計算機控制技術在植物非試管快繁中的運用

2012/5/2 19:08:29

一、基于計算機智能控制的新型育苗技術體系---植物非試管快繁
植物非試管快繁技術是基于計算機環(huán)境控制技術與生物技術有機結合而形成的一種新型育苗技術。是植物的離體材料在計算機環(huán)境模擬條件下，實現(xiàn)全息性、全能性表達快速成苗的技術，也是依賴于計算機技術實現(xiàn)種苗周年生產(chǎn)工廠化培育的一項技術，它是當前育苗效率較高成本較低實用性較強的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新技術，現(xiàn)就該技術得以實現(xiàn)的理論基礎與技術體系給予介紹。

1、環(huán)境是生物進化的主動力，也是基因表達的決定因素
環(huán)境是生物進化的主動力，是生物從低級生物進化為高級生物，從常規(guī)物種演變?yōu)樾挛锓N的動力源，只有不斷變化的環(huán)境才能對生物進行自然選擇，才讓生物在環(huán)境選擇中進化。另外，適合的環(huán)境也極為重要，它是生物生存與發(fā)展的基礎。如植物的光合作用，需要適宜的溫度、濕度、光照、水份及二氧化碳甚至是地球的磁場等環(huán)境，離開了這些環(huán)境因子，生存與生長就不可能成立。從這個角度說，任何農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所相關的經(jīng)濟植物也同樣需要適合的環(huán)境與促進進化的變化環(huán)境，但這種環(huán)境在沒有計算機控制條件下只得依賴于自然，不能進行最佳化的人為意志調節(jié)調控，培育與生產(chǎn)效率較低，如對于自然界的災害天氣就根本難以抵御，而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受損。但隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平的提高，近年設施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，許多經(jīng)濟植物栽培都從自然走進了人工設施，環(huán)境問題有了很大改善，農(nóng)作物產(chǎn)量質量也得以大幅度提高，可是離植物最佳的生長條件創(chuàng)造還有距離。

而植物的育苗技術如試管育苗，嫁接育苗及扦插育苗更是與氣候或環(huán)境因子息息相關的農(nóng)業(yè)技術。比如試管育苗就是利用試管與組培室的人工環(huán)境為細胞或組織的發(fā)育創(chuàng)造最佳的溫光氣熱營養(yǎng)激素條件，使這些組織細胞的全能性全息性得以表達發(fā)育，成為與母本具有相同性狀的植株。而嫁接也是一樣，利用砧木與接穗間的親和性，再借助環(huán)境的適應性，使兩者的切口得以愈合發(fā)育，成一株完整的個體。同樣扦插育苗也然，它必須在適合的季節(jié)，適宜的環(huán)境條件下，才能讓離開母體的插穗重新恢復全能性發(fā)育，而成為一株完整的植株，上述的這些技術，它的效果與成活率基本上受限于環(huán)境條件創(chuàng)造與氣候因子，說明不管哪種育苗技術，環(huán)境是實現(xiàn)基因表達的關鍵，在多雨綿綿的季節(jié)，嫁接成活肯定差，在高溫干旱的環(huán)境，扦插成活率肯定低，但作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是人工參予的一種技術性工作，完全可以發(fā)揮人工創(chuàng)造環(huán)境的能力來解決這些氣候或環(huán)境的不利因素，使育苗效果得以改善。

更重要的是，環(huán)境能使植物在常規(guī)下不能表達的基因或潛能，在人工創(chuàng)造的環(huán)境下得以表達與體現(xiàn)。如傳統(tǒng)的組培育苗，就是讓植物體的微材料在人工培養(yǎng)基與人工環(huán)境下，使一些在常規(guī)下不能發(fā)育的微型離體材料，組織或細胞恢復分化分生能力與生根成苗潛能，才使它發(fā)育成完整的個體。傳統(tǒng)的全光照扦插育苗也然，就是通過水份的科學控制使一些常規(guī)條件下不能生根的插穗得以生根成活。那么，同樣的道理采用了計算機精確化的智能控制技術后，是否會形成新的技術體系與激發(fā)植物離體材料新的發(fā)育潛能呢？通過實踐與科研證明，植物的離體材料在計算機控制的最佳環(huán)境下，能使其基因的表達得以最大化發(fā)揮，一些常規(guī)技術下難以實現(xiàn)生根成苗的植物種類，采用該技術后，可以輕松實現(xiàn)，而且具有比常規(guī)方法有更高的效率與更低的生產(chǎn)成本更優(yōu)的苗木質量。

2、計算機的環(huán)境控制是實現(xiàn)開放環(huán)境下離體材料發(fā)育的有力保障
植物種苗繁育的過程就是種子的胚或者無性的離體材料，在人工或自然環(huán)境下實現(xiàn)自身發(fā)育而成為完整個體的過程。而這種發(fā)育所需的環(huán)境條件與營養(yǎng)激素條件完全可以做到精確化科學化的人為調節(jié)控制，這樣就使胚或離體材料的發(fā)育速度大大加快，生理潛能大大激發(fā)。植物非試管快繁技術就是通過環(huán)控技術的優(yōu)化來實現(xiàn)的。通過環(huán)境優(yōu)化技術使組培創(chuàng)造環(huán)境的方法制限得以解放與發(fā)展，使植物離體材料從原本運用密閉試管與培養(yǎng)室的環(huán)境走向大田走向設施，使這種原本需要大投入的育苗技術變得簡單而實用，使一些常規(guī)不能組培成活的植物也能在大田開放的環(huán)境下得以培育。它從試管密閉缺氧及少二氧化碳的環(huán)境走向了氧氣充足二氧化碳適宜的環(huán)境，從恒溫恒濕的環(huán)境走向了波動有變化的半自然環(huán)境，使育成幼苗對外界適性更強，從全人工組培異養(yǎng)環(huán)境走向了依整離體材料自身光合潛能依靠科學調控的自養(yǎng)環(huán)境，實現(xiàn)離體材料不加糖的環(huán)境下得以光合自養(yǎng)，為離體材料的成苗發(fā)育提供充足的碳源與營養(yǎng)。而這些環(huán)境的創(chuàng)造沒有計算機精確控制是難以實現(xiàn)的，也是難以在生產(chǎn)上運用的。所以只有依賴于環(huán)控手段才能讓離體材料發(fā)育從試管與室內走向大田與自然，只有這種環(huán)境與技術生產(chǎn)的種苗才具有較強的環(huán)境適應性，才能為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更多發(fā)育健壯的商品苗，才可以克服組培的弊端而實現(xiàn)技術的進步與跨越，從試管的封閉育苗走向大田或苗床的開放式育苗是一大技術革新與進步。

現(xiàn)就組培環(huán)境與非試管環(huán)境的比較分析來認識植物非試管快繁技術的優(yōu)越性與創(chuàng)新所在。組培育苗時離體材料發(fā)育常因封閉不透氣環(huán)境而形成弱苗或玻璃化苗，這主要是試管內濕度過高而氧氣及二氧化碳的又缺乏所造成氣孔發(fā)育及代謝不正常。而苗勢纖弱與根系稀少，又是由于光照不足及瓊脂固化缺氧所至，移栽成活率低又是由于在試管內的異養(yǎng)發(fā)育，導致光合模式呼吸模式不能正常建立所至。苗易受病菌侵害與污染又是由于試管內加糖所至，這也決定了組織培養(yǎng)須進行嚴格無菌操作所帶來的各種技術局限。而非試管快繁技術是利用離體材料本身所具的光合潛能，再利用環(huán)境控制手段，讓其發(fā)揮到極限以實現(xiàn)自養(yǎng)供碳，自養(yǎng)發(fā)育的過程，離體材料的愈傷發(fā)育及根原基形成所需的營養(yǎng)及碳源都是通過自養(yǎng)來實現(xiàn)，無需在培育的苗床上加糖與其它有機物，這樣就可避免加糖的污染，因菌的發(fā)育在沒有外界現(xiàn)成碳源情況下是難以滋生繁衍的，這樣就可實現(xiàn)開放式的不加糖育苗。同樣開放多變的環(huán)境又會受到環(huán)境因子的影響而破壞離體材料的正常發(fā)育，那么如何實現(xiàn)這種開放環(huán)境所帶來的氣候因子調控的矛盾的，隨著計算機控制技術的發(fā)展，這種開放所帶來的環(huán)境問題可以有效地解決。使開放條件下離體材料的發(fā)育成苗得以實現(xiàn)，讓離體材料在一個開放而環(huán)境適宜的半自然條件下進行發(fā)育成苗。

二、計算機控制的原理及運用
離體材料在離開母體后，失去了水份與營養(yǎng)的維管供應，又面臨著蒸騰失水干枯的危脅，如果不能科學地供給水分，讓其保持水分平衡，就根本不可能進行光合的自養(yǎng)代謝，也就根本不可能為離體材料的發(fā)育提供自養(yǎng)碳源。而在生產(chǎn)上如何能夠準確地掌握這種氣候多變環(huán)境下，離體材料的水分蒸騰變化呢，又是如何進行科學的水份供給呢？這就當然要涉及到水分的精確檢測與科學供給。這里所謂的檢測就是計算機需有檢測環(huán)境水份變化的功能，相當于人要有感觸環(huán)境的感覺器官，這就是計算機控制中所必須的傳感器，起到感應環(huán)境因子變化的作用。而科學準確供給就涉及到科學的數(shù)據(jù)運算、參數(shù)設定及動作執(zhí)行，其中運算及參數(shù)設定由計算機的運算貯存功能來完成，動作執(zhí)行由自動控制的相關部件完成，這樣就形成了，檢測---運算---執(zhí)行的信息反饋控制系統(tǒng)，就如人一樣具有了感覺思考與執(zhí)行能力，這樣計算機系統(tǒng)就成了人功能的擴展，成為生產(chǎn)科研者意志的體現(xiàn)，這就是計算機的人工智慧功能，我們稱之為智能。人們可以通過研究各種不同植物發(fā)育的最佳生長模式，研究不同植物離體材料的發(fā)育特性，把這些生長模式與特性轉化為計算機運行系統(tǒng)中的程序與軟件，形成了育苗的專家系統(tǒng)。而把植物離體材料發(fā)育相關的氣候因子，如溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度、營養(yǎng)EC值等的感應傳感器組成了檢測系統(tǒng)，再由水泵、電磁閥、熱風爐、加溫線、補光燈、二氧化碳發(fā)生器、電場發(fā)生等組成了執(zhí)行部份。通過這些硬件及軟件的科學組合就形成了專業(yè)化育苗的計算機自動控制系統(tǒng)，就能夠實現(xiàn)離體材料發(fā)育相關環(huán)境因子的科學模擬創(chuàng)造，就能使其發(fā)育成苗的環(huán)境矛盾與障礙得以解決。

以下實現(xiàn)環(huán)控的理論及各個組成部份的構建與控制進行詳細的介紹，使生產(chǎn)科研者能對這種新型的育苗技術與體系有更深刻的了解，更好地服務于生產(chǎn)及科研。用于育苗或農(nóng)業(yè)的環(huán)境控制技術與工業(yè)控制不同，它是在多變的非線性混沌狀態(tài)下實現(xiàn)相關因子的區(qū)間調控，不是單一數(shù)值的控制，也不是大環(huán)境大空間的控制，它是基于微域及模糊控制理論基礎上的非線性運算與控制。

1、基于微域環(huán)境的控制理論
什么叫微域環(huán)境？它在控制中有那些作用。植物非試管育苗讓離體材料從密閉的試管環(huán)境走下開放的大田苗床，這種半自然的環(huán)境要實現(xiàn)大空間的控制是不可能，即使做到了也會消耗大量的能源。而對于離體材料的發(fā)育，最重要的是葉片或材料表面所能直接作用的環(huán)境因子，離開了這個微域范圍，其它的大棚環(huán)境其實不重要。那么葉片表面的微環(huán)境是如何實現(xiàn)與感知呢，首先需在檢測環(huán)境因子的傳感器上要做到能代表微環(huán)境空間，把檢測各種環(huán)境參數(shù)的傳感器進行集成，并把它擺放至距離體材料最接近的微環(huán)境空間里，這樣才能檢測到最接近離體材料葉片表面的溫光氣熱水等參數(shù)，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)控制傳感器大多布于大空間環(huán)境的各個區(qū)域，代表的是大空間的環(huán)境參數(shù)，要實現(xiàn)整個大棚空間環(huán)境參數(shù)的優(yōu)化，必須消耗大量的水能電能及各種人工能源，成本高效率低。就如風扇與空調，啟動風扇立即可以加快人體皮膚表面水份的蒸發(fā)，馬上可感覺到?jīng)鏊�，而空調則需消耗大量的電能，才可使整個空間的溫度下降，前者省電而快速，后者耗電或緩慢，用于離體材料快繁的環(huán)境控制技術也是同樣道理，在調節(jié)水份及溫度濕度時，以離體材料微環(huán)境的表面區(qū)域空間為主要調控對象，這樣就可以使能源消耗最小化。在與離體材料相關的環(huán)境因子中，溫度與濕度、水份的變化是最為頻繁而無規(guī)律的，為了能相對準備的檢測到微環(huán)境參數(shù)，把傳感器模擬制造成如微小離體材料的帶葉莖段，并把各種傳感器科學分布集成于這張人工葉片上，我們把它叫作智能化葉片，它是一種集成傳感器，它具有檢測葉片表面水

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