CN106212116B - 一种克隆植物uv-b辐射实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种克隆植物UV‑B辐射实验系统，包括实验池、植物培养模块、UV‑B辐射模块、外源施加模块、植物生长及生理指标检测模块、无线数据传输模块、控制器、电源模块。本发明将自动完成均质化供试克隆植物的培养、异质性UV‑B辐射处理、向叶片喷洒SNP和cPTIO、处理完成后对克隆植物生长及生理指标进行活体实时检测并将结果传输至电脑，所述系统能够实现全过程自动化完成，既能减少人工误差，又可提高工作效率。

Description

一种克隆植物UV-B辐射实验系统

技术领域

本发明涉及克隆植物实验技术领域，尤其涉及异质性UV-B辐射对克隆植物生理整合研究的全自动化实验系统。

背景技术

时空异质性在自然界中普遍存在，是自然环境的基本属性。生态学家一直十分关注异质性问题，并进行了大量的研究工作，例如无论在时间还是空间上光照、水分和养分等植物生长和繁殖的必需资源及其所处的温度、湿度和干扰等环境条件均是异质性的，即使在很小的尺度范围上，这种异质性也存在的。环境的异质性除空间异质性外还表现为不同时间尺度上的异质性，例如，光资源会随着年、季节和昼夜等尺度发生变化，林下光斑中甚至还存在着毫秒级的变化。植物获取和利用必需资源的难度因为环境异质性的普遍存在而显著增加，植物在长期的进化生长过程中会对所处的环境条件形成一定的适应策略。环境异质性作为一种选择压力促使植物在进化过程中形成某种适应对策，来提高其整体适合度。

近年来，随着社会工业化发展，大量氯氟烃类气体释放到大气中，氯氟烃类气体破坏了大气臭氧层，臭氧含量减少了50%。臭氧层的主要功能是吸收太阳福射中的紫外线，尤其对长波紫外线UV-C（小于280nm）的吸收能力特别强，因此，即使臭氧层减少90%，UV-C也到达不了地面；臭氧对短波紫外线UV-A（320-400nm）的吸收能力很弱，但是UV-A所引起的生物学效应微不足道。因此，臭氧层减薄导致的直接后果是太阳福射中UV-B（280-320nm）到达地球地面的福射增强，太阳背景福射中的UV-B虽然在光谱中比例不高，但却具有极大的生物学效应，它已成为引起人们广泛关注的全球变化的问题之一。

克隆植物，从广义上讲，是自然生境条件下具有克隆性的植物，按狭义的理解，克隆植物仅指具有克隆生长习性的植物。克隆植物几乎分布于所有的生态系统类型中，而且常常在一些群落和生态系统中处于主导或者优势地位。

克隆植物的研究一直是植物生态学的热点，其中，克隆植物的生理整合受到了广泛的关注。克隆植物生理整合是指克隆植物的分株形成以后，在一定时期内由横生结构即间隔子相互连接在一起，这种物理连接使分株间的物质运输和交换成为可能，当相互连接的克隆分株处于资源水平不同的小生境时，生理整合能够使资源被该小生境以外的其它相连克隆分株共享。

UV-B辐射作为环境因子并不直接参与克隆植物的生理整合，因此在克隆植物中必然存在着相关的胞内信号分子及相应的信号转导机制来感受并传递外界环境因子的刺激信号。研究表明不同的外源信号在植物体内可能通过NO 信号传递给不同的靶受体，根据刺激产生的时间、空间和效应强弱，激活不同的调节机制，促进或反馈抑制相应的生理过程，调控植物对逆境胁迫的反应。但是NO在克隆整合中含量上升的原因及其是否参与了除紫外防御过程的其他代谢过程需要进一步具体研究。

在探明异质性UV-B环境下克隆植物活血丹内源NO含量上升的原因，明确NO对克隆植物代谢过程的介导作用，揭示NO在克隆植物生理整合中的信号转导机制时的实验方法为，首先在野外采集生长情况一致的克隆植物分株对移植于室内培养2周，选择分株大小基本一致的分株对作为供试材料；其次，进行试验设计，共设5个处理：a处理为相连分株对的两段均接受太阳辐射中的背景UV-B辐射，b处理为相连分株对一端接受背景UV-B辐射，另一端接受背景UV-B辐射以及UV-B灯补充的UV-B辐射，c处理为相连分株对一端接受背景UV-B辐射，另一端接受背景UV-B辐射和UV-B灯补充的UV-B辐射以及施加NO清除剂cPTIO，d处理为相连分株对一端接受背景UV-B辐射，另一端接受背景UV-B辐射以及施加NO供体SNP，e处理为相连分株对一端接受背景UV-B辐射，另一端接受背景UV-B辐射以及施加NO供体SNP、NO清除剂cPTIO；UV-B灯补充辐射的方法为利用UV-B灯管在自然光照背景下补加照射，通过调节灯管与分株顶层的高度来控制紫外辐射强度。测定克隆植物的生理指标需要将叶片剪下后带入实验室进行测量。在整个实验过程中实验人员的工作量较大，且对实验的控制很难精确，对实验结果产生一定的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种克隆植物UV-B辐射实验系统，所述系统能够自动化完成异质性UV-B辐射对克隆植物生理整合的影响方面的试验，所述系统既能减少试验中的人工误差，又可提高工作效率。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

一种克隆植物UV-B辐射实验系统，包括实验池、植物培养模块、UV-B辐射模块、外源施加模块、检测模块、无线数据传输模块、控制器、电源模块。

所述实验池由一个设置在户外的底板和围绕在底板四周的边板组成，所述实验池内设置有多个横向隔板，每一个被分隔的区域内设置有栽植克隆植物的栽植盆，每一个被分隔的区域内均匀的设置有多个纵向挡板，所述纵向挡板与所述栽植盆卡接，所述实验池的上方设置有可收缩的顶盖。所述实验池设置在户外是为了供试植物接收到太阳辐射的背景UV-B辐射，在一个栽植盆内可以栽植若干组克隆植物，它们具有相同的土壤环境条件，每一组克隆植物可以分别进行不同处理，每两个处理间或同一分株对的两端用纵向挡板进行分隔，以避免不同的UV-B辐射处理对其他供试植株或同一分株对的另一端的影响；在进行供试植物培养时将顶盖关闭，形成一个温室培养系统，便于对温湿度的控制，在进行UV-B辐射试验的时候由于需要接受太阳辐射的背景UV-B辐射，因此需要张开顶盖。

所述植物培养模块，其功能之一是培养生长情况一致的克隆植物分株对，其功能之二是在研究UV-B辐射单一因素以及环境复合因素时对克隆植物的影响时用以对环境条件进行控制。所述植物培养模块包括光照及温湿度控制装置、土壤水分及养分控制装置，光照及温湿度控制装置、土壤水分及养分控制装置分别与所述控制器相连。

所述UV-B辐射模块，功能是在实验中对不同处理的克隆植物分株对施加异质性的UV-B辐射光源，所述UV-B辐射模块包括UV-B辐射装置、紫外线传感器，所述紫外线传感器、UV-B辐射装置分别与所述控制器相连。

外源施加模块，是依照实验设计相应的在克隆植物叶面上喷洒NO供体SNP和/或NO清除剂cPTIO，所述外源施加模块包括存储罐和喷洒装置，所述存储罐和喷洒装置分别与所述控制器相连。

所述检测模块包括植物光合测定仪和摄像头，所述检测模块是在试验处理结束后利用植物光合测定仪活体检测植物的光合与蒸腾速率、光合及呼吸速率、蒸腾速率、气孔导度、细胞间隙CO₂浓度，利用摄像头采集植物图片并利用图像处理软件得出克隆植物的生长指标，所述植物光合测定仪、摄像头分别与所述控制器相连。

所述无线数据传输模块与所述控制器相连，所述无线数据传输模块是借助无线电技术，将植物光合测定仪采集到的数据和摄像头采集到的图像传输至电脑上。

进一步，所述光照及温湿度控制装置包括光源、光照及温湿度一体化传感器、加热器、加湿器，所述土壤水分及养分控制装置包括土壤温湿度传感器、EC传感器、水箱及土壤输水管、肥料罐及土壤输肥管，所述水箱、肥料罐上分别设置有水泵一、水泵二，所述输水管、输肥管上分别设置有电磁阀一、电磁阀二，所述光源、光照及温湿度一体化传感器、加热器、加湿器、土壤温湿度传感器、EC传感器、水泵一、水泵二、电磁阀一、电磁阀二分别与控制器相连，所述光源设置在顶盖上。

温湿度一体化传感器可检测植物所处环境的温度和湿度，通过控制器设定实验设计中环境温度和湿度预设值，当温度、湿度低于或高于预设值时，控制器控制喷雾器、加热器开闭来进行调节；土壤温湿度传感器、土壤EC传感器分别用来检测土壤温度、含水量、土壤营养状况，通过控制器设定实验设计各指标的预设值，当各指标低于或高于预设值时，控制器控制水泵一、水泵二、电磁阀一、电磁阀二来进行调节土壤的水分、养分状况；这样在供试植物培养以及做UV-B单因素对植物的影响方面的实验时，可以有效的控制各处理间环境条件和土壤条件的均质性，避免环境条件不一致对实验的影响，同时，在做环境条件、UV-B辐射复合因子对植物的影响实验时，可以精确控制个环境条件的梯度设置。

进一步，所述UV-B辐射装置包括底座、灯臂、紫外线灯源，所述灯臂的一端与所述底座相连，所述灯臂的另一端与所述紫外线灯源相连，所述紫外线灯源上设置有滤光膜，所述实验池中任意一个被分隔的区域内均设置有一个所述UV-B辐射装置。

紫外线灯源上设置的滤光膜为醋酸纤维素膜，所述滤光膜可将UV-C辐射滤去，即所述紫外线灯源提供的是波长在280-320nm的UV-B辐射；紫外线传感器放置在户外的所要模拟地区的地面上，用来检测实时的自然光背景下的UV-B辐射强度，紫外线传感器将信号传输给控制器，控制器根据设定的UV-B辐射强度预设值控制紫外线灯源强度，每一个分隔区域内的UV-B辐射强度可以单独进行调节。

进一步，所述灯臂包括连接臂和调节臂，所述连接臂与所述调节臂通过万向轴一相连，所述调节臂与所述紫外线灯源通过万向轴二相连，所述万向轴一上连接有第一电机，所述万向轴二上连接有第二电机，所述第一电机和第二电机分别与所述控制器相连。

通过在控制器上输入所要模拟地区的经纬度值，然后控制器控制第二电机驱动万向轴二旋转，进而控制紫外线灯源的照射方向，使紫外线灯源所处方位与所要模拟地区太阳的方位一致即太阳方位角一致；控制器控制第一电机驱动万向轴一旋转，进而控制调节臂的移动，使调节臂的移动模拟太阳东升西落的运动规律。

进一步，还包括用于模拟树林下光照环境的遮阴板，所述遮阴板与所述纵向隔板固定连接且位于所述紫外线灯源的正下方，所述遮阴板与所述栽植盆相互平行，所述遮阴板上设置有孔，所述孔的形状为不规则形状，所述孔的排列方式为不规则排列，所述遮阴板与所述遮阴板通过曲柄滑块连接，所述曲柄滑块上连接有第三电机，所述第三电机与所述控制器相连。

诸多实验需要研究UV-B辐射对树林下灌木和草本的影响，所述遮阴板是用于模拟树林下光照环境的，所述紫外线光源照射到遮阴板上，其中有一部分紫外线透过遮阴板上的孔照射到植物上，就好像太阳辐射照射到林冠层上，一部分辐射透过林冠的孔隙照射到林冠下的灌木或草本上；控制器控制第三电机驱动曲柄滑块运动，进而带动所述遮阴板微小幅度的运动，用以模拟林冠层随风摆动。

优选的，所述遮阴板与所述横向隔板铰接。在试验需要模拟林下环境的时候，将遮阴板置于灯源的正下方，当不需要模拟林下环境的时候，将遮阴板收折在横向隔板处。

优选的，所述存储罐与所述喷洒装置相连，所述存储罐位于实验池的外侧，所述喷洒装置通过管线与所述存储罐相连，所述存储罐包括SNP存储罐、cPTIO存储罐，所述喷洒装置包括多个SNP喷头和cPTIO喷头，所述实验池中任意一个被分隔的区域内均设置有SNP喷头和cPTIO喷头，所述SNP喷头、cPTIO喷头用于为克隆植物的叶片喷洒SNP和/或cPTIO。在需要进行SNP、cPTIO外源施加的时候，控制器控制SNP喷头和或cPTIO喷头对准供试植株的叶片进行喷洒。

进一步，所述实验池中任意一个被分隔的区域内均设置有摄像头和植物光合测定仪，所述植物光合测定仪上设置有叶室，所述叶室通过机械手与植物光合测定仪相连，所述机械手与所述控制器相连。摄像头采集供试植株的图像，利用图像处理软件可测量出植株高度，分株对数量等生长指标；控制器控制植物光合测定仪上的机械手到达待测叶片处，并控制叶室夹住叶片，自动完成相关生理指标的检测。

进一步，所述电源模块包括蓄电池和设置在实验池上的太阳能电池板，所述太阳能电池板与所述蓄电池相连，所述蓄电池上设置有电源选择器。在实验池四周边板的外侧面上设置太阳能电池板进行充电，可以充分利用太阳能资源为系统供电，在太阳能供电不足的时候启用蓄电池为系统供电。

本发明的有益效果：能够自动化完成异质性UV-B辐射对克隆植物生理整合的影响方面的试验，所述系统既能减少试验中的人工误差，又可提高工作效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的框架示意图；

图3是本发明框架的详细结构示意图；

图4是本发明的每一个分隔区域内的结构示意图；

在图1-4中，1、实验池；2、植物培养模块；21、光照及温湿度控制装置；22、土壤水分及养分控制装置；221、水箱；222、肥料罐；3、UV-B辐射模块；31、UV-B辐射装置；311、底座；312、紫外线灯源；313、连接臂；314、调节臂；315、遮阴板；316、孔；32、紫外线传感器；4、外源施加模块；41、存储罐；411、SNP存储罐；412、cPTIO存储罐；42、喷洒装置；5、检测模块；51、植物光合测定仪；52、摄像头；6、无线数据传输模块；7、控制器；8、电源模块；11、横向隔板；12、栽植盆；13、纵向挡板；14、顶盖。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明：

实施例

如图1-4所示：

一种克隆植物UV-B辐射实验系统，包括实验池1、植物培养模块2、UV-B辐射模块3、外源施加模块4、检测模块5、无线数据传输模块6、控制器7、电源模块8；

克隆植物UV-B辐射实验系统用于完成培养生长情况一致的克隆植物分株对、对不同处理施加异质性的UV-B辐射、对不同处理相应的在叶面上喷洒NO供体SNP和/或NO清除剂cPTIO，并在试验处理结束后利用植物光合测定仪活体检测植物的光合与蒸腾速率、光合及呼吸速率、蒸腾速率、气孔导度、细胞间隙CO₂浓度，利用摄像头采集植物图片并利用图像处理软件得出克隆植物的生长指标，所有检测结果通过无线数据传输模块传输至电脑；控制器用于控制整个系统的运行。

所述实验池1由一个设置在户外的底板和围绕在底板四周的边板组成，所述实验池1内设置有多个横向隔板11，每一个被分隔的区域内设置有栽植克隆植物的栽植盆12，每一个被分隔的区域内均匀的设置有多个纵向挡板13，所述纵向挡板13与所述栽植盆12卡接，所述实验池1的上方设置有可收缩的顶盖14。

所述植物培养模块2包括光照及温湿度控制装置21、土壤水分及养分控制装置22，光照及温湿度控制装置21、土壤水分及养分控制装置22分别与所述控制器7相连；所述光照及温湿度控制装置21包括光源、光照及温湿度一体化传感器、加热器、加湿器，所述土壤水分及养分控制装置22包括土壤温湿度传感器、EC传感器、水箱221及土壤输水管、肥料罐222及土壤输肥管，所述水箱221、肥料罐222上分别设置有水泵一、水泵二，所述输水管、输肥管上分别设置有电磁阀一、电磁阀二，所述光源、光照及温湿度一体化传感器、加热器、加湿器、土壤温湿度传感器、EC传感器、水泵一、水泵二、电磁阀一、电磁阀二分别与控制器7相连，所述光源设置在顶盖14上。

所述UV-B辐射模块3包括UV-B辐射装置31、紫外线传感器32，所述紫外线传感器32、UV-B辐射装置31分别与所述控制器7相连；所述UV-B辐射装置31包括底座311、灯臂、紫外线灯源312，所述灯臂的一端与所述底座相连，所述灯臂的另一端与所述紫外线灯源相连，所述紫外线灯源312上设置有滤光膜，所述实验池1中任意一个被别分隔的区域内均设置有所述UV-B辐射装置31；所述灯臂包括连接臂313和调节臂314，所述连接臂313与所述调节臂314通过万向轴一相连，所述调节臂314与所述紫外线灯源312通过万向轴二相连，所述万向轴一上连接有第一电机，所述万向轴二上连接有第二电机，所述第一电机和第二电机分别与所述控制器7相连；还包括用于模拟树林下光照环境的遮阴板315，所述遮阴板315与所述纵向隔板13固定连接且位于所述紫外线灯源312的正下方，所述遮阴板315与所述栽植盆12相互平行，所述遮阴板315上设置有孔316，所述孔316的形状为不规则形状，所述孔316的排列方式为不规则排列，所述遮阴板315与所述遮阴板315通过曲柄滑块连接，所述曲柄滑块上连接有第三电机，所述第三电机与所述控制器7相连；所述遮阴板与所述横向隔板11铰接。

所述外源施加模块4包括存储罐41和喷洒装置42，所述存储罐41和喷洒装置42分别与所述控制器7相连；所述存储罐41与所述喷洒装置42相连，所述存储罐包括SNP存储罐411、cPTIO存储罐412，所述喷洒装置42包括多个SNP喷头和cPTIO喷头，所述实验池1中任意一个被分隔的区域内均设置有SNP喷头和cPTIO喷头。

所述检测模块5包括植物光合测定仪51和摄像头52，所述植物光合测定仪51、摄像头52分别与所述控制器7相连；所述实验池1中任意一个被分隔的区域内均设置有摄像头52和植物光合测定仪51，所述植物光合测定仪51上设置有叶室，所述叶室通过机械手与植物光合测定仪相连，所述机械手与所述控制器7相连。

所述无线数据传输模块6与所述控制器7相连。

所述电源模块8包括蓄电池和设置在实验池上的太阳能电池板，所述太阳能电池板与所述蓄电池相连，所述蓄电池上设置有电源选择器。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种克隆植物UV-B辐射实验系统，其特征在于：包括实验池（1）、植物培养模块（2）、UV-B辐射模块（3）、外源施加模块（4）、检测模块（5）、无线数据传输模块（6）、控制器（7）、电源模块（8）；所述实验池（1）由一个设置在户外的底板和围绕在底板四周的边板组成，所述实验池（1）内设置有多个横向隔板（11），每一个被分隔的区域内设置有栽植克隆植物的栽植盆（12），每一个被分隔的区域内均匀的设置有多个纵向挡板（13），所述纵向挡板（13）与所述栽植盆（12）卡接，所述实验池（1）的上方设置有可收缩的顶盖（14）；

所述植物培养模块（2）包括光照及温湿度控制装置（21）、土壤水分及养分控制装置（22），光照及温湿度控制装置（21）、土壤水分及养分控制装置（22）分别与所述控制器（7）相连；

所述UV-B辐射模块（3）包括UV-B辐射装置（31）、紫外线传感器（32），所述紫外线传感器（32）、UV-B辐射装置（31）分别与所述控制器（7）相连；

所述外源施加模块（4）包括存储罐（41）和喷洒装置（42），所述存储罐（41）和喷洒装置（42）分别与所述控制器（7）相连；

所述检测模块（5）包括植物光合测定仪（51）和摄像头（52），所述植物光合测定仪（51）、摄像头（52）分别与所述控制器（7）相连；

所述无线数据传输模块（6）与所述控制器（7）相连。

2.根据权利要求1所述的一种克隆植物UV-B辐射实验系统，其特征在于：所述光照及温湿度控制装置（21）包括光源、光照及温湿度一体化传感器、加热器、加湿器，所述土壤水分及养分控制装置（22）包括土壤温湿度传感器、EC传感器、水箱（221）及土壤输水管、肥料罐（222）及土壤输肥管，所述水箱（221）、肥料罐（222）上分别设置有水泵一、水泵二，所述输水管、输肥管上分别设置有电磁阀一、电磁阀二，所述光源、光照及温湿度一体化传感器、加热器、加湿器、土壤温湿度传感器、EC传感器、水泵一、水泵二、电磁阀一、电磁阀二分别与控制器（7）相连，所述光源设置在顶盖（14）上。

3.根据权利要求1所述的一种克隆植物UV-B辐射实验系统，其特征在于：所述UV-B辐射装置（31）包括底座（311）、灯臂、紫外线灯源（312），所述灯臂的一端与所述底座相连，所述灯臂的另一端与所述紫外线灯源相连，所述紫外线灯源（312）上设置有滤光膜，所述实验池（1）中任意一个被别分隔的区域内均设置有所述UV-B辐射装置（31）。

4.根据权利要求3所述的一种克隆植物UV-B辐射实验系统，其特征在于：所述灯臂包括连接臂（313）和调节臂（314），所述连接臂（313）与所述调节臂（314）通过万向轴一相连，所述调节臂（314）与所述紫外线灯源（312）通过万向轴二相连，所述万向轴一上连接有第一电机，所述万向轴二上连接有第二电机，所述第一电机和第二电机分别与所述控制器（7）相连。

5.根据权利要求1所述的一种克隆植物UV-B辐射实验系统，其特征在于：所述存储罐（41）与所述喷洒装置（42）相连，所述存储罐包括SNP存储罐（411）、cPTIO存储罐（412），所述喷洒装置（42）包括多个SNP喷头和cPTIO喷头，所述实验池（1）中任意一个被分隔的区域内均设置有SNP喷头和cPTIO喷头。

6.根据权利要求1所述的一种克隆植物UV-B辐射实验系统，其特征在于：所述实验池（1）中任意一个被分隔的区域内均设置有摄像头（52）和植物光合测定仪（51），所述植物光合测定仪（51）上设置有叶室，所述叶室通过机械手与植物光合测定仪相连，所述机械手与所述控制器（7）相连。

7.根据权利要求1所述的一种克隆植物UV-B辐射实验系统，其特征在于：所述电源模块（8）包括蓄电池和设置在实验池上的太阳能电池板，所述太阳能电池板与所述蓄电池相连，所述蓄电池上设置有电源选择器。