提高植物过冷特性以防止霜冻的方法

专利名称：提高植物过冷特性以防止霜冻的方法
技术领域：
本发明涉及提高植物过冷特性以防止冻害的方法。
背景技术：
早在二十世纪50年代中期人们就提出开发一种价格低廉，用前便于贮藏，易于使用并可防霜冻的材料。曾对许多材料进行了试验。可将它们分成几类，但通常假定这些材料或改变植物组织的冰点；或减少作物上的冰核细菌，从而抑制冰和霜的形成；或影响生长，即延缓解除锻炼或以某些‘未知作用方式’起作用。据我们所知，没有一种商品化材料能够成功地经得起科学试验的详细推敲。”(K.B.Perry，1998，Basicsof Frost and Freeze protection for horticultural crops)。HortTechnology 8(1)10-15。还可参见Warmund等，Advances inStrawberry Research 1994，第20-25页，他也发现防霜化学物质没有获得显著效果。如Perry(1998)所述，在有关防霜冻化学物质研制方面分为四个类型1)可改变植物组织或水的冰点的材料；2)减少作物表面冰核细菌群体，从而抑制作物表面上冰的生成；3)延缓解除锻炼；4)通过遗传工程增强抗寒力。
涉及第一类技术的专利包括Barr等的美国专利5,133,891，该专利涉及通过施用有机化学品处理植物防霜冻；Shin等的美国专利5,276,006，该专利涉及可增强组织抗冻伤能力的冷冻保护剂组合物；Savignano等的美国专利5,653,054，它涉及包括降低水的冰点的防止植物上霜的形成的方法；Lengyel的美国专利4,597,883中涉及一种使植物的霜害减至最小程度的组合物和方法，包括使用盐基溶液降低水的冰点并抗冻结温度的细胞损伤；Artozon的美国专利5,618,330涉及植物处理组合物和方法，其中包括使用高浓度盐保护植物抗霜害；以及Suslow等的美国专利5,633,450涉及抗冻害的产几丁质酶植物。
有关第二类技术的专利包括Lindow的美国专利4,432,160，其中涉及使用微生物抑制植物霜害，这种方法包括选择和使用冰核能力缺失细菌以防止冻害；以及Orser等的美国专利4,766,077，涉及由遗传操作获得的冰核能力缺失微生物，其中包括获得冰核能力缺失生物体用于植物作为防霜剂的方法。
第三类技术并不直接防霜害，而是替代地在早期生长季节里延缓对霜敏感的繁殖组织的发育以使对霜敏感组织长出时已不会发生霜害。还有非化学防霜方法，包括Muscatell的美国专利4,434,345，涉及果树防霜的微波系统，通过该系统产热防止冻害，以及Donohue等的美国专利4,901,472，涉及在树干上使用绝缘垫用于保护柑橘树防霜害的方法和装置。M.Wisniewski和M.Fuller(Ice nucleation and deepsupercoolingnew insights using infrared thermography inColdAdaptedOrganismsFundamentals andApplications.Eds.R.Margesin and F.Schinner，Landes BioScience，Austin，TX)指出在植物表面上使用硅润滑脂形成防水性膜以防止冰扩散至植物并使植物过冷，因此可防霜害。然而，对植物使用硅润滑脂是有植物毒性的，因为它阻止了叶片与外界的气体交换。因此，目前仍然需要一种可防冻害，成本低，无毒并且不影响气体交换的试剂，或植物、特别是园艺作物生理上可接受的其它方法。
第四类技术涉及通过植物遗传工程增强其耐寒力。Caceci等的美国专利5,932,697和5,925,540涉及合成一种可增强抗寒力的肽的方法。Guy等的美国专利5,837,545涉及合成可增强抗寒力的多肽的方法。
发明概述在一个实施方案中，本发明涉及提高植物对低于约-2℃的温度的过冷特性的方法，包括通过在植物的能够支撑水滴的各部分上形成基本上连续的粒状材料疏水膜而防止植物附近形成冰晶，所述粒状材料具有这样一个颗粒大小分布，该分布中多达约90％重量的颗粒的颗粒大小为约100μm或更小，以及基本上连续的疏水膜的厚度为约1μm至约1,000μm。
在另一实施方案中，本发明涉及提高园艺作物对低于约-3℃的温度的过冷特性的方法，包括通过在园艺作物的能够支撑水滴的各部分上施用含有粒状材料和液体的浆液而防止园艺作物附近形成冰晶；并使液体蒸发从而在园艺作物上形成基本连续的粒状材料疏水膜，所述粒状材料具有这样一个颗粒大小分布，该分布中多达约90％重量的颗粒的颗粒大小为约10μm或更小，以及基本连续的疏水膜的厚度为约3μm至约750μm。
还有一个实施方案中，本发明涉及提高园艺作物对低于约-4℃的温度的过冷特性的方法，包括通过在园艺作物的能够支撑水滴的各部分上施用含有粒状材料、液体和助剂的浆液而防止园艺作物附近形成冰晶；并使液体蒸发从而在园艺作物上形成基本连续的粒状材料疏水膜，所述粒状材料具有这样一个颗粒大小分布，该分布中多达约90％重量的颗粒的颗粒大小为约10μm或更小，以及基本连续的疏水膜含有约25至约5000微克的粒状材料/平方厘米园艺作物表面。
另外还有一个实施方案中，本发明涉及提高植物对低于约-2℃的温度的过冷特性的方法，包括通过在植物的至少一个能够支撑水滴的部分上形成基本连续的夹杂空气的粒状材料疏水膜而防止植物附近形成冰晶，所述粒状材料具有这样一个颗粒大小分布，该分布中多达约90％重量的颗粒的颗粒大小为约100μm或更小，以及基本连续的疏水膜的厚度为约100μm至约10,000μm。


图1A-1C是根据实施例3处理后的叶片照片。
图2A-2C是根据实施例4处理后的叶片照片。
图3例举了用各种材料和制剂对叶面的覆盖情况。
图4例举了用各种材料和制剂对叶面的覆盖情况。
图5例举了用各种材料和制剂对叶面的覆盖情况。
图6例举了用各种材料和制剂对叶面的覆盖情况。
图7例举了霜冻后处理叶片和未处理叶片的情况。
图8例举了霜冻后处理叶片和未处理叶片的情况。
图9例举了霜冻后处理叶片和未处理叶片的情况。
图10例举了霜冻后处理叶片和未处理叶片的情况。
图11例举了霜冻后处理叶片和未处理叶片的情况。
图12例举了霜冻后处理叶片和未处理叶片的情况。
图13例举了霜冻后处理叶片和未处理叶片的情况。
图14例举了霜冻后处理叶片和未处理叶片的情况。
图15例举了处理叶片和未处理叶片的冻害情况。
图16例举了处理叶片和未处理叶片的冻害情况。
发明详述此处使用的术语“过冷”是一种物理现象，该物理现象中液态水冷却至低于0℃的温度但并不结冰。抑制了冰的形成是因为缺少诱导结冰所需的冰核或将水从这些冰核中分离出来。植物的过冷现象是一种有利的现象，因为并不是冻结温度本身引起冻害，而是植物上/内部冰晶的形成通过细胞的干燥和/或物理破裂而损害和杀死植物组织。
根据本发明可处理的植物包括园艺作物以及特别是生长盛期的农作物，生长盛期的观赏作物，结果型农作物以及结果型观赏作物及其产品。农作物是指可获得有用产品(例如食品，饲料，纤维产品等)的植物。观赏作物是指用于装饰或风景用途的那些植物。
通常，上述植物的实例包括水果，蔬菜，树，花，灌木，灌木丛，草，根，种子以及其它景观植物和观赏植物。根据本发明可处理的植物的任何部分包括无论它们是否处于休眠或生长阶段的叶片，枝条，茎，树干，芽，花，和果实。根据本发明可处理的具体实例包括梨树，苹果树，柑桔树，葡萄树，柑橘树，油桃树，桃树，樱桃树，李子树，柠檬树，杏树，覆盆子植物，草莓植物，乌饭树，黑莓植物，番茄植物，谷物，豆类(包括大豆)，南瓜，烟草，玫瑰，紫罗兰，郁金香等。
通常，本发明涉及向植物施用粒状材料，这提供或增强植物的过冷特性从而防止在大气压下低于0℃的温度下在植物上形成冰晶。一个实施方案中，本发明方法可防止在大气压下低于约-2℃的温度下在处理后的植物上形成冰晶。另一个实施方案中，本发明方法可防止在大气压下低于约-3℃的温度下在处理后的植物上形成冰晶。还有另一个实施方案中，本发明方法可防止在大气压下低于约-4℃的温度下在处理后的植物上形成冰晶。在一个优选实施方案中，本发明方法可防止在大气压下低于约-5℃的温度下在处理后的植物上形成冰晶。另一个实施方案中，本发明方法可防止在大气压下在约-6℃的温度下或低于约-6℃的温度下在处理后的植物上形成冰晶。
适用于本发明的粒状材料是疏水的。在一个实施方案中，粒状材料内部及其本身都是疏水的，(例如矿物滑石)。在另一实施方案中，粒状材料是亲水材料，通过使用适合的疏水湿润剂或偶联剂的外涂层以赋予其疏水性(例如，一个实施方案中粒状材料具有亲水内核和疏水外表面)。
疏水材料的实例包括矿物滑石。通过使用适合的疏水湿润剂或偶联剂的外涂层以赋予其疏水性的粒状亲水材料的实例包括各种矿物，例如碳酸钙，滑石，高岭土(含水高岭土和煅烧高岭土，并优选煅烧高岭土)，膨润土，粘土，叶蜡石，白云石，二氧化硅，长石，砂子，石英，白垩，石灰石，沉淀碳酸钙，硅藻土和重晶石；功能性填料例如三水合铝，锻制二氧化硅，和二氧化钛。
通过与至少一种疏水湿润剂或偶联剂接触可将粒状亲水材料的表面变为疏水性。工业矿物应用，特别是在有机体系例如塑料复合材料，膜，有机涂层或橡胶领域中，采用疏水表面处理以赋予矿物表面疏水性；参见，例如Jesse Edenbaum，Plastics Additives and ModifiersHandbook，Van Nostrand Reinhold，New York，1992，第497-500页，上述有关疏水表面处理材料及其应用方面的教导在此引入作为参考。
偶联剂如脂肪酸化合物和硅烷化合物可用于表面处理固体颗粒以提供其表面疏水性。这类疏水剂在本领域是已知的。实例包括TioxideChemicals生产的商品名为Tilcom的有机钛酸盐；KenrichPetrochemical，Inc.生产的有机锆酸盐或铝酸盐偶联剂；有机官能硅烷如乙烯基三乙氧基硅烷，乙烯基三-(2-甲氧基乙氧基)硅烷，γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，β-(3，4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷，γ-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷，γ-巯基丙基三甲氧基硅烷，γ-氨基丙基三乙氧基硅烷，N-β-(氨基乙基)-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷，和β-巯基乙基三乙氧基硅烷，以及其它如Witco生产的商品名为Silquest或PCR生产的Prosil产品；改性硅树脂液如Shin Etsu生产的DM-Fluids；以及脂肪酸如二压硬脂酸和三压硬脂酸以及其它如WitcoCorporation生产的商品名为Hystrene或Industrene的产品或Henkel Corporation生产的Emersol产品。在一个优选实施方案中，硬脂酸和硬脂酸盐可特别有效地提供颗粒表面疏水性。
适用于本发明的优选粒状材料的实例可以是市售产品，包括Engelhard Corporation，Iselin，NJ生产的商品名为Translink的硅氧烷处理的煅烧高岭土；以及商品名为Supercoat的碳酸钙。
适用于本发明的粒状材料是细碎的。此处使用的术语细碎是表示粒状材料的中值颗粒大小(平均直径)小于约100微米。在一个实施方案中，粒状材料的中值颗粒大小为约10微米或更小。在另一实施方案中，粒状材料的中值颗粒大小为约3微米或更小。还有另一实施方案中，粒状材料的中值颗粒大小为约1微米或更小。
此处使用的颗粒大小以及颗粒大小分布是采用MicromeriticsSedigraph 5100颗粒大小分析仪测量的。记录在去离子水中亲水颗粒的测定结果。制备分散液即称4克干样品加入塑料烧杯中，加入适合的分散剂并用去离子水稀释至80ml刻度。然后搅拌浆液并置于超声波浴中290秒。通常，使用0.5％焦磷酸四钠作为高岭土的分散剂；以及碳酸钙使用1.0％Calgon T。将各种粉末的典型密度编入沉降图(sedigraph)，例如高岭土为2.58g/ml。将样品池装满样品浆液，记录X射线并通过Stokes公式转换为颗粒大小分布曲线。以50％水平确定中值颗粒大小。
在一个优选实施方案中，粒状材料具有这样一种颗粒大小分布，其中至少约90％重量的颗粒具有小于约100微米的颗粒大小。在另一实施方案，粒状材料具有这样一种颗粒大小分布，其中至少约90％重量的颗粒具有约10微米或更小的颗粒大小。还有另一实施方案中，粒状材料具有这样一种颗粒大小分布，其中至少约90％重量的颗粒具有约3微米或更小的颗粒大小。还在另一实施方案中，粒状材料具有这样一种颗粒大小分布，其中至少约90％重量的颗粒具有约1微米或更小的颗粒大小。
用适量的一种或多种粒状材料处理植物表面可有效地提高植物的过冷特性。粒状材料的用量根据各种因素而变化，如粒状材料的同一性，植物种类，期望不形成冰晶的温度(例如，-2℃或-4℃)等。向植物上施用的用以提高过冷特性的粒状材料的用量可由本领域技术人员确定。将粒状材料施用于植物以覆盖植物所有或部分表面。仅覆盖植物的一部分可以是有效的，例如，根据本发明无需处理植物下表面(即该部分不直接暴露于可结冰的水源，如露水)。尽管全部覆盖植物能够降低可能发生冰核作用的位点数，但在某些情况下植物的完全覆盖是不必要的(优选覆盖植物上表面的至少一个重要部分)。
施用本发明粒状材料导致在植物表面形成一层或多层粒状材料的残留物、泡沫、薄膜或膜。某些情况下，使用残留物、泡沫、薄膜或膜中任一术语都包括其它三种术语的含义。粒状材料的用量应足以全部或部分涂布植物表面并使植物表面具有防水性。各种环境条件，如风和雨，可削减植物上的粒状材料量，因此优选某些情况下在植物易于受到霜害的生长季节内一次或多次施用粒状材料以保持本发明所期望的防霜效果。
将粒状材料施用至植物后，在以浆液方式施用粒状材料的各实施方案中使浆液干燥(挥发性液体蒸发)，其中形成连续或基本连续的粒状材料疏水膜。连续(或基本连续)的描述，表示在施用位点，干膜是连续的(或基本连续的)。例如，在使用本发明粒状材料覆盖水果上部三分之一的实施方案中，覆盖了水果上部三分之一的膜是连续或基本连续的而水果的下部三分之二并没有覆盖粒状材料。类似的，在用本发明粒状材料覆盖叶片上表面或朝上部分的实施方案中，覆盖叶片上表面或朝上部分的膜是连续的或基本连续的而叶片下表面或朝下部分并没有覆盖粒状材料。通常，根据本发明覆盖或处理的植物表面各部分包括能够支撑水滴从而最小化和/或防止水与植物表面之间接触的那些部分。通过防止植物表面上出现或聚积水滴，以使冰晶的形成和/或冰核作用位点最小化和/或消除。
在植物表面的覆盖部分，粒状材料膜基本上是连续的，因为该膜覆盖了约75％至约100％的表面积，这样粒状材料膜的开口或不连续区占表面积的约0％至约25％。在另一实施方案中，粒状材料膜是基本上连续的，因为该膜覆盖了约90％至约99.9％的涂布表面积，这样粒状材料膜的开口或不连续区占涂布表面积的约0.1％至约10％。还有另一实施方案，粒状材料膜是基本上连续的，因为该膜覆盖了约95％至约99％的涂布表面积，这样粒状材料膜的开口或不连续区占涂布表面积的约5％至约1％。
在基本连续的粒状材料膜中，膜中开口、空隙或不连续区的最大平均大小(平均直径)通常小于约100μm。另一实施方案中，粒状材料膜中开口或不连续区的最大平均大小通常小于约10μm。还有另一实施方案中，粒状材料膜中开口或不连续区的最大平均大小通常小于约5μm。
使用的粒状材料膜的厚度为约1μm或100μm至约10,000μm。另一实施方案中，粒状材料膜的厚度为约3μm至约1,000μm。还有另一实施方案中，粒状材料膜的厚度为约5μm至约500μm。
在一个优选实施方案中，粒状材料的施用量应使覆盖的植物表面部分外表上看起来呈白色或透明。一个实施方案中，使用约25至约5000微克的粒状材料/平方厘米植物表面，以全部或部分涂布植物表面，其中颗粒的比重约2-3g/cm3。另一实施方案中，使用约50至约3000微克的粒状材料/平方厘米植物表面，以全部或部分涂布植物表面，其中颗粒的比重约2-3g/cm3。还有另一实施方案中，使用约100至约500微克的粒状材料/平方厘米植物表面，以全部或部分涂布植物表面，其中颗粒的比重约2-3g/cm3。
在一个优选实施方案中，粒状材料与植物的接触是通过将粒状材料以细碎颗粒在挥发性液体中的浆液方式施用至植物，其中挥发性液体例如水，低沸点有机溶剂或低沸点有机溶剂/水混合物。浆液的制备是通过将粒状材料、液体、以及其它可选择的组分(如分散剂)组合，并将各组分混合形成浆液。在一个优选实施方案中，采用高剪切混合方式混合各组分以形成浆液。另一实施方案中，粒状材料与植物的接触是通过将粒状材料以粉剂方式(基本上为干燥状态)施用至植物。
用于本发明目的的粒状材料可以细碎颗粒在挥发性液体中的浆液(掺入空气以产生泡沫)方式施用，其中使用的挥发性液体例如水，低沸点有机溶剂或低沸点有机溶剂/水混合物。在制备本发明粒状材料的掺气含水浆液时可加入助剂如表面活性剂，分散剂，或展着剂/粘着剂。通过喷雾或其它方式将一层或多层该泡沫状浆液施用至植物表面。优选使挥发性液体在泡沫涂层间蒸发。
通过喷雾或其它方式向植物表面施用一层或多层该浆液。另一实施方案中，向植物表面施用两层或多层该浆液。当施用两层或多层浆液时，优选挥发性液体在涂层间蒸发。本发明处理所得残留物是疏水的。施用粉末状颗粒(虽然由于飘浮和吸入危害，大规模商业应用是不可行的)是采用浆液方式向植物施用粒状材料的一种替代方式。
可向粒状材料浆液中加入添加剂或助剂如表面活性剂，分散剂或展着剂/粘着剂(粘合剂)。例如，可与疏水粒状材料(通常浆液情况下在水中含有3％或更多的固体)混合以帮助在植物上均匀喷雾处理的粘着剂包括植物油基材料如棉籽油，以及其它市售不润湿的粘着剂。一个实施方案中，添加剂的用量为粒状材料的约0.01％至约50％重量。另一实施方案中，添加剂的用量为粒状材料的约0.1％至约25％重量。
低沸点有机液体优选水混溶性的并含有1至约6个碳原子。此处使用的术语低沸点表示沸点通常不高于约100℃的有机液体。这些液体促进粒状材料保持细碎状态而不发生明显附聚的能力。低沸点有机液体的实例包括醇如甲醇，乙醇，丙醇，异丙醇，丁醇，异丁醇等，酮如丙酮，甲乙酮等，以及环醚如环氧乙烷，环氧丙烷和四氢呋喃。还可以使用上述液体，与水或不含水的混合物。甲醇是优选的低沸点有机液体。
可使用低沸点有机液体以便于将粒状材料通过喷雾施用至植物上。通常，低沸点有机液体的用量应足以形成粒状材料分散液。一个实施方案中，低沸点有机液体的用量为分散液(浆液)的约0％至约30％(体积百分数)。另一实施方案中，低沸点有机液体的用量为分散液的约3％至约5％(体积百分数)。还有另一实施方案中，低沸点有机液体的用量为分散液的约3.5％至约4.5％(体积百分数)。
在使用低沸点有机液体的各实施方案中，优选将粒状材料加入低沸点有机液体中以形成浆液，然后将浆液用水稀释以形成水分散液。所得浆液保持颗粒的细碎状态，其中大多数(至少约90％重量)颗粒分散至颗粒大小为小于约100微米或更小。
特别适用于本发明的粒状材料是惰性的并且是无毒的。正如此处使用的，惰性粒状材料是没有植物毒性的颗粒。优选无毒粒状材料是表示在可有效提高过冷特性以防止冻害的用量下，认为该粒状材料对动物，环境，施药设备以及最终用户是无害的。
本发明涉及处理后的植物以及特别是处理后的园艺作物，其中植物表面被一层或多层粒状材料处理。本发明处理并不明显影响处理过的植物的表面上的气体交换。通过颗粒处理(或颗粒处理残留物)的气体是通常通过活体植物表面进行交换的那些气体。这类气体的实例包括水蒸气，二氧化碳，氧气，氮气和挥发性有机物。
下列实施例用于阐释本发明方法。除非另有说明，在下列实施例，说明书和权利要求书中，所有份数和百分数都以重量计，温度以摄氏度表示以及压力为大气压或接近大气压。
实施例1‘Red Delicious’苹果树接受了下述处理
1)采用 Virginia，West Virginia and Maryland CooperativeExtension 1997 Spray Bulletin for Commercial Tree Fruit Growerspublication 456-419中公开的方法，根据存在的害虫实际水平以常规农药施用方法施用药剂；2)未处理；以及3)从3月11日开始，此时植物正处于休眠阶段，每周施用Translink77。处理(3)施用25磅材料，该材料悬浮于4加仑甲醇并加至100加仑水中。该处理是使用果园喷雾器以125加仑/英亩比例施用。处理是采用随机化完全区组设计，设置4个重复以及3棵树/区。各处理没有进行灌溉并在5月至8月30日(同一年)的降水量为21.58cm。成熟后收获果实，收获时统计果实数量。采用随机化完全区组设计使用方差分析方法分析数据。
表1处理 果实数/树1)常规 3222)对照 2463)Translink77 382萌芽期和(同年)4月9日发生严重霜冻(最低温度为20°F)之前施用Translink77减少了霜害，这通过与常规对照处理(322)以及未处理对照(246)相比达到成熟的果实数更多(382)而得到证实。未处理对照果实数比常规对照果实数减少是由于病害和虫害引起的额外的落果。
实施例2‘Seckel’梨树接受了下列处理1)采用Virginia，West Virginiaand Maryland Cooperative Extension 1997 Spray Bulletin forCommercial Tree Fruit Growers publication 456-419中公开的方法，根据存在的害虫实际水平以常规农药施用方法施用药剂；2)未处理；以及3)从4月29日开始，每周施用Translink77。4)从4月29日开始，每周施用煅烧高岭土(Satintone5HP)；5)从4月29日开始，每周施用处理过的碳酸钙(English China Clay生产的Supercoat)；以及6)从4月29日开始，每周施用Translink37(所有的4月29日都在同一年)。处理3，5和6涉及施用25磅材料，该材料已悬浮于4加仑甲醇并加入到100加仑水中。处理(4)施用25磅材料，该材料已悬浮于100加仑水并加入了27盎司的NinexMT-603和2品脱的Toximul。这些处理是使用果园喷雾器以125加仑/英亩比例施用。处理是采用随机化完全区组设计，设置2个重复以及4棵树/区。(同年)10月23日发生25°F霜冻并且(同年)10月28日评估叶片的冻害情况。收集40片叶子/区(每棵树10片)评估冻害情况。具有从叶缘至中脉的坏死斑并延伸至叶片远轴端的叶片表现为冻害。未受冻害的叶片没有上述坏死斑。将每张叶片分为冻害或未受冻害叶片以及采用图像分析方法计算每一区的未受冻害百分数。根据随机化完全区组设计采用方差分析方法分析数据。
处理 叶片伤害情况(％总面积)1)常规 632)未处理对照 833)Translink77 214)Satintone5HB 615)Supercoat186)Translink37 19施用疏水颗粒(Translink77，Translink37，和Supercoat)与未处理对照或常规处理相比减小冻害。施用亲水材料(Satintone5HB)，与常规处理相比并不能降低冻害。
实施例3在两片番茄叶片(Lycopersicon esculentum)的每一片上滴加含冰核细菌(丁香假单胞菌)的5μl水滴。在滴加水滴之前一片不处理而另一片用Translink77悬浮液涂布。将9克Translink77与12毫升甲醇混合并将该混合物加入88毫升水中制备悬浮液。用该悬浮液喷雾番茄叶片至滴流并干燥。将叶片置于可控环境条件室中并以8℃/小时的速率降温直至叶片和空气温度平衡于0℃。随着温度的降低使用Inframetrics 760红外摄像机和记录仪记录空气，叶片和水滴的温度。结冰时，由于水的熔化热而释放热量，于是冻结组织或水的温度上升。在下列各实施例中，冻结定义为发生与结冰相关的温升并且冻结组织比未冻结组织具有更高的温度。在低于0℃的温度下组织不结冰，则表明发生了过冷现象。在实施例3中，将气温降至-5.5℃。
图1一般性地表明Translink77用于阻止番茄叶片结冰的能力。图1A表示暴露于-6.0℃之后的未处理叶片(左)和Translink77处理的叶片(右)。未处理叶片由于冻害成为完全浸水状态，而Translink77处理的叶片未受到伤害。图1A中，左面的未处理叶片由于冻害证实呈浸水状态，而处理叶片，洗掉颗粒材料后证实没有受到冻害。约-1.5℃下水滴结冰。
图1B显示了未处理(左)和Translink77处理(右)叶片的红外图象，证实了未处理叶片的结冰和放热现象从而提高了叶片(左)温度。由于提高的过冷特性，处理后的叶片(右)在-3.2℃下并不结冰。每张叶片上的黑点代表加至叶面上的水滴。图1B中，在未处理叶片(左)上的结冰水滴的存在诱导了整个叶片的冻结，而处理叶片的叶片上没有结冰。由于结冰放热，左侧叶片温度高于过冷但没有结冰的右侧叶片。
图1C显示了未处理(左)和Translink77处理(右)叶片的红外图象，证实了未处理叶片的结冰和放热现象从而提高了叶片(左)温度。由于提高的过冷特性，处理后的叶片(右)在-5.5℃下并不结冰。每张叶片上的黑点代表加至叶面上的水滴。图1C进一步证实了处理后的叶片(右)冷至-5.5℃下没有结冰而未处理叶片(左)结冰且具有较热的温度(约-3.5℃)。
实施例4如实施例3所述方法将整株番茄植物用Translink77处理。将含有冰核细菌的水喷雾处理过的和未处理过的植物并置于可控环境条件的室中，以8℃/小时降低温度直至植物和气温平衡于0℃。随着温度的降低，使用Inframetrics 760红外摄像机和记录仪记录空气，叶片和水滴温度。
图2表明Translink77阻止整株番茄植物结冰的能力。图2A表示暴露于-6.1℃后的未处理植物(左)和Translink77处理的植物(右)。未处理植物由于冻害成为完全浸水和萎蔫状态，而Translink77处理的植物未受到伤害。图2A阐释了未处理植物(左)被冻死，而处理植物(右)在暴露于-6.1℃后没有受到冻害。
图2B显示了未处理(右)和Translink77处理(左)植株的红外图象，证实了未处理植株的结冰和放热现象从而提高了植株(右)的温度。由于提高的过冷特性，处理后的叶片(左)在约-2℃下没有结冰。图2B中阐释了未处理植物(右)在约-2℃下结冰并由于结冰放热而比处理植物(左)更热一些。
图2C显示了未处理(右)和Translink77处理(左)植物的红外图象，证实了未处理植物的结冰和放热现象从而提高了叶片(右)温度。由于提高的过冷特性，处理后的叶片(左)在-6.1℃下并不结冰。图2C阐释了与未处理植物(右)相比，处理后的植物(左)保持在-6.1℃下不结冰。
实施例5比较两种疏水材料(Translink77和Supercoat)，两种亲水材料(Satintone5HB，和Supermite)，以及作为结冰对照的市售产品(Frost Shield)。采用4种不同方法制备疏水颗粒1)将材料喷粉于植物上；2)将3克材料与100毫升水强力搅拌并边搅拌边喷雾至植物上；3)将3克材料与含有0.5毫升棉籽油的100毫升水强力搅拌，边搅拌边将悬浮液喷雾至植物上；以及4)将3克材料与4毫升甲醇混合，并将该混合物加入96毫升水中。亲水材料的制备和使用类似于上述1)，2)和3)。留下一张叶片不处理而另一张叶片涂布一种材料。用悬浮液喷雾番茄叶片至滴流并干燥。在两张番茄(Lycopersicon esculentum)叶片中的每一片上都滴加含冰核细菌(丁香假单胞菌)的5μl水滴。将叶片置于可控环境条件室中，以8℃/小时降温直至叶片和空气温度平衡于0℃。随着温度的降低使用Inframetrics 760红外摄像机和记录仪记录空气，叶片和水滴的温度。将气温降至-5.0℃。所有情况下，疏水颗粒处理的叶片不结冰而未处理叶片和亲水材料处理的叶片结冰。
图3-6例举了各种材料和制剂在叶面上的覆盖情况。值得注意的是疏水处理中会发生不完全覆盖但在0至-5.0℃范围内并不降低过冷特性。图7-14例举了疏水颗粒处理的叶片不结冰而未处理叶片结冰。图15和16例举了类似于未处理叶片，亲水颗粒处理的叶片和FrostShield处理(用4盎司FrostShield/2夸脱水喷雾至滴水)叶片结冰。
图3一般性地表示对Supercoat制剂的评估。图3A表示以粉剂方式施用Supercoat获得的处理植物，图3B表示以水悬浮剂方式施用Supercoat获得的处理植物，图3C表示用含0.5％棉籽油的水悬浮剂施用Supercoat获得的处理植物，以及图3D表示采用首先将Supercoat悬浮于甲醇并将悬浮液加入水中制成的3％Supercoat处理的植物。
图4一般性地表示对Translink77制剂的评估。图4A表示用粉剂处理的植物，图4B表示使用Translink77的水悬浮剂处理的植物，图3C表示使用含0.5％棉籽油的Translink77水悬浮剂处理的植物，以及图3D表示将Translink77悬浮于甲醇并将悬浮液加入水中制成的Translink77处理的植物。
图5一般性地表示对Supermite制剂的评估。上图中植物用粉剂处理，中间的图中植物用Supermite的水悬浮液处理，以及下图中植物用含有0.5％棉籽油的Translink77水悬浮剂处理。
图6一般性地表示对Satintone 5HB制剂的评估。上图中植物用粉剂处理，中间的图中植物用Satintone 5HB的水悬浮液处理，以及下图中植物用含有0.5％棉籽油的Satintone 5HB水悬浮剂处理。
图7一般性地表示用Supercoat的粉剂处理的植物的红外图象。上图表示未处理的叶片(左)和处理叶片(右)的结冰记录过程。植物未结冰。下图表示未处理叶片(左)和处理叶片(右)的结冰过程。未处理叶片结冰并证实了结冰放热，而处理叶片在-5.0℃下保持不结冰。每张叶片上的圆点是含有冰核细菌的水滴。
图8一般性地表示用已悬浮于甲醇和水中的固体形式(3％w/w)的Supercoat处理的植物的红外图象。上图表示未处理叶片(左)和处理叶片(右)的结冰记录过程。植物未结冰。下图表示未处理叶片(左)和处理叶片(右)的结冰过程。未处理叶片结冰并证实了结冰放热，而处理叶片在-2.5℃下保持不结冰。每张叶片上的圆点是含有冰核细菌的水滴。
图9一般性地表示用含0.5％棉籽油的Supercoat水成液处理的植物的红外图象。上图表示未处理叶片(左)和处理叶片(右)的结冰记录过程。植物未结冰。下图表示未处理叶片(左)和处理叶片(右)的结冰过程。未处理叶片结冰并证实了结冰放热，而处理叶片在-4.5℃下保持不结冰。每张叶片上的圆点是含有冰核细菌的水滴。
图10一般性地表示用Supercoat水成液处理的植物的红外图象。上图表示未处理叶片(左)和处理叶片(右)的结冰记录过程。植物未结冰。下图表示未处理叶片(左)和处理叶片(右)的结冰过程。未处理叶片结冰并证实了结冰放热，而处理叶片在-2.8℃下保持不结冰。每张叶片上的圆点是含有冰核细菌的水滴。
图11一般性地表示用悬浮于甲醇并加入水的Translink77处理的植物的红外图象。上图表示未处理叶片(左)和处理叶片(右)的结冰记录过程。植物未结冰。下图表示未处理叶片(左)和处理叶片(右)的结冰过程。未处理叶片结冰并证实了结冰放热，而处理叶片在-4.5℃下保持不结冰。每张叶片上的圆点是含有冰核细菌的水滴。
图12一般性地表示用含0.5％棉籽油的Translink77水成液处理的植物的红外图象。上图表示未处理叶片(左)和处理叶片(右)的结冰记录过程。植物未结冰。下图表示未处理叶片(左)和处理叶片(右)的结冰过程。未处理叶片结冰并证实了结冰放热，而处理叶片在-4.5℃下保持不结冰。每张叶片上的圆点是含有冰核细菌的水滴。
图13一般性地表示用Translink77水成液处理的植物的红外图象。上图表示未处理叶片(左)和处理叶片(右)的结冰记录过程。植物未结冰。下图表示未处理叶片(左)和处理叶片(右)的结冰过程。未处理叶片结冰并证实了结冰放热，而处理叶片在-4℃下保持不结冰。每张叶片上的圆点是含有冰核细菌的水滴。
图14一般性地表示用Translink77的粉剂处理的植物的红外图象。上图表示未处理叶片(左)和处理叶片(右)的结冰记录过程。植物未结冰。下图表示未处理叶片(左)和处理叶片(右)的结冰过程。未处理叶片结冰并证实了结冰放热，而处理叶片在-5℃下保持不结冰。每张叶片上的圆点是含有冰核细菌的水滴。
图15一般性地表示结冰记录过程中番茄叶片的红外图象。上图中，显示了结冰的早期阶段，此时还没有出现真正结冰。(a)表示未处理叶片，(b)FrostShield处理的叶片，(c)使用Supermite粉剂处理的叶片，(d)使用Supermite水成液处理的叶片，(e)使用含0.5％棉籽油的Supermite水成液处理的叶片，(f)悬浮于甲醇和水中的Translink77处理的叶片。下图中，除Translink77处理的叶片在-4.2℃下未结冰外，所有叶片都结冰。
图16一般性地表示结冰记录过程中番茄叶片的红外图象。上图中，显示了结冰的早期阶段，此时还没有出现真正结冰。(a)表示未处理叶片，(b)FrostShield处理的叶片，(c)使用Satintone 5HB的粉剂处理的叶片，(d)使用Satintone 5HB水成液处理的叶片，(e)使用含0.5％棉籽油的Satintone 5HB水成液处理的叶片，(f)悬浮于甲醇和水中的Translink77处理的叶片。下图中，除Translink77处理的叶片在-4.2℃下未结冰外，所有叶片都结冰。
在根据优选实施方案解释本发明的同时，可以理解在阅读本发明说明书的基础上作出的各种改进方案对本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，可以认为此处公开的本发明意味着覆盖了落入本发明权利要求书保护范围内的上述所有改进方案。
权利要求
1.提高植物对低于约-2℃的温度的过冷性能的方法，包括通过在植物的能够支撑水滴的各部分上形成基本上连续的粒状材料疏水膜而防止植物附近形成冰晶，所述粒状材料具有这样一种颗粒大小分布，该分布中多达约90％重量的颗粒的颗粒大小为约100μm或更小，以及基本上连续的疏水膜的厚度为约1μm至约1,000μm。
2.权利要求1的方法，其中粒状材料是疏水的。
3.权利要求1的方法，其中粒状材料防止水在植物表面上的聚积。
4.权利要求1的方法，其中粒状材料防止冰通过植物外皮，气孔或植物外皮中的病斑的扩展。
5.权利要求1的方法，其中粒状材料具有这样一种颗粒大小分布，该分布中多达约90％重量的颗粒的颗粒大小为约10μm或更小。
6.权利要求1的方法，其中粒状材料包括亲水核心和疏水外表面。
7.权利要求6的方法，其中亲水核心包括碳酸钙，云母，高岭土，膨润土，叶蜡石，二氧化硅，长石，砂子，石英，白垩，石灰石，硅藻土，重晶石，三水合铝和二氧化钛中的至少一种。
8.权利要求6的方法，其中亲水核心包括碳酸钙，云母，滑石，含水高岭土，煅烧高岭土，膨润土，叶蜡石，白云石，二氧化硅，长石，砂子，石英，白垩，石灰石，沉淀碳酸钙，硅藻土，重晶石，三水合铝，锻制二氧化硅和二氧化钛中的至少一种。
9.权利要求6的方法，其中疏水外表面包括有机钛酸盐，有机锆酸盐或铝酸盐偶联剂，有机官能硅烷，改性硅树脂液和脂肪酸及其盐中的至少一种。
10.权利要求1的方法，其中植物是生长盛期的农作物，结果型农作物，生长盛期的观赏作物，以及结果型观赏作物中的至少一种。
11.权利要求1的方法，其中植物是水果，蔬菜，树，花，草，根，种子以及景观和观赏植物中的至少一种。
12.权利要求1的方法，其中粒状材料的中值颗粒大小为约3μm或更小。
13.权利要求6的方法，其中亲水核心包括碳酸钙和煅烧高岭土中的至少一种。
14.权利要求1的方法，其中粒状材料包括疏水处理的碳酸钙和疏水处理的煅烧高岭土中的至少一种。
15.提高园艺作物对低于约-3℃的温度的过冷特性的方法，包括通过在园艺作物的能够支撑水滴的各部分上施用一种含有粒状材料和一种液体的浆液而防止园艺作物附近形成冰晶；以及使液体蒸发从而在园艺作物上形成基本连续的粒状材料疏水膜，所述粒状材料具有这样一种颗粒大小分布，该分布中多达约90％重量的颗粒的颗粒大小为约10μm或更小，以及基本连续的疏水膜的厚度为约3μm至约1,000μm。
16.权利要求15的方法，其中将粒状材料在所述园艺作物的生长季节内一次或多次施用。
17.权利要求15的方法，其中粒状材料具有这样一种颗粒大小分布，该分布中多达约90％重量的颗粒的颗粒大小为约3μm或更小。
18.权利要求15的方法，其中粒状材料包括亲水核心和疏水外表面。
19.权利要求18的方法，其中亲水核心包括碳酸钙，云母，高岭土，膨润土，叶蜡石，二氧化硅，长石，砂子，石英，白垩，石灰石，硅藻土，重晶石，三水合铝和二氧化钛中的至少一种。
20.权利要求15的方法，其中基本连续的疏水膜包括平均大小小于约100μm的不连续区。
21.提高园艺作物对低于约-4℃的温度的过冷特性的方法，包括通过在园艺作物的能够支撑水滴的各部分上施用含有粒状材料、液体和助剂的浆液而防止园艺作物附近形成冰晶；以及使液体蒸发从而在园艺作物上形成基本连续的粒状材料疏水膜，所述粒状材料具有这样一种颗粒大小分布，该分布中多达约90％重量的颗粒的颗粒大小为约10μm或更小，以及基本连续的疏水膜含有约25至约5000微克的粒状材料/平方厘米园艺作物表面。
22.权利要求21的方法，其中粒状材料防止水在植物表面上的积聚。
23.权利要求21的方法，其中粒状材料具有这样一种颗粒大小分布，该分布中多达约90％重量的颗粒的颗粒大小为约1μm或更小。
24.权利要求21的方法，其中粒状材料包括亲水核心和疏水外表面。
25.权利要求24的方法，其中亲水核心包括碳酸钙，云母，高岭土，膨润土，叶蜡石，二氧化硅，长石，砂子，石英，白垩，石灰石，硅藻土，重晶石，三水合铝和二氧化钛中的至少一种。
26.权利要求21的方法，其中基本连续的疏水膜包括平均大小小于约100μm的不连续区。
全文摘要
在一个实施方案中,本发明涉及提高植物对低于约－2℃的温度的过冷特性的方法,包括通过在植物的能够支撑水滴的各部分上形成基本上连续的粒状材料疏水膜而防止植物附近形成冰晶,所述粒状材料具有这样一种颗粒大小分布,该分布中多达约90%重量的颗粒的颗粒大小为约100μm或更小,以及基本上连续的疏水膜的厚度为约1μm至约1,000μm。
文档编号A01N25/04GK1377222SQ00813608
公开日2002年10月30日 申请日期2000年9月12日 优先权日1999年9月30日
发明者D·M·格林, M·威斯纽斯基, G·J·普特卡, D·塞古特奥斯基 申请人:恩格尔哈德公司, (由农业部部长代表的)美利坚合众国