒng)、用作報(bào)告基因、促凍殺蟲和病原微生物高敏檢測(cè)等殺蟲和病原微生物高敏檢測(cè)等, ,顯示了良顯示了良好的應(yīng)用前景。好的應(yīng)用前景。冰核基因的應(yīng)用冰核基因的應(yīng)用2021/8/219展望20 20 世紀(jì)世紀(jì)7070年代生物冰核發(fā)現(xiàn)以來(lái)，美國(guó)、日本和加拿年代生物冰核發(fā)現(xiàn)以來(lái)，美國(guó)、日本和加拿大等大等3030多個(gè)國(guó)家對(duì)其進(jìn)行了研究，召開了多個(gè)國(guó)家對(duì)其進(jìn)行了研究，召開了7 7次國(guó)際次國(guó)際生物冰核研討會(huì)，在生物冰核的種類、影響成冰生物冰核研討會(huì)，在生物冰核的種類、影響成冰活性的因素、冰核基因、冰蛋白以及生物冰核與活性的因素、冰核基因、冰蛋白以及生物冰核與植物霜凍和病害、冰核細(xì)菌的應(yīng)用等方面取得了植物霜凍和病害、冰核細(xì)菌的應(yīng)用等方面取得了較大進(jìn)展，但還有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和突較大進(jìn)展，但還有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和突