CN103063655B - 一种施压检测棉花苗期到花铃期矿质养分循环的方法 - Google Patents
一种施压检测棉花苗期到花铃期矿质养分循环的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供的一种施压检测棉花苗期到花铃期矿质养分循环的方法，其特点(1)棉花植株的蒸腾作用可正常进行；(2)没有破坏棉花韧皮部光合产物和矿质养分的运输，体内的养分循环过程仍能进行；(3)在目前尚无较好的研究韧皮部运输的方法情况下，此法将直接测得棉花木质部汁液养分含量并进行数学计算，可以定量了解一段时间内植物体内养分的循环过程；(4)用于收集的木质部汁液的植株可以反复多次使用，从而能够跟踪了解同一植株在不同生长时期木质部汁液的变化情况，还可用以研究养分供应改变对木质部汁液组成的影响；另外，此法还可以用于定量研究不同植物中N、Na、Mg、p等元素在植物体内的分配和循环过程。
Description
技术领域
本发明涉及植物矿质养分的测试技术，给正常生长的棉花植株根系施加一定压力，研究其吸收的养分在体内的运输和循环过程，具有重要的科学实践价值。
背景技术
矿质养分的吸收和循环是植物生长环节，土壤中的矿质养分的吸收是经过植物根一木质部一地上部一韧皮部一根，通常被称为矿质养分的循环。植物正是通过矿质养分的循环和再循环，将植物所需的养分通过根的吸收提供给植物生长发育，为木质部和韧皮部提供质流驱动力，向根提供光和作用养分。该方法是通过温室条件下，研究棉花体内矿质养分的循环，通过此研究可以在对棉花韧皮部移动的元素：氮、磷、硫、钾和镁以及一些微量元素，进行活体自然状态下研究。
目前研究矿质养分的吸收和循环的常规方法有以下几种:
1)根压自然收集法：在子叶节下方切断地上部，用蒸馏水冲洗残茎切面，然后将适宜孔径的乳胶管一端套在残茎上，另一端接收集容器(试管或三角瓶)中，共收集l2h的伤流液。或者是切断茎杆后，用放置在干净的小塑料管的脱脂棉来吸茎断面木质部的液体。此方法的缺点是切断植株地上部的同时也切断了蒸腾拉力，因而木质部中汁液的流速降低、养分浓缩；如果收集时间过长，还可能发生能量供应不足、根系活力降低和养分吸收减少等。
2)木质部压力收集法：在压力室下，施压将植物组织内的汁液压出。此法收集的汁液量较多，但所加的压力不能过大，否则会导致木质部汁液被稀释，而且不同植物木质部中水分流动性质和养分供应状况不同，所以很难确切知道需加多大的压力。上述方法的共同缺点是以破坏植物为前提的条件来完成样品的收集，破坏了植株的正常代谢，不能确切反映完整植株的生理活动。这对研究植物自然状况下的矿质养分吸收和循环过程是局限的，同时收集汁液时间长，不能直接收集，会产生较大的实验数据的误差。
采用的装置及收集木质部汁液的方法也已经成功应用到烟草和玉米上，相关文献已经在路永宪等发布的《研究植物体内矿质养分循环的方法》文章有所介绍，但其对在棉花的应用技术上还未见研究报道，主要是棉花到吐絮期后叶片和蕾铃脱落严重，叶片开始衰落，所以不适合本方法研究。
本发明构思的在温室条件下，对棉花苗期到花铃期的培养和木质部液体的收集的方法，其特点(1)棉花植株的蒸腾作用可正常进行；(2)没有破坏棉花韧皮部光合产物和矿质养分的运输，体内的养分循环过程仍能进行；(3)在目前尚无较好的研究韧皮部运输的方法情况下，此法将直接测得棉花木质部汁液养分含量并进行数学计算，可以定量了解一段时间内植物体内养分的循环过程；(4)用于收集的木质部汁液的植株可以反复多次使用，从而能够跟踪了解同一植株在不同生长时期木质部汁液的变化情况，还可用以研究养分供应改变对木质部汁液组成的影响；另外，此法还可以用于定量研究不同植物中N、Na、Mg、p等元素在植物体内的分配和循环过程。
发明内容
本发明的目的在于：本实验方法的获取，对科学实践与指导生产实践将产生积极的影响，也为研究方式拓展了新的思路。
本发明的目的是这样实现的：一种施压检测棉花苗期到花铃期矿质养分循环的方法，按步骤实施：
步骤1棉花育苗与移栽
(1)种子消毒，置于恒温箱内，保持25度恒温下培养，种子发芽，达到2-3厘米，即移栽到容器中，每一容器定植一株；其中塑料容器的直径11cm、高23cm，不锈钢容器直径11cm、高23cm，同时装有粒径为0.25-0.5mm石英砂，底部有小孔；
(2)幼苗移栽到压力罐时，要从压力罐盖的下方将两片子叶塞入洞口，小心不能损伤子叶，塞入后再放直，同时保证棉花种子根的垂直状态和压力罐的洞口一致，让子叶展开从压力罐上部的洞口处伸出，如图1；
步骤2棉花温室栽培
棉花移苗后1d不光照，第2d打开培养灯，生长期间浇灌营养液，营养液的起始pH值为6.0，营养液开始使用正常浓度的1/2，三天后换成完全营养液，以后2d浇灌一次营养液；棉花进入花铃期后每天浇灌营养液，塑料容器营养液直接浇入，不锈钢容器用针管注射营养液；两种不同培养皿中的营养液的施用量和其生长条件保持一致；
步骤3木质部汁液的收获
棉花木质部培养80-100天，即棉花生长到13叶龄时取样，收集节位按照果枝节位分层；1-3果枝节位为下层，4-7果枝节位为中层，7以上为上层，主茎叶和果枝叶分类也分三层：1-3主茎叶和果枝叶下层叶，4-7主茎叶和果枝节位为中层，7以上主茎叶和果枝叶为上层叶，每层植株样品分基茎、主茎、主茎叶片、果枝、果枝叶片、花蕾铃、根部取样，用去离子水冲洗干净，于105℃下杀青30分钟，然后在70℃烘至恒重，用于养分分析；
其中取样步骤：
(1)棉花的叶片每次收集时间间隔4-6天，在叶片主脉近轴端用刀片横向切断主脉，然后靠主脉两侧分别向叶基部方向纵切大约0.5cm，切面用去离子水冲洗，取直径为1.5cm长的干净小塑料管套在主脉上，同时用硅胶密封塑料管与脉间的缝隙；
(2)将培养的棉花植株放入不锈钢的压力室中，增压1.6bar，然后每2分钟加压0.2bar，直到第一滴木质部汁液排出，收集到平衡压时，再增压1.0bar，其中平衡压的花铃期范围在4.1-6.2bar，收集1-1.5毫升汁液的时间范围为85-120分钟，将收集到的汁液放入5ml离心管中,置于-20℃以下冰浴，待测。
本发明方法真正实现了在不破坏棉花的完整性，在棉花正常生长条件下活体进行操作，可以通过测试棉花的各部位生物量、收集得到的木质部汁母液无需作任何纯化，稀释后可以直接用电感耦合等离子体发射光谱仪测定各种养分离子的浓度，可利用Armstrong和Kirkby(1979)提出循环图的的计算方法，对不同器官在某一生长阶段通过木质部输入和韧皮部输出的一种或几种矿质养分可以进行定量检测，同时通过收获的植物组织样品经烘干、称重和干灰化后，测定各种养分的含量，进行体内矿质养分循环的实验检测，为棉花后期温室条件的栽培技术和养分研究的收集技术给出了新的实验技术和方法应用，彰显技术进步。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
附图1为不锈钢中的棉苗移栽示意图；
如图：1-棉花幼苗、2-不锈钢容器(沙培)。
附图2为植株不锈钢压力罐的收集示意图；
如图：3-主茎叶、4-不锈钢压力室、5-气阀、6-压力表、7-流量计、8-压缩空气瓶、9-固定处螺母、10-果枝叶、11-棉铃；12-塑料管。
具体实施方式
本发明结合实施例作进一步说明。
实施例
以棉花培养到花铃期为例；
一、实验条件和棉花育苗移栽：
植株生长室的条件：昼夜温度为25℃，光照强度为230μE·m-2·s-1，光照时间为14h·d-1，保持通风和充足光照。
棉花种子消毒后，用滤纸法发育：在培养皿中铺上3层滤纸，滴水使其湿润，种子摆在上面，种子上面覆盖3层滤纸，滴水使其湿润，将培养皿盖好，放在恒温箱内，保持25℃恒温，每天加水两次，加水量控制在滤纸不干、培养皿内不积水即可。棉花种子3天就可以发芽，当种子根发芽到3cm，棉花两叶一心时，就可以移栽到装有石英砂的塑料培养容器和相同体积相同培养基的不锈钢压力罐中，每一个培养容器定植一株。
塑料培养器的规格：直径11cm、高23cm的装有石英砂(粒径为0.30mm)，底部有小孔，可让多余的营养液流出，每盆一株，为避免石英砂上部长绿藻，用黑色塑料薄膜将盆上面覆盖，特制的不锈钢罐(直径11cm、高23cm)，两个容器体积和承装的石英砂基本一致。根据实验需求，将需要的棉苗同时移栽到两种培养容器的中，移栽时应注意以下问题：①在塑料培养罐中应播种在罐子的中心，同时需要覆盖黑色塑料纸，以防止生长绿苔，并且在出苗后注意在塑料纸上剪开洞口，让棉苗生长出来。②不锈钢压力罐播种要比塑料罐的要求高，因为棉花是双子叶植物，它不同与玉米和烟草，玉米和烟草的出苗为垂直苗，而棉花出苗为两片子叶的展开，所以在移栽到压力罐时候，要从压力罐盖的下方将两片子叶塞入洞口，小心不能损伤子叶，塞入后在放直，同时必须保证棉花种子根的垂直状态和压力罐的洞口一致，让子叶展开正好在压力罐上部的洞口处伸出，如图1。
二、棉花温室石英砂栽培技术：
棉花移苗后1d不光照，第2d打开培养灯。生长期间浇灌营养液。棉花营养液的组成为(单位mmol·L-1):K2SO40.5,MgSO4·7H2O1.00012,NH4H2PO40.5，H3BO311.0×10-2,ZnSO4·7H2O1.0×10-3，CuSO4·5H2O1.0×10-4，MnSO4·H2O1.0×10-3,EDTA-Fe(Ⅲ)0.1,(NH4)6Mo7O24·4H2O5.0×10-6，Ca(NO3)2·4H2O2，营养液的起始pH值为6.0，浇注营养液的起始浓度为正常浓度的1/2，三天后换成完全营养液，以后2d浇一次营养液，营养液浇至盆底有营养液渗出，倒掉底盘中的渗出液，在棉花进入花铃期后每天浇营养液，塑料罐中营养液直接浇入，不锈钢培养皿用针管注射打入营养液，两种不同培养皿中的营养液的施用量和其生长条件保持一致。
三、棉花苗期到花铃期木质部汁液的收获方法：
根据不同是实验设计进行汁液的收获，以棉花的花铃期为例。
描述棉花木质部的收获技术：培养90天左右，棉花生长到13叶龄时开始收获第一批基础实验样品，收集塑料培养器中的棉花，收获时分按照节位分三层，1-3为下层，4-7为中层，7以上为上层，每层植株样品分基茎、主茎、主茎叶片、果枝，果枝叶片，花蕾铃，根部取样，将根上附着的营养液和石英砂用去离子水冲洗干净，所有植物样品取样后，于105℃下杀青30分钟，然后在70℃烘至恒重，称干重，用于养分分析备样。
根据研究内容做相应处理后，塑料培养器中的样品用于收获整体样品，不锈钢压力罐里的棉株用于收获果枝叶汁液和主茎叶汁液，根据实验处理进行重复，不锈钢压力罐根据对应实验设计各选一株代表实验处理进行木质部汁液的收集。
具体收集实验装置如图2，其操作流程：幼苗移栽到不锈钢沙培罐中，要从罐盖的下方将两片子叶塞入洞口，小心不能损伤子叶，塞入后再放直，同时保证棉花种子根的垂直状态和沙培罐的洞口一致，让子叶展开从沙培罐上部的洞口处伸出，如图1；图2中的果枝叶的叶片主脉近轴端用刀片横向切断主脉，然后靠主脉两侧分别向叶基部方向纵切大约0.5cm，切面用去离子水冲洗干净；取直径为1.5cm长的干净小塑料管套在主脉上，同时用硅胶密封塑料管与脉间的缝隙，将培养的棉花植株不锈钢罐放入不锈钢的压力室中，用螺母固定后，所有缝隙处用密封胶封住，打开压缩空气瓶，观察压力表和流量计，开始增加1.6bar的压力，然后每2分钟开大压缩空气瓶加0.2bar的压力，直到叶片上的小塑料管中第一滴木质部汁液出现时，记录为平衡压，在平衡压之上再开大压缩空气瓶增加1.0bar为收集压，保持收集压，弃掉最初的几滴汁液，以避免污染，将收集到的汁液放入5ml离心管，置于-20℃以下保存，即冰浴，待测；其中棉花的平衡压在花铃期时为：4.1-6.2bar，收集1-1.5毫升的时间为85-120分钟，收集的时间不宜超过180分钟以上，随生长进程，平衡压增高，时间缩短；实验收集3-5次后即结束，将棉株样品分类后，全部收获烘干后以备养分分析。
验证测试结果：
以花铃期棉花植物样品和伤流液测试为例，Ca在叶片和伤流液中的含量，其他数据为伤流液中氮和微量元素的含量；结果如下：单位(mg/L)
循环模式图的计算方法是建立在Armstrong和Kirkby(1979)提出的理论基础之上，该模型图的前提是植物只通过根系吸收养分，Ca2+只能单向地通过木质部运往地上部各器官，在韧皮部中几乎不移动；具体表述如下：
在一定时期内由木质部运输进入植物体各器官的Ca2+量等于该时间段前后两次收获时该器官Ca2+的净增量(ΔCa)
JCa，xylem＝ΔCa
在相对稳定的生长条件下，木质部中的N和Ca2+以恒定的含量比向地上部各器官运输，即[N/Ca]xylem，这一比值可通过测定木质部汁液中N和Ca2+的含量来获得。
一段时期内通过木质部输入各器官的氮量等于各器官Ca2+的净增量乘以该器官木质部汁液中氮钙的比值。
JN，xylem＝ΔCa×[N/Ca]xylem
韧皮部中N的输出量等于各器官中的净增量减去木质部输出量。即
JN，pholem＝ΔN﹣JN，xylem
数据统计：SAS(Windows6.12)对数据进行统计分析。所有表中数据采用单因素(基础样)和双因素(第二次收获净增量)ANOVA程序进行差异检验。
本方法选用的营养液的原料K2SO4、MgSO4·7H2O、NH4H2PO4、H3BO3、ZnSO4·7H2O、CuSO4·5H2O、MnSO4·H2O、EDTA-Fe(Ⅲ)、(NH4)6Mo7O24·4H2O、Ca(NO3)2·4H2O2，其中H3BO3净含量≧99.5％，其他的原料净含量≧99.0％；供货商为国药集团化学试剂有限公司。
本方法选用装置的为德国ForschungSchwalbach公司制造。
Claims (1)
1.一种施压检测棉花苗期到花铃期矿质养分循环的方法，其特征在于：按步骤实施：
步骤1棉花育苗与移栽
（1）种子消毒，置于恒温箱内，保持25度恒温下培养，种子发芽，达到2-3厘米，即移栽到容器中，每一容器定植一株；其中塑料容器的直径11cm、高23cm，不锈钢容器直径11cm、高23cm，同时装有粒径为0.25-0.5mm石英砂，底部有小孔；
（2）幼苗移栽到压力罐时，要从压力罐盖的下方将两片子叶塞入洞口，小心不能损伤子叶，塞入后再放直，同时保证棉花种子根的垂直状态和压力罐的洞口一致，让子叶展开从压力罐上部的洞口处伸出；
步骤2棉花温室栽培
棉花移苗后1d不光照，第2d打开培养灯，生长期间浇灌营养液，营养液的起始pH值为6.0，营养液开始使用正常浓度的1/2，三天后换成完全营养液，以后2d浇灌一次营养液；棉花进入花铃期后每天浇灌营养液，塑料容器营养液直接浇入，不锈钢容器用针管注射营养液；两种不同培养皿中的营养液的施用量和其生长条件保持一致；
步骤3木质部汁液的收获
棉花木质部培养80-100天，即棉花生长到13叶龄时取样，收集节位按照果枝节位分层；1-3果枝节位为下层，4-7果枝节位为中层，7以上为上层，主茎叶和果枝叶分类也如此分三层：1-3主茎叶和果枝叶下层叶，4-7主茎叶和果枝节位为中层，7以上主茎叶和果枝叶为上层叶，每层植株样品分基茎、主茎、主茎叶片、果枝，果枝叶片，花蕾铃、根部取样，用去离子水冲洗干净，于105℃下杀青30分钟，然后在70℃烘至恒重，用于养分分析；
其中取样步骤：
（1）棉花的叶片每次收集时间间隔4-6天，在叶片主脉近轴端用刀片横向切断主脉，然后靠主脉两侧分别向叶基部方向纵切大约0.5cm，切面用去离子水冲洗，取直径为1.5cm长的干净小塑料管套在主脉上，同时用硅胶密封塑料管与脉间的缝隙；
（2）将培养的棉花植株放入不锈钢的压力室中，增压1.6bar，然后每2分钟加压0.2bar，直到第一滴木质部汁液排出，收集到平衡压时，再增压1.0bar，其中平衡压的花铃期范围在4.1-6.2bar，收集1-1.5毫升汁液的时间范围为85-120分钟，将收集到的汁液放入5ml离心管中，置于-20℃以下冰浴，待测。
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