CN107091862A - 一种植物抗逆性的在位、无损伤鉴定装置和鉴定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植物抗逆性的在位、无损伤鉴定装置，包括用于夹持植物叶片的电阻夹，电阻夹两个夹头相对的内表面分别固定一片柔性微电极阵列板，两片柔性微电极阵列板上的导电电极线方向相互交叉；当两个夹头合住时，两片柔性微电极阵列板分别与植物叶片的两个表面紧密接触，且导电电极线形成交叉点阵。本发明还公开了相应的鉴定方法，在环境胁迫条件下，每间隔一定时间，加持待鉴定植物同一叶片的相同部位，得到环境胁迫过程中不同时间下该叶片电阻特征值相对变化的动态曲线，由该动态变化曲线中峰值出现时间判断待测植物的抗逆性。该装置和方法避免了对植物组织和细胞的损伤，可以实现在位和活体测量。
Description
技术领域
本发明属于植物抗逆性检测技术领域，具体涉及一种植物抗逆性的在位、无损伤鉴定装置，还涉及采用该装置进行植物抗逆性鉴定的方法。
背景技术
植物对干旱、盐碱和低温冷害等各种非生物胁迫有不同的抵抗能力，植物的抗逆性鉴定是现代生命科学中的基本问题。目前，植物抗逆性的鉴定方法都是根据逆境下植物发生的变化程度来鉴定的，鉴定指标有生物学指标和生理学指标两大类。生物学指标是指逆境下植物宏观指标，如种子萌发指数、储藏物质转运率、相对发芽率、胚根条数、主胚根长度、胚芽鞘长度、株高、叶片萎蔫程度与叶色变化等等；生理学指标是指植物生理生化指标，如呼吸速率、质膜透性、脯氨酸含量、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、过氧化物酶(POD)活性、硝酸还原酶活性、ATP酶活性、蛋白水解酶活性、VC含量、K+含量等等。研究发现，依靠上述单一的指标并不能准确鉴定植物抗逆性强弱，近年来植物抗逆性鉴定方法的研究向多个指标综合评定的隶属函数法、聚类分析和灰色关联度分析等数量分析方法以及抗逆基因的筛选等分子生物学更深层次方向发展。
然而，在现有鉴定方法中，生物学指标测定繁杂，工作量大和周期长，需要在宏观性状出现以后才能评价，不能进行早期鉴定；生理学指标必须通过试管实验的破坏性测量获取，无法做到无损检测；多指标的数量分析方法依据的是试管实验的片面结果，而且需要测量的指标多，工作量大；分子生物学技术需要破坏生物组织，离不开繁琐的样品制备程序和复杂的检测程序，测量成本很高。
更为重要的是，植物抗逆性是植物细胞在逆境下自我调节能力的体现，是通过细胞内各组分相互协作来实现的。现有鉴定技术中的基础数据大多来源于破坏性的试管实验，这些实验的特点是需要离体操作，即要将细胞破碎、纯化和富集，不能进行活细胞的实时定位测量，造成了细胞内各组分、各层次之间相互作用信息的丢失，鉴定结果不能准确反映逆境下细胞自我协调的能力和植物抗逆性的强弱，需要发展基于活体细胞生命信息的、能够实现早期、快速、在位和无损伤鉴定植物抗逆性的新方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种植物抗逆性的在位、无损伤鉴定装置。
本发明的另一目的是提供一种使用上述装置进行植物抗逆性的鉴定方法，该方法能够早期、快速、在位和无损伤鉴定植物抗逆性，解决了现有鉴定方法需要离体操作，不能进行活细胞的实时定位测量的问题。
本发明所采用的一个技术方案是，一种植物抗逆性的在位、无损伤鉴定装置，该装置包括用于夹持植物叶片的电阻夹，电阻夹包括两个夹头，两个夹头相对的内表面分别固定一片柔性微电极阵列板，柔性微电极阵列板为相互平行且互不连接的导电电极线，两片柔性微电极阵列板上的导电电极线方向相互交叉；当两个夹头合住时，两片柔性微电极阵列板分别与植物叶片的两个表面紧密接触，且两片柔性微电极阵列板上的导电电极线形成交叉点阵；柔性微电极阵列板还连接有电源模块、用于给导电电极线施加电压或电流的控制模块、用于采集交叉点阵处叶片电响应信号的采集模块和用于分析处理叶片电响应信号的分析模块。
本发明的特点还在于：
进一步地，两片柔性微电极阵列板上的导电电极线相互垂直交叉。
进一步地，两片柔性微电极阵列板上的导电电极线的间距为0.6～1mm，电极线宽0.12～0.25mm。
本发明所采用的另一个技术方案是，使用上述鉴定装置进行植物抗逆性的在位、无损伤的鉴定方法，包括以下步骤：
步骤1，在正常环境下，将待测植物的叶片平稳夹持在所述电阻夹的两个夹头内，使两个夹头内侧与植物叶片的两个表面紧密接触，两个所述柔性微电极阵列板中的导电电极线相互交叉，形成交叉点阵；
步骤2，给其中一个夹头的微电极阵列板上的电极施加电压或通入电流，同时，利用采集模块在另一个夹头的微电极阵列板的电极中采集相应的初始电响应信号，通过分析模块计算出两个微电极阵列板的电极线每个交叉点处的植物叶片初始电阻，得到植物叶片初始电阻的二维分布图，再计算得到二维分布区域的初始电阻特征值；
步骤3，将待鉴定的植物放置在人工气候室中进行环境胁迫；
步骤4，在环境胁迫条件下，每间隔一定时间，按照与步骤1、2相同的方法加持待鉴定植物同一叶片的相同部位，得到环境胁迫过程中不同时间下该叶片电阻特征值相对变化的动态曲线，由该动态变化曲线中峰值出现时间判断待测植物的抗逆性。
进一步地，还可以采用上述鉴定方法对待测植物叶片和对照植物叶片同时进行鉴定，得到各自的动态变化曲线后，比较两种植物叶片峰值出现的时间的早晚，判断待测植物的抗逆性。出现较早的植物抗逆性弱，出现较晚的抗性强。
上述初始电响应信号为电阻值、电荷量、电压或电流。
上述电阻分布特征量可以为各交叉点处电阻的算术平均值，或任何统计意义上的加权平均值，或电阻二维分布图像。其中，算术平均值最为简单，2维图像分布最为直观。
本发明的原理是，植物叶片组织可分为由各细胞的细胞壁和细胞间质组成的质外体与由胞间连丝把相邻细胞的原生质贯穿在一起的共质体。当植物遭遇干旱、盐碱和低温冷害等非生物学胁迫时，叶片组织的质外体首先失水，细胞壁硬化，电阻升高；随后，细胞膜组成和结构发生变化，原生质胞间连丝收缩甚至拉断，电阻进一步升高；如果胁迫加剧，水分将从细胞内外流，共质体失水，出现质壁分离现象，导致电阻继续升高；重度失水时，细胞膜结构破坏，膜电阻转而下降；同时，细胞膜选择透性的破坏使细胞内离子大量外渗，造成细胞壁及细胞间隙离子浓度增加，进一步降低了质外体电阻。因此，叶片组织电阻的下降表明叶片细胞发生了不可逆损伤，根据相同逆境下植物叶片电阻的变化可以鉴定植物抗逆性的强弱。
本发明的有益效果是，本发明鉴定方法根据逆境下植物叶片电阻二维分布的变化鉴定植物的抗逆性，避免了对组织和细胞的损伤，可以实现在位和活体测量。由于环境胁迫下植物叶片电阻的变化先于形态指标的变化，测量灵敏准确，结果可靠。此外，本发明鉴定装置结构简单，操作方便，成本低廉，易于推广。
附图说明
图1是本发明鉴定装置的示意图；
图2是本发明鉴定装置中电阻夹的结构示意图；
图3是本发明鉴定装置中电阻夹头的柔性微电极阵列板示意图；
图4是本发明实施例1中叶片电阻分布示意图；
图5是本发明实施例1中盐碱胁迫下两个玉米品种叶片电阻值的变化曲线。
其中，1.电源模块，2.控制模块，3.电阻夹，4.采集模块，5.分析模块，6.夹头，7.手持部位，8.压力弹簧。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。
本发明的植物抗逆性的在位、无损伤鉴定装置如图1所示，包括用于夹持叶片的电阻夹3，电阻夹3结构示意图如图2所示，包括两个夹头6，两个手持部位7，以及设置在两个手持部位7之间的压力弹簧8。电阻夹3还连接有电源模块1，控制模块2，采集模块4和分析模块5。
电阻夹的夹头6相对的内表面分别固定一片柔性微电极阵列板，柔性微电极阵列板的结构如图3所示。图3中的微电极阵列板是在柔性绝缘材料表面上溅射金属薄膜，再通过光刻的方法刻蚀出若干条相互平行且互不连接的导电电极线制成，电极线的间隔尺寸和电极线的线数量根据测试精度的要求确定。根据材料性质、植物叶片面积、外围电路以及环境要求等因素可以将微电极阵列板设计成各种形状。图3给出了矩形电极板的一种示例，电极板也可以根据需要制作成任意形状。
图3中的两个柔性微电极阵列板上的导电电极线位于图2所示的电阻夹的夹头6内侧，对向设置，当手握手持部位7使两个夹头6合住时，两个夹头6上固定的导电电极线的一面分别与植物叶片的两个表面紧密接触。同时，当两个夹头6合住时，两个微电极阵列板上的导电电极线方向相互交叉，形成交叉点阵，相互交叉的方式既可以是垂直交叉，也可以以一定角度交叉。当两个夹头之间形成的交叉点阵越密集时，得到的两个夹头之间叶片电组的2维分布越准确。
在图1中，电源模块1通过控制模块2给电阻夹3中的一个夹头上的电极线逐条(或全部)施加电压(或通入电流)，采集模块4采集电阻夹3另一个夹头上的电极线上的电响应信号(电阻值、电荷量、电压或电流)，分析模块5计算出电阻夹3上下微电极阵列板电极线每个交叉点处的叶片电阻，各交叉点处的叶片电阻构成了叶片的电阻分布，再由2维分布图计算叶片电阻分布特征量，进而根据叶片电阻分布特征量的相对变化情况判断植物抗逆性的强弱。特征量可以是各交叉点处电阻的算术平均值，任何统计意义上的加权平均值，也可以是电阻2维分布图像。
采用该装置进行植物抗逆性强弱鉴定的方法具体按照以下步骤实施：
步骤1，在正常环境下，将待测植物的叶片平稳夹持在电阻夹3中两个夹头6内，使两夹头6内侧(固定导电电极线的一面)分别与植物叶片的两个表面紧密接触，两个微电极阵列板中的电极线相互交叉，形成交叉点阵。
步骤2，通过控制模块2给其中一个夹头的微电极阵列板上的电极逐条(或全部)施加电压(或通入电流)，同时，利用采集模块4在另一个夹头的微电极阵列板的电极中逐条(或全部)采集相应的初始电响应信号，通过分析模块5计算出两个微电极阵列板的电极线每个交叉点处的植物叶片初始电阻，得到植物叶片初始电阻的二维分布图，再计算得到二维分布区域的初始电阻特征值。
步骤3，在人工气候室中设置干旱、盐碱或低温等环境胁迫条件，将待鉴定的植物放置在人工气候室中进行环境胁迫。
步骤4，在环境胁迫条件下，每间隔一定时间，按照与步骤1、2相同的方法加持待鉴定植物同一叶片的相同部位，得到环境胁迫过程中不同时间下该叶片电阻特征值相对变化的动态曲线，该动态变化曲线中峰值出现时间表明植物对逆境的忍耐程度，体现了植物的抗逆性。电阻特征值相对变化动态变化曲线中峰值出现的时间越早，表明植物的抗逆性越弱，反之表明抗逆性越强。
也可通过同时对两种植物叶片进行鉴定，分别按照上述方法得到各自的电阻特征值相对变化的动态变化曲线后，比较两种植物叶片峰值出现的时间的早晚，出现较早的植物抗逆性弱，出现较晚的抗性强。
实施例1
将耐盐性较强的玉米品种名玉和耐盐性较弱的玉米品种吉祥种子各取500粒，用蒸馏水洗掉表面农药包衣，以0.2％HgCl2消毒后再以蒸馏水清洗，均匀放置在水培培养皿中，在28℃恒温环境下浸泡、催芽。挑选发芽较好的种子300粒移植到培养皿中，每天加入适量蒸馏水，维持其正常生长。
将Na2CO3、Na2SO4、NaHCO3、NaCl按1:9:9:1的比例配置成pH值为9.09±0.05的混合盐碱溶液，待玉米幼苗长至三片真叶时，将培养皿中的蒸馏水换为该盐碱溶液，用本发明的方法和装置分别测量名玉品种和吉祥品种幼苗相同叶位的叶片电阻二维分布。
本实施例中植物叶片电阻夹柔性微电极阵列板的柔性绝缘材料以聚酰亚胺薄膜为基材制成，该材料具有高度可靠性和绝缘性，尺寸为2.7×2.7cm，每个柔性微电极阵列板上的电极数各为32条，电极间距0.6mm，线宽0.25mm，两个电极板上的电极线相互垂直，逐条采集两个电极板的电极线交叉点处的电压信号，根据该信号计算出交叉点处的叶片组织电阻。采用本发明的方法在胁迫后0小时(h)、24、48、72、96和120h时，分别测量盐碱胁迫过程中两个玉米品种幼苗相同叶位的叶片组织电阻分布。图4为胁迫开始时名玉叶片电阻分布示意图，图4中的黑点大小代表测量点叶片组织电阻的大小，黑点越小表示电阻越小。在图4中，叶脉部分电阻较小，叶肉部分电阻较大。本实施例可测量的叶片面积为2.7×2.7cm，结果表明，叶片电阻为MΩ级。
以电阻夹所测量到的叶片电阻分布的算术平均值作为电阻特征量，计算两个玉米品种幼苗叶片电阻平均值的相对变化率，并将环境胁迫期间的电阻特征量的相对变化率进行比较。图5为盐碱胁迫下吉祥和名玉两个玉米品种叶片电阻平均值相对变化率的变化曲线。图5表明，在胁迫24h时吉祥品种的叶片电阻平均值的相对增长率开始下降，在胁迫至120h时，名玉品种的叶片电阻平均值的相对增长率还保持在较高水平。因此，吉祥品种的耐盐性较弱，名玉品种的耐盐性较强。由于大量实验和生产实践已经证明了玉米品种名玉的耐盐性较强，吉祥品种的耐盐性较弱，基于本发明的方法鉴定的结果与实际情况相符，说明本发明提出的鉴定方法是可靠的。
实施例2
选择盆栽观赏植物燕子掌和绿萝为实验材料，采用渗透势为-0.1MPa的PEG-6000溶液对燕子掌和绿萝进行生理干旱胁迫，分别测量干旱胁迫后0小时(h)、1、2、3和4h时燕子掌和绿萝叶片组织电阻分布。本实施例中的微电极阵列板面积为7cm×10cm，电极板上的电极数各为40条，电极间距1mm，线宽0.12mm，两个电极板上的电极线相互垂直，逐条采集两个电极板的电极线交叉点处的电压信号，根据该信号计算出交叉点处的叶片组织电阻，进而计算电阻分布的算术平均值，实验结果表明，在干旱胁迫过程中绿萝叶片电阻相对增长率下降时间明显早于燕子掌，由此可知，燕子掌的耐旱性比绿萝要强。采用本发明对燕子掌和绿萝耐旱性的鉴定结果与实际情况也是相符的，说明了本发明的鉴定结果是可靠的。
由上述实施例可见，本发明提出的鉴定植物抗逆性的方法无需进行田间试验，只需对植物施加胁迫处理，直接测定和分析胁迫过程中叶片电阻分布，就可以实现抗逆性的在位、无损和快速鉴定，其鉴定结果与实际情况相符。应该说明，本实施例仅为本发明的一种实施方式，而非对其的限制。环境胁迫的方式、电极板的形状和大小、电极线的排布方式和电极线的数目都可以根据实际需要进行调整和改进。电极线线条及间隔越细，条数越多，得到的叶片电阻点阵越密集，电阻分布越准确。在图1的采集模块4和分析模块5中，读出电阻的方法有很多，任何能够读出电阻的电路都在本专利的保护范围之内。本实施例中以叶片电阻分布的平均值的相对变化率作为鉴定的定量指标，任何统计意义上的植物电阻的特征量和基于电阻2维分布的图像信息提取为依据的植物抗逆性鉴定指标都属于本专利的适用范畴。在本发明的原理和技术方案下实施的任何非实质性调整、修改和润饰均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种植物抗逆性的在位、无损伤鉴定装置，其特征在于，包括用于夹持植物叶片的电阻夹，所述电阻夹包括两个夹头，两个夹头相对的内表面分别固定一片柔性微电极阵列板，柔性微电极阵列板为相互平行且互不连接的导电电极线，两片柔性微电极阵列板上的导电电极线方向相互交叉；当两个夹头合住时，两片柔性微电极阵列板分别与植物叶片的两个表面紧密接触，且两片柔性微电极阵列板上的导电电极线形成交叉点阵；所述柔性微电极阵列板还连接有电源模块、用于给导电电极线施加电压或电流的控制模块、用于采集交叉点阵处叶片电响应信号的采集模块和用于分析处理叶片电响应信号的分析模块。
2.根据权利要求1所述的植物抗逆性的在位、无损伤鉴定装置，其特征在于，所述两片柔性微电极阵列板上的导电电极线相互垂直交叉。
3.根据权利要求1所述的植物抗逆性的在位、无损伤鉴定装置，其特征在于，所述两片柔性微电极阵列板上的导电电极线的间距为0.6～1mm，电极线宽0.12～0.25mm。
4.一种采用如权利要求1-3中任一项所述的鉴定装置进行植物抗逆性的在位、无损伤的鉴定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在正常环境下，将待测植物的叶片平稳夹持在所述电阻夹的两个夹头内，使两个夹头内侧与植物叶片的两个表面紧密接触，两个所述柔性微电极阵列板中的导电电极线相互交叉，形成交叉点阵；
步骤2，给其中一个夹头的微电极阵列板上的电极施加电压或通入电流，同时，利用采集模块在另一个夹头的微电极阵列板的电极中采集相应的初始电响应信号，通过分析模块计算出两个微电极阵列板的电极线每个交叉点处的植物叶片初始电阻，得到植物叶片初始电阻的二维分布图，再计算得到二维分布区域的初始电阻特征值；
步骤3，将待鉴定的植物放置在人工气候室中进行环境胁迫；
步骤4，在环境胁迫条件下，每间隔一定时间，按照与步骤1、2相同的方法加持待鉴定植物同一叶片的相同部位，得到环境胁迫过程中不同时间下该叶片电阻特征值相对变化的动态曲线，由该动态变化曲线中峰值出现时间判断待鉴定植物的抗逆性。
5.根据权利要求4所述的植物抗逆性的在位、无损伤的鉴定方法，其特征在于，采用所述鉴定方法对待鉴定植物叶片和对照植物叶片同时进行鉴定，得到各自的动态变化曲线后，比较两种植物叶片峰值出现的时间的早晚，判断待鉴定植物的抗逆性。
6.根据权利要求4或5所述的植物抗逆性的在位、无损伤的鉴定方法，其特征在于，所述初始电响应信号为电阻值、电荷量、电压或电流。
7.根据权利要求4或5所述的植物抗逆性的在位、无损伤的鉴定方法，其特征在于，所述电阻分布特征量为各交叉点处电阻的算术平均值，或任何统计意义上的加权平均值，或电阻二维分布图像。
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