CN103630656B - 一种定量检测植物抗干旱能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定量检测植物抗干旱能力的方法，基于通过对植物的叶片水势和生理电容来同时测定、计算植物叶片紧张度，通过考察植物叶片相对紧张度的变化速率来判断植物抗干旱能力。本发明简便快速，不受自然环境的限制，可用于快速定量测定植物的抗干旱能力。

Description

一种定量检测植物抗干旱能力的方法

技术领域

本发明涉及一种定量检测植物抗干旱能力的方法，属于作物栽培、抗旱育种、农业工程和农作物信息检测技术领域。

背景技术

水是植物体的重要组成成分，一般植物含水量占鲜重的75％～90％，水生植物含水量可达95％；树干、休眠芽约占40％；风干种子约占10％。细胞中的水分可分为两类，一类是与细胞组分紧密结合而不能自由移动、不易蒸发散失的水，称为束缚水(bound water)；另一类是与细胞组分之间吸附力较弱，可以自由移动的水，称为自由水(free water)。自由水可以直接参与各种代谢活动，因此，当自由水与束缚水的比值升高时，细胞原生质成溶胶状态，植物代谢旺盛，生长较快，抗逆性弱；反之，细胞原生质成凝胶状态，代谢活动低，生长缓慢，但抗逆性强。

水是光合作用的原料。在呼吸作用及许多有机物质的合成和分解过程中都有水分子参与。没有水，这些重要的生化过程都不能进行。水分子具有极性，是自然界中能溶解物质最多的良好溶剂。植物体内的各种生理生化过程，如矿质元素的吸收、运输、气体交换，光合产物的合成、转化和运输以及信号物质的传导等都需要水作为介质。

植物细胞含有大量的水分，可产生静水压，以维持细胞的紧张度，使枝叶挺立，花朵开放，根系得以伸展，从而有利于植物捕获光能、交换气体、传粉受精以及对水肥的吸收。

植物一方面从环境中吸收水分，以保证生命活动的需要；另一方面又不断地向环境散失水分，以维持体内外的水分循环、气体交换及适宜的体温。植物对水分的吸收、运输、利用和散失的过程，被称为植物的水分代谢(water metabolism)。

植物细胞吸水与失水取决于细胞与外界环境之间的水势差。当细胞水势低于外界水势时，细胞就吸水，反之则失水，如两者相等，则细胞与外界水分交换达到动态平衡。植物细胞在吸水和失水的过程中，其水势、溶质势和压力势都会随之改变。植物细胞间的水分移动取决于细胞间的水势梯度，水分总是从高水势细胞流向低水势细胞。

当植物叶片细胞失水如蒸腾时，叶肉细胞的细胞壁、细胞都因失水而收缩，细胞体积变小。如果植物吸收，外液中的水分就会进入叶肉细胞，细胞因吸水而膨胀，细胞体积变大。细胞的水分状况与细胞的这种膨胀度或收缩度紧密相关。叶片细胞的这种膨胀度或收缩度可以用叶片紧张度来表示。

植物的持水能力强弱与植物本身抗干旱能力有关。植物细胞的持水能力可以表征植物的抗干旱能力。细胞的紧张度可以表征植物的水分的状况，紧张度的变化可以反映失水的快慢以及持水的能力。让植物叶片充分吸水，使其处在饱水的标准状态，失水越慢，其保水和持水能力越强，表明其抗干旱能力越强。

本发明就是基于通过对植物的叶片水势和生理电容来同时测定，计算植物叶片紧张度，通过考察植物叶片相对紧张度的变化速率来判断植物抗干旱能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种定量检测植物抗干旱能力的方法，以快速了解植物的抗干旱能力，简便快捷，为旱区农业区划、作物品种的快速选择以及变量节水灌溉提供科学数据。

为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

一种定量检测植物抗干旱能力的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，取带有叶片的待测植物的新鲜枝条，并用湿布包住植株枝干基部，以减缓水分散发；

步骤二，迅速返回实验室，清理所述叶片表面灰尘后，采摘所述新鲜枝条上长势较为一致的叶片10片，放入装有水的盆中浸泡30分钟；

步骤三，待叶片浸泡30分钟后，成饱水状态，取出浸泡后得到的10片饱水叶片，用面巾纸将叶片表面上的水快速轻轻吸干；放在干燥通风的桌面上让其干燥失水；在叶片干燥失水后的0、1、2、3、4、5、6小时，分别取出一片上述干燥失水叶片，用电容传感器测量干燥失水后不同时刻的各叶片的植物生理电容C，随后测量相应干燥失水叶片的植物组织水势W；

步骤四，利用植物组织水势W与细胞液溶质浓度的关系以及植物生理电容C与细胞液溶质的相对介电常数的表达式，推导出干燥失水后不同时刻测得的各叶片有效厚度d与电容器极板接触的所述相应干燥失水叶片有效面积A的比值y的公式如下：

$y=\frac{d}{A}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C}[81+\frac{(81-a)\mathrm{MW}}{1000\mathrm{iRT}}]$

W为植物组织水势，单位MPa；i系解离系数为1；R为气体常数，0.0083L·MPa/mol·K；T为热力学温度，K，T＝273+t℃，t为环境温度；C为植物生理电容，单位为F；真空介电常数ε₀＝8.854×10^-12F/m；A为电容器极板接触的所述相应干燥失水叶片有效面积，单位为m²；d为所述相应干燥失水叶片有效厚度，单位为m；a为细胞液溶质的相对介电常数，单位为F/m；M为细胞液溶质的相对分子质量；

步骤五，记录环境温度t，将干燥失水后不同时刻测得的各叶片植物组织水势W、植物生理电容C以及T、a、ε₀、M、i、R成组数据代入公式中，计算出干燥失水后不同时刻的所述各相应叶片有效厚度d与电容器极板接触的所述相应干燥失水叶片有效面积A的比值y；

步骤六，由植物叶片紧张度Td＝100/y，获得待测植物干燥失水后不同时刻的干燥失水叶片的植物叶片紧张度；将干燥失水后0小时的干燥失水叶片的植物叶片紧张度定义为Td₀，干燥失水后1小时的干燥失水叶片的植物叶片紧张度则为Td₁，干燥失水后2小时的干燥失水叶片的植物叶片紧张度则为Td₂，干燥失水后3小时的干燥失水叶片的植物叶片紧张度则为Td₃，干燥失水后j小时的干燥失水叶片的植物叶片紧张度则为Td_j，j大于5；

步骤七，计算待测植物干燥失水后每个时刻的干燥失水叶片相对紧张度RT_dj，RT_dj＝Td_j/Td₀，j为饱水叶片干燥失水后j小时；RT_dj为饱水叶片干燥失水后j小时植物的干燥失水叶片相对紧张度；

步骤八，将饱水叶片干燥失水后的前5个小时的待测植物的干燥失水叶片相对紧张度相加得到待测植物的抗干旱能力；也即植物的抗干旱能力RDC，RDC＝RT_d0+RT_d1+RT_d2+RT_d3+RT_d4+RT_d5。

本发明的基本原理为：

植物组织水势W与细胞液溶质浓度的关系

W＝-iQRT    (1)

式中W为植物组织水势，MPa；i系解离系数为1；Q为细胞液溶质浓度，mol/L；R为气体常数，0.0083L·MPa/mol·K；T为热力学温度(273+t℃)，K。

以叶片中细胞液溶质作为电介质，将叶片夹在平行板电容器的两平行电容器极板之间，构成平行板电容传感器。叶片中细胞液溶质浓度的变化势必改变叶片的水势，引起两电容器极板间叶片组织细胞液溶质介电常数的变化，从而影响植物生理电容C。植物生理电容C的表达式如(2)

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}A}{d}---\left(2\right)$

式中C为植物生理电容，F；ε₀为真空介电常数，8.854×10^-12F/m；ε_r为细胞液溶质的相对介电常数，F/m；A为电容器极板接触的叶片有效面积，单位为m²；d为叶片有效厚度，单位为m；

设想将叶片细胞液中分为水和溶质两大部分，溶质质量占叶片细胞液总质量的百分比为P，则水占叶片细胞液总质量的百分比为1－P。常温下水的相对介电常数为81F/m，设叶片中细胞液溶质的相对介电常数为a，F/m。

所以，叶片的细胞液溶质相对介电常数

ε_r＝(1-P)×81+P·a＝81-(81-a)·P    (3)

代入(2)式，得

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·[81-(81-a)\·P]\·A}{d}---\left(4\right)$

叶片细胞液溶质质量占叶片细胞液总质量的百分比P与浓度Q的关系为Q＝1000P/M，式中M为细胞液溶质的相对分子质量。

由P与Q的关系

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A\·[81-\frac{(81-a)\mathrm{MQ}}{1000}]}{d}---\left(5\right)$

由植物组织水势W与叶片细胞液溶质浓度的关系、植物生理电容C与细胞液溶质的相对介电常数的表达式，找出植物组织水势与植物生理电容的关系如下：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A\·[81+\frac{(81-a)\mathrm{MW}}{1000\mathrm{iRT}}]}{d}---\left(6\right)$

变形后得，

$\frac{d}{A}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0[81+\frac{(81-a)\mathrm{MW}}{1000\mathrm{iRT}}]}{C}---\left(7\right)$

令

$y=\frac{d}{A}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C}[81+\frac{(81-a)\mathrm{MW}}{1000\mathrm{iRT}}]---\left(8\right)$

对于某特定物质来说，细胞液溶质相对介电常数a与相对分子质量M都是既定值。我们定义植物叶片紧张度Td＝100/y，用来反映叶片水分状况。

植物的持水能力强弱与植物的抗干旱能力有关。植物细胞的持水能力可以表征植物的抗干旱能力。细胞的紧张度可以表征植物的水分的状况，紧张度的变化可以反映失水的快慢以及持水的能力。

让植物叶片充分吸水，使其处于饱水状态。在饱水状态下失水越慢，其保水和持水能力越强，表明其抗干旱能力越强。让植物处在饱水状态，目的是让植物保持一个标准水分状态，失水的速度就可以代表植物的抗干旱能力。人工设定一个失水环境，可以不受自然气候的影响，使测定结果具有可比性。

本发明就是基于通过对植物的叶片水势和生理电容来同时测定，计算植物叶片紧张度，通过考察植物叶片相对紧张度的变化来判断植物抗干旱能力。

本发明具有有益效果。本发明可以快速定量测定植物的抗干旱能力，可以不受自然环境的限制，测定的结果具有可比性。既可以对不同品种的抗干旱能力进行比较，也可以对同一品种不同苗龄的抗旱能力进行比较，简便快速，为精确灌溉提供科学数据。

具体实施方式

实施例1：以构树为例。在江苏大学校园内采摘长势较为一致的带有叶片的构树新鲜枝条来进行测定，定量检测构树抗干旱能力。

步骤一，取带有叶片的构树新鲜枝条，并用湿布包住植株枝干基部，以减缓水分散发。

步骤二，迅速返回实验室，清理叶片表面灰尘后，采摘长势较为一致的构树叶片10片，放入装有水的盆中浸泡30分钟。

步骤三，待叶片浸泡30分钟后，成饱水状态，取出浸泡后得到的10片饱水叶片，用面巾纸将叶片表面上的水快速轻轻吸干；放在干燥通风的桌面上让其干燥失水；在叶片干燥失水后的0、1、2、3、4、5、6小时，分别取出一片上述干燥失水叶片，用电容传感器测量干燥失水后不同时刻的各叶片的植物生理电容C，随后测量相应干燥失水叶片的植物组织水势W；结果如表1所示。

步骤四，利用植物组织水势W与细胞液溶质浓度的关系以及植物生理电容C与细胞液溶质的相对介电常数的表达式，推导出干燥失水后不同时刻测得的各叶片有效厚度d与电容器极板接触的所述相应干燥失水叶片有效面积A的比值y的公式如下：

$y=\frac{d}{A}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C}[81+\frac{(81-a)\mathrm{MW}}{1000\mathrm{iRT}}]$

W为植物组织水势，单位MPa；i系解离系数为1；R为气体常数，0.0083L·MPa/mol·K；T为热力学温度，K，T＝273+t℃，t为环境温度；C为植物生理电容，单位为F；真空介电常数ε₀＝8.854×10^-12F/m；A为电容器极板接触的所述相应干燥失水叶片有效面积，单位为m²；d为所述相应干燥失水叶片有效厚度，单位为m；a为细胞液溶质的相对介电常数，单位为F/m；M为细胞液溶质的相对分子质量；设叶片细胞液溶质为蔗糖C₁₂H₂₂O₁₁，此时a为3.3F/M，M为342。

步骤五，记录环境温度t，将干燥失水后不同时刻测得的各叶片植物组织水势W、植物生理电容C以及T、a、ε₀、M、i、R成组数据代入公式中，计算出干燥失水后不同时刻的所述各相应叶片有效厚度d与电容器极板接触的所述相应干燥失水叶片有效面积A的比值y。

步骤六，由植物叶片紧张度Td＝100/y，获得待测植物干燥失水后不同时刻的干燥失水叶片的植物叶片紧张度；将干燥失水后0小时的干燥失水叶片的植物叶片紧张度定义为Td₀，干燥失水后1小时的干燥失水叶片的植物叶片紧张度则为Td₁，干燥失水后2小时的干燥失水叶片的植物叶片紧张度则为Td₂，干燥失水后3小时的干燥失水叶片的植物叶片紧张度则为Td₃，干燥失水后j小时的干燥失水叶片的植物叶片紧张度则为Td_j，j大于5小时。得构树干燥失水后不同时刻的干燥失水叶片的叶片紧张度如表2所示。

步骤七，计算待测植物干燥失水后每个时刻的干燥失水叶片相对紧张度RT_dj，RT_dj＝Td_j/Td₀，j为饱水叶片干燥失水后j小时；RT_dj为饱水叶片干燥失水后j小时构树的干燥失水叶片相对紧张度；如表5所示。

步骤八，将饱水叶片干燥失水后的前5个小时的待测植物的干燥失水叶片相对紧张度相加得到构树的抗干旱能力；也即构树的抗干旱能力RDC，RDC＝RT_d0+RT_d1+RT_d2+RT_d3+RT_d4+RT_d5，结果如表5所示。

其它实施例:以桑树、油菜、诸葛菜为例，分别计算其抗干旱能力。

所有步骤同实施例1

测得的饱水叶片干燥失水后不同时刻桑树叶片的植物生理电容(C)、植物组织水势(W)如表1所示；饱水叶片干燥失水后不同时刻桑树的叶片紧张度如表2所示；得桑树叶片相对紧张度及抗干旱能力如表5所示。

测得的饱水叶片干燥失水后不同时刻油菜、诸葛菜叶片的植物生理电容(C)、植物组织水势(W)如表3所示；饱水叶片干燥失水后不同时刻油菜、诸葛菜的叶片紧张度如表4所示。油菜、诸葛菜叶片相对紧张度及抗干旱能力如表6所示。

表1 饱水叶片干燥失水后不同时刻构树、桑树叶片的植物生理电容(C)、植物组织水势(W)

表2 饱水叶片干燥失水后不同时刻构树、桑树的叶片紧张度

时刻	构树	桑树
			0	10.6590	11.6952
1	13.6363	15.4335
			2	7.9270	1.7630
3	3.3999	0.7485

4	2.3459	0.6615
			5	4.3618	0.4062
6	3.5759	0.3738

表3 饱水叶片干燥失水后不同时刻油菜、诸葛菜叶片的植物生理电容(C)、植物组织水势(W)

表4 饱水叶片干燥失水后不同时刻油菜、诸葛菜的叶片紧张度

时刻	油菜	诸葛菜
			0	26.0369	74.6159
1	6.7801	77.9500
			2	3.1807	90.066
3	2.9382	37.8719
			4	2.4813	28.3362
5	2.3549	50.3274
			6	2.1857	29.3521

表5 构树、桑树叶片的相对紧张度及抗干旱能力

表6 油菜、诸葛菜叶片的相对紧张度及抗干旱能力

本发明的实施效果如下：

利用本发明方法测定饱水叶片干燥失水后不同时刻的构树、桑树叶片的植物生理电容(C)、植物组织水势(W)(见表1)，此时实验室内的温度为18℃，依据表1，计算饱水叶片干燥失水后不同时刻构树、桑树的叶片紧张度(见表2)。利用本发明方法测定饱水叶片干燥失水后不同时刻的油菜、诸葛菜叶片的植物生理电容(C)、植物组织水势(W)(见表3)，此时实验室内的温度为20℃，依据表3，计算饱水叶片干燥失水后不同时刻油菜、诸葛菜的叶片紧张度(见表4)。依据表2，利用本方明可以计算构树、桑树叶片的相对紧张度及抗干旱能力(见表5)。依据表4，利用本方明可以计算油菜、诸葛菜叶片的相对紧张度及抗干旱能力(见表6)。从表5和表6中可以看出，诸葛菜的抗干旱能力(4.815)最强，构树(3.971)其次，桑树的抗干旱能力(2.627)小于构树，油菜的抗干旱能力(1.680)最弱。这与实际情况相符合的。

Claims (1)

1.一种定量检测植物抗干旱能力的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，取带有叶片的待测植物的新鲜枝条，并用湿布包住植株枝干基部，以减缓水分散发；

步骤二，迅速返回实验室，清理所述叶片表面灰尘后，采摘所述新鲜枝条上长势较为一致的叶片10片，放入装有水的盆中浸泡30分钟；

步骤三，待叶片浸泡30分钟后，成饱水状态，取出浸泡后得到的10片饱水叶片，用面巾纸将叶片表面上的水快速轻轻吸干；放在干燥通风的桌面上让其干燥失水；在叶片干燥失水后的0、1、2、3、4、5、6小时，分别取出一片上述干燥失水叶片，用电容传感器测量干燥失水后不同时刻的各叶片的植物生理电容C，随后测量相应干燥失水叶片的植物组织水势W；

步骤四，利用植物组织水势W与细胞液溶质浓度的关系以及植物生理电容C与细胞液溶质的相对介电常数的表达式，推导出干燥失水后不同时刻测得的各叶片有效厚度d与电容器极板接触的所述相应干燥失水叶片有效面积A的比值y的公式如下：

$y=\frac{d}{A}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C}[81+\frac{(81-a)\mathrm{MW}}{1000\mathrm{iRT}}]$

W为植物组织水势，单位MPa；i系解离系数为1；R为气体常数，0.0083L·MPa/mol·K；T为热力学温度，K，T＝273+t℃，t为环境温度；C为植物生理电容，单位为F；真空介电常数ε₀＝8.854×10^-12F/m；A为电容器极板接触的所述相应干燥失水叶片有效面积，单位为m²；d为所述相应干燥失水叶片有效厚度，单位为m；a为细胞液溶质的相对介电常数，单位为F/m；M为细胞液溶质的相对分子质量；

步骤五，记录环境温度t，将干燥失水后不同时刻测得的各叶片植物组织水势W、植物生理电容C以及T、a、ε₀、M、i、R成组数据代入公式中，计算出干燥失水后不同时刻的所述各相应叶片有效厚度d与电容器极板接触的所述相应干燥失水叶片有效面积A的比值y；

步骤六，由植物叶片紧张度Td＝100/y，获得待测植物干燥失水后不同时刻的干燥失水叶片的植物叶片紧张度；将干燥失水后0小时的干燥失水叶片的植物叶片紧张度定义为Td₀，干燥失水后1小时的干燥失水叶片的植物叶片紧张度则为Td₁，干燥失水后2小时的干燥失水叶片的植物叶片紧张度则为Td₂，干燥失水后3小时的干燥失水叶片的植物叶片紧张度则为Td₃，干燥失水后j小时的干燥失水叶片的植物叶片紧张度则为Td_j，j大于5；

步骤七，计算待测植物干燥失水后每个时刻的干燥失水叶片相对紧张度RT_dj，RT_dj＝Td_j/Td₀，j为饱水叶片干燥失水后j小时；RT_dj为饱水叶片干燥失水后j小时植物的干燥失水叶片相对紧张度；

步骤八，将饱水叶片干燥失水后的前5个小时的待测植物的干燥失水叶片相对紧张度相加得到待测植物的抗干旱能力；也即植物的抗干旱能力RDC，RDC＝RT_d0+RT_d1+RT_d2+RT_d3+RT_d4+RT_d5。