CN110082323A - 基于叶绿素荧光成像技术快速筛选不同温度敏感型植物的装置和方法 - Google Patents

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黄黎锋
蓝袁洋
柴益民
何胜杰
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6456—Spatial resolved fluorescence measurements; Imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N5/00—Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid
    • G01N5/04—Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid by removing a component, e.g. by evaporation, and weighing the remainder

Abstract

本发明公开了一种基于叶绿素荧光成像技术快速筛选不同温度敏感型植物的装置和方法，包括：含有温控系统的植物叶绿素荧光成像装置；利用该装置，本发明还提供快速筛选不同温度敏感型植物的方法，叶绿素荧光成像装置可设置温度变化区间和幅度，在不同温度下对植株进行实时检测，成像数据自动存入计算机并进行数据分析，计算机根据所测不同温度下叶绿素荧光参数的实际光化学量子产量ϕPSⅡ的变化对温度敏感型植物进行筛选。本发明相对于传统方法，具有操作简便、检测快速、样品无损、数据详实准确、可多植物同时检测的优点。

Description

基于叶绿素荧光成像技术快速筛选不同温度敏感型植物的装 置和方法
技术领域
本发明涉及叶绿素荧光检测领域，特别涉及一种基于叶绿素荧光成像技术的快速筛选不同温度敏感型植物的装置和方法。
背景技术
光合作用是地球上最重要的化学反应之一，它利用太阳光能裂解水释放出了地球上绝大多数生物所需要的氧气，同时固定大气中的二氧化碳为葡萄糖为新陈代谢提供能量。
在光合作用的光反应过程中，有一部分光能损耗以较长波长的叶绿素荧光方式释放。植物光合作用的多数变化都可以通过叶绿素荧光反应出来，叶绿素荧光作为光合作用研究的探针，具有特异性、高灵敏度的特点，能快速反映植物生理生态状况，并且能够实现无损检测，在突变株筛选、环境胁迫检测、表型分析等众多领域都有着广泛的应用。其中，实际光化学量子产量ϕPSⅡ反应了植物目前的实际光合效率，能在相当程度上反应环境对植物的影响。
植物温敏性的多变性导致对其评价的难度，目前尚无高效准确评价植物温敏性的方法。传统对植物温敏性的评价，通常是观察植物在具体温度养殖环境下的黄叶、萎靡、枯死的情况，这种肉眼观察的评价方法，往往受主观因素影响，准确性不高，耗时长且会消耗大量的植物样品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于叶绿素荧光及成像技术的快速筛选不同温度敏感型植物的装置和方法。
该方法通过构建带温控设备的叶绿素荧光检测装置，提供均匀光照和设定的温度值，激发植物叶绿素荧光，采集植物的叶绿素荧光数据和图像，进而快速筛选不同温度敏感型植物，可以解决当前评价植物温度敏感性惯用方法的不准确性和操作繁复性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一、基于叶绿素荧光成像技术快速筛选不同温度敏感型植物的装置。包括：
箱体；
物料载台，安装在箱体内，物料载台含有9个工作位，可以同时检测9个样品，物料载台带有升降装置；
顶架，安装在箱体内，正对物料载台上方；
叶绿素荧光成像仪，可调镜头上装有滤光片，安装在顶架上；
光源组，安装箱体顶部，为叶绿素荧光成像仪提供激发光和照明光；
温控设备，包含温度传感器、制冷装置和加热装置，保持和调节箱体内部温度；
计算机，叶绿素荧光成像仪通过相机线与计算机相连。
二、基于叶绿素荧光成像技术的快速筛选不同温度敏感型植物的方法，该方法的步骤如下：
(1)选取健康的待测植物，调控光照、温度和水分，使得植物处于最佳的生理状态；
(2)将最多9株待测植物放在物料载台上，物料载台可根据植株高度对植株进行升降操作，直至达到合适的测量位置；
(3)设定叶绿素荧光检测装置的起始温度与终止温度，设定温度变化幅度，开始调整温度。待起始温度稳定后，启动检测设备;
(4)光源组提供光化光和脉冲光，温控设备提供平稳变化的温度环境，通过叶绿素荧光成像仪结合滤光轮采集得到植物在不同温度下的叶绿素荧光图像与叶绿素荧光参数ϕPSⅡ;
(5)计算机对叶绿素荧光图像和参数进行处理，包括自动空洞填充、阈值分割等操作，评估植物的温度敏感性。以叶片颜色的不同展示温度敏感性。耐冷性评估：图像越蓝，耐冷性相对越弱，图像越绿，耐冷性越强。耐热性评估：图像越红，耐热性相对越弱，图像越绿，耐热性越强。
本发明具有的有益效果是：
本发明提供一种无损的植物温度敏感性筛选方法，尤其是运用在珍惜植物品种上;
本发明操作简便，检测快速，可多植物同时检测;
本发明提供植物的叶绿素荧光图像，以直观的方式展示植物的温度敏感性。
附图说明
图1方法流程图。
图2 本发明的结构示意图
图中： 箱体1，物料载台2，升降装置3，顶架4，叶绿素荧光成像仪5，光源组6，温控设备7，温度传感器8，计算机9 。
图3温度对黄瓜植株干重的影响。
图4温度对黄瓜实际光化学量子产量ϕPSⅡ的影响。
图5叶绿素荧光成像技术测定黄瓜耐冷性。
图6叶绿素荧光成像技术测定黄瓜耐热性。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的原理是利用各温度下植物叶绿素荧光参数ϕPSⅡ值来反映植物对温度的敏感性。通常而言，温度会对植物造成多方面的影响，包括从个体层面上的生长速度、到生理层面的光合作用效率、再到分子层面的基因表达调控等等。实验表明叶绿素荧光参数ϕPSⅡ值作为反映植物实际光化学量子产量的参数，对温度敏感，其数值变化能反应出植物的温度敏感性。
实施例一
如图2所示，本发明包括箱体1；物料载台2，安装在箱体1内，物料载台含有9个工作位，物料载台2带有升降装置3；顶架4安装在箱体1内，正对物料载台2上方；叶绿素荧光成像仪5，可调镜头上装有滤光片，安装在顶架4上；光源组6，安装箱体1顶部，为叶绿素荧光成像仪提供激发光和照明光；温控设备7，包含温度传感器8、制冷装置和加热装置，保持和调节箱体1内部温度；叶绿素荧光成像仪5通过相机线与计算机9相连，计算机安装有图像采集卡和采集软件，对检测对象进行图像采集、处理、分析和显示；箱体1有适当密闭保温性，保证温度变化不受外界干扰。
实施例二
待测黄瓜植株培养
收集黄瓜种子7份：富阳35号、君优66、夏盛、山农5号、津优1号、绿岛1号、科普3号，催芽种植。将无病虫害、 生长良好、 大小一致的各黄瓜品种幼苗定植于塑料花盆，每盆1株，以腐殖土与沙土按3：1(干重)的比例配制栽培基质。定植后定期统一水肥管理。
实施例三
称重方法测定生物量
待实施例二黄瓜幼苗长至4叶一芽，选取生长良好、 大小一致的黄瓜植株各6株分别在10℃、35℃人工气候箱培养，培养10天，光周期为 12D：12L，光强为400μmol/(m2·s)，湿度70%。
培养结束后，每组植株用自来水将叶片和根系洗净晾干，分别装入牛皮纸袋，置于烘箱于100℃杀青30min，然后在80℃下烘干至恒重，称取干重。以进入人工气候箱培养前相同规格的黄瓜植株干重为对照，有机物积累量结果如图3。
植物的干重反映其生物产量和有机物的积累，在一定温度下光合作用越弱，其产生的有机物越少，在一定程度上反应了植物的温度敏感性。
根据此方法，这7种黄瓜品种，耐10℃寒冷能力为山农5号＞富阳35号＞津优1号＞君优66＞绿岛1号＞科普3号＞夏盛；耐35℃高温能力为夏盛＞绿岛1号＞科普3号＞津优1号＞君优66＞富阳35号＞山农5号。
实施例四
叶绿素荧光成像技术快速测定温度敏感性。
待实施例二黄瓜幼苗长至4叶一芽，选取生长良好、 大小一致的黄瓜植株各3株作叶绿素荧光温度曲线。
将待测植物以9个为一组，放在物料载台上，物料载台根据植株高度对植株进行升降操作，直至达到合适的测量位置。
设定叶绿素荧光检测装置的起始温度10℃与终止温度45℃，设定温度变化幅度为0.25℃/min。待起始温度稳定在10℃后，启动检测设备。
光源组提供光化光和脉冲光，温控设备提供平稳变化的温度环境，通过叶绿素荧光成像仪结合滤光轮采集得到植物在不同温度下的叶绿素荧光图像与叶绿素荧光参数ϕPSⅡ。其中，光化光强400μmol/(m2·s)，脉冲光强6000μmol/(m2·s)，闪光0.8s，间隔10s，温度变化幅度为0.25℃/min。
温度对黄瓜实际光化学量子产量ϕPSⅡ值的影响如图4。
实施例五
作为高通量测试，很有必要将测试结果以一种直观且准确的形式表达。计算机对叶绿素荧光图像和参数进行处理，包括自动空洞填充、阈值分割等操作。通过对应温度叶绿素荧光参数ϕPSⅡ的斜率等参数的分析，评估植物的温度敏感性，并以叶片颜色的不同加以展示。耐冷性评估：图像越蓝，耐冷性相对越弱，图像越绿，耐冷性越强。耐热性评估：图像越红，耐热性相对越弱，图像越绿，耐热性越强。
叶绿素荧光成像技术测定黄瓜温度敏感性结果如图5、图6。耐冷性为山农5号＞富阳35号＞津优1号＞君优66＞绿岛1号＞科普3号＞夏盛；耐热性为夏盛＞绿岛1号＞科普3号＞津优1号＞君优66＞富阳35号＞山农5号。
与实施例三的结果作比对，可见叶绿素荧光成像技术测定植物温度敏感性结论与称重法一致。
综上所述，利用本发明建立的基于叶绿素荧光成像技术快速筛选不同温度敏感型植物的装置和方法具有无损、操作简便，高通量、检测快速的优点，具有良好的运用前景。
上述实施例仅为本发明的一个具体实施例，凡是符合本专利的发明宗旨的实施例均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种叶绿素荧光探测装置，包括激发植物荧光的光源组，采集植物图像的摄像单元，用于容纳植物、光源和摄像单元的箱体以及带数据采集处理功能的计算机，其特征在于箱体内有温控系统，能调节检测环境温度。
2.基于叶绿素荧光成像技术的快速筛选不同温度敏感型植物的方法，包含如下步骤：
（1）选取健康的待测植物，调控光照、温度和水分，使植物处于最佳的生理状态；
（2）将待测植物放在物料载台上，物料载台可根据植株高度对植株进行升降操作，直至达到合适的测量位置；
（3）设定叶绿素荧光检测装置的起始温度与终止温度，设定温度变化幅度后启动温控设备，待起始温度稳定后，运行检测设备；
（4）光源组提供光化光和脉冲光，温控设备提供平稳变化的温度环境，通过叶绿素荧光成像仪结合滤光轮采集得到植物在不同温度下的叶绿素荧光图像与叶绿素荧光参数ϕPSⅡ；
（5）计算机对叶绿素荧光图像和参数进行处理，包括自动空洞填充、阈值分割等操作；
（6）通过对应温度叶绿素荧光参数ϕPSⅡ的斜率等参数，评估植物的温度敏感性，并以叶片颜色的不同加以展示；
（7）每个植物品种至少测定3个重复。
3.根据权利要求1所述的一种叶绿素荧光探测装置，其特征在于一次操作能检测9个样品。
4.根据权利要求2所述的快速准确比较植物品种温度敏感性的方法，其特征在于步骤(6)中，耐冷性评估：图像越蓝，耐冷性相对越弱，图像越绿，耐冷性越强，耐热性评估：图像越红，耐热性相对越弱，图像越绿，耐热性越强。
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