CN110133185B - 一种基于应力松弛时间判定植物茎保水能力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于应力松弛时间判定植物茎保水能力的方法，属抗旱育种和农作物信息检测领域，包括以下步骤：取待测植物茎用水清理，并将表面水分吸干；设置固定形变，利用质构仪测定茎应力松弛曲线，计算应力松弛时间；利用形变率及应力松弛时间计算细胞液渗出速率，据此比较植物茎保水能力。本发明采用物理方法，结果精确度高，操作简单快捷，根据茎保水能力可对植物的抗干旱能力进行检测。

Description

一种基于应力松弛时间判定植物茎保水能力的方法
技术领域
本发明属于抗旱育种和农作物信息检测技术领域，具体涉及一种基于应力松弛时间判定植物茎保水能力的方法。
背景技术
干旱是一个长期存在的世界性难题，全球干旱半干旱地区约占陆地面积的35％，遍及世界60多个国家和地区。我国的干旱半干旱区面积约占国土面积的43.1％，其中干旱地区占26.73％。这些地区由于气候干燥、年降水量少、蒸发剧烈、土壤供水不足等原因，严重制约着植物的生长发育。研究植物生理抗旱性机制，开发各种植物耐旱性的快速检测技术，采取各种抗旱措施，寻找更能适应日趋干旱的环境品种，可以有效抵御干旱，提高植物的成活率，改善生态环境，遏制荒漠化，对促进中国的经济和生态建设同步发展有着重要意义。
植物茎对干旱等逆境条件反应比较灵敏，是判断一个植物品种保水能力最明显的指标之一。目前，植物茎直径变化方面的检测方法较多，涉及图像处理、声发射及电生理等技术，由此进一步检测植物水分状况，反映其抗旱特性，然而这些技术易受环境影响，且对测试设备要求较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种基于应力松弛时间判定植物茎保水能力的方法，可以通过力学指标准确检测植物茎的水分变化状况，简便快捷，为植物抗旱性检测技术提供科学支撑。
本发明是采用以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于应力松弛时间判定植物茎保水能力的方法，包括以下步骤：
步骤一，选取待测植物截取面积和长势较为一致的茎若干，设置固定形变，测量茎的应力松弛曲线；
步骤二，对所述应力松弛曲线进行拟合，计算得到应力松弛时间τ；
步骤三，依据形变率及应力松弛时间计算植物茎细胞液渗出速率ER；
步骤四，判定植物茎保水能力。
进一步，所述步骤一中固定形变的设置须以茎未受不可逆损坏为前提。
进一步，所述步骤一中应力松弛曲线为：植物茎受压持续增大达到并维持设置固定形变过程中，应力变化曲线中最大峰值后呈指数下降的曲线部分。
进一步，所述步骤二中麦克斯韦模型的应力松弛方程为
Figure BDA0002030291350000021
其中F(t)是时间为t时的茎内力，F(0)是时间为0时的茎内力，e为自然底数，t为时间，τ为应力松弛时间。
进一步，所述步骤三中，形变率为茎细胞体积的变化，应力松弛时间为细胞液渗出时间。
进一步，所述细胞液渗出速率
Figure BDA0002030291350000022
进一步，所述应力松弛曲线利用质构仪测定。
进一步，所述应力松弛曲线的拟合利用麦克斯韦模型的应力松弛方程进行。
本发明的优点如下：
1)本方法利用质构仪测量叶片的应力松弛曲线，结果不受测定的温度、湿度、光照等环境因子的限制，结果精确、可靠性高。
2)本方法基于植物茎应力松弛曲线的测定，获取植物茎的应力松弛时间，比较不同茎保水能力，来分析植物的抗旱性，能够更好地将茎保水能力与植物的抗旱性联系起来，更好地反映植物对干旱环境的适应性。
3)本方法获取的细胞液渗透速率可以直接用来比较不同植物的抗干旱能力，测试简单，计算快捷。
附图说明
图1为30％形变下四种植物内力变化曲线；
图2为利用麦克斯韦模型的应力松弛方程拟合的四种植物各自的应力松弛曲线图；.
图3为25％形变下两种植物内力变化曲线；
图4为利用麦克斯韦模型的应力松弛方程拟合的两种植物各自的应力松弛曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体方案做进一步的说明。
本发明的基本原理为：
植物缺水较严重时，茎和叶会产生萎蔫，主要是由于缺水时植物细胞膨压下降，从而使植物组织的刚度减小。由于植物组织具有细胞结构这一特点，其力学性能与单细胞的力学行为有着密切的联系。细胞壁是位于细胞膜外的一层较厚、较坚韧并略具弹性的结构。植物茎细胞的细胞壁具有很高的机械强度，提高了茎对外界机械伤害的抵抗力，对植物水分运输起重要的保护作用。
许多植物经过长期的自然选择和生存竞争，从外部形态、解剖构造以及从内部生理生化特性等方面都形成了在高水势下的延迟脱水和低水势下的忍耐脱水能力。细胞壁机械强度越高，维持组织膨压的能力就越强，通过力学指标测定植物茎，能够反映细胞壁的抗破裂能力，表征植物保水能力。与生理、生化及形态指标相比，力学指标相对简单、快速、可靠，而且实验周期短，对实验条件的要求低，观察起来容易，所以能够作为一个重要的抗旱性指标。
植物茎由细胞构成，构成细胞的细胞壁是一个弹性膜，具有黏弹的特性。因此，植物茎细胞整体上可被视为线性粘弹性材料，可用简单的麦克斯韦模型表示，它由一个线性弹簧和一个粘性元件串联而成。
麦克斯韦模型的运动方程为：
Figure BDA0002030291350000031
其中，ε为应变，t为时间，E为弹性模量，σ为应力，η为黏度；η和E之间的比值被定义为应力松弛时间τ，即
Figure BDA0002030291350000032
对植物组织施加压力，设置固定形变情况下，应变ε为恒定值；当
Figure BDA0002030291350000033
方程(1)变形为：
Figure BDA0002030291350000034
当t＝0时，植物组织所受应力为初始应力，即σ(t)＝σ(0)，t＝t时，植物组织所受应力为σ(t)；
将方程(2)从t＝0时的σ(0)积分到t＝t时的σ(t)，则方程(2)可变形为：
Figure BDA0002030291350000035
取幂得出
Figure BDA0002030291350000036
其中，e为自然底数。
在对植物组织持续施压过程中，施压探头不变，茎受力面积不变，假设探头横截面面积为A，方程(4)可变为：
Figure BDA0002030291350000041
应力计算方程为：
Figure BDA0002030291350000042
其中，F为植物组织受压时的内力，A为植物组织与施压探头的接触面积。
根据方程(5)和(6)，可得：
Figure BDA0002030291350000043
其中F(t)为时间为t时的茎内力，F(0)为时间为0时的茎内力。
松弛时间指材料在松弛的状态下受应力下降到初始值的1/e倍所需的时间，能够表征材料接近理想弹性体的程度，也即松弛时间越大，植物茎细胞越接近理想弹性体。由超弹性材料构成的细胞壁在渗透作用影响下，内力随渗透时间的增加而衰减，细胞内压较大，使得细胞液渗出较快，较快的细胞液渗出又使得内压迅速降低，从而使细胞继续变形所需要的外力减小，最终趋于恒定。该过程中茎杆所受形变可视为茎杆细胞体积的变化，应力松弛时间可视为细胞液渗出时间，则细胞液渗出速率可通过两者之商进行计算获得。通过比较细胞液渗出速率即可分析不同植物茎的保水能力。
本发明一种基于应力松弛时间判定植物茎保水能力的方法的具体实施过程如下：
步骤一，取正常生长的待测植物的新鲜枝条，并用湿布包住植株枝干基部，减缓水分散发。
步骤二，迅速返回实验室，清理新鲜枝条茎表面灰尘后，用剪刀截取新鲜枝条上长势较为一致的长度是10mm的茎共10段，放入湿布中保湿；选取截取面积和长势较为一致的茎若干，设置固定形变，利用质构仪测量该茎的应力松弛曲线；其中，固定形变的设置须以茎未受不可逆损坏为前提，应力松弛曲线为植物茎受压持续增大达到并维持所设置固定形变过程中，应力变化曲线中最大峰值后呈指数下降的曲线部分。
步骤三，利用麦克斯韦模型的应力松弛方程对该应力松弛曲线进行拟合，计算得到应力松弛时间τ；麦克斯韦模型的应力松弛方程为公式(7)。
步骤四，依据形变率及应力松弛时间计算植物茎细胞液渗出速率：将步骤二中所设置固定形变的形变率视为茎细胞体积的变化，应力松弛时间视为细胞液渗出时间，则两者之商即可等同细胞液渗出速率ER，
Figure BDA0002030291350000044
步骤五，依据植物茎细胞液渗出速率判定植物茎保水能力。
实施例1：
取正常生长的构树、桑树、爬山虎和紫藤的新鲜枝条，并用湿布包住植株枝干基部，减缓水分散发；迅速返回实验室，清理所述四种植物茎表面灰尘后，用剪刀截取所述新鲜枝条上长势较为一致的茎10mm共10段，放入湿布中保湿。每种植物各自选取截取面积和长势较为一致的茎若干，设置固定形变为30％，利用质构仪测量该茎的应力松弛曲线。四种植物内力变化曲线见图1。
利用麦克斯韦模型的应力松弛方程
Figure BDA0002030291350000051
对四种植物各自应力松弛曲线进行拟合，拟合曲线见图2，并计算得到应力松弛时间τ(见表1)。
表1四种植物各自的应力松弛时间
Figure BDA0002030291350000052
为便于不同植物茎保水能力的相互比较，设置初始状态下(即未受外力时)各植物茎细胞的体积为均为1，30％形变即可视为细胞体积减少了0.3，则四种植物茎细胞液的渗出速率可通过方程
Figure BDA0002030291350000053
进行计算。四种植物各自的茎细胞液渗出速率见表2。
表2四种植物各自的茎细胞液渗出速率
Figure BDA0002030291350000054
由表2可知，构树和桑树同为木本植物，与桑树相比，构树茎细胞液渗出速率较慢；爬山虎和紫藤同为藤本植物，与紫藤相比，爬山虎茎细胞液渗出速率较慢。植物茎具有输导营养物质和水分作用，茎细胞液较慢的渗出速率表明其具有较强的保水能力，干旱下植物茎较强的保水能力，使其能够在干旱环境下维持较好的水分获取特性，体现出较好的抗旱性。构树和爬山虎分别比桑树和紫藤的茎表现出较好的保水能力，具有抗旱性好的特性，这与实际情况相符。
实施例2：
取正常生长的常春藤和绿萝的新鲜枝条，并用湿布包住植株枝干基部，减缓水分散发；迅速返回实验室，清理所述两种植物茎表面灰尘后，用剪刀截取所述新鲜枝条上长势较为一致的茎10mm共10段，放入湿布中保湿。每种植物各自取截取面积和长势较为一致的茎若干，设置固定形变为25％，利用质构仪测量该茎的应力松弛曲线。两种植物内力变化曲线见图3。
利用麦克斯韦模型的应力松弛方程
Figure BDA0002030291350000061
对两种植物各自应力松弛曲线进行拟合，拟合曲线见图4。并计算得到应力松弛时间τ(见表3)。
表3两种植物各自的应力松弛时间
Figure BDA0002030291350000062
为便于不同植物茎保水能力的相互比较，设置初始状态下(即未受外力时)各植物茎细胞的体积为均为1，25％形变即可视为细胞体积减少了0.25，则四种植物茎细胞液的渗出速率可通过方程
Figure BDA0002030291350000063
进行计算。两种植物各自的茎细胞液渗出速率见表4。
表4两种植物各自的茎细胞液渗出速率
Figure BDA0002030291350000064
由表4可知，与绿萝相比，常春藤细胞液渗出速率较慢，常春藤比绿萝的茎表现出较好的保水能力，具有抗旱性好的特性，这与实际情况相符。
以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明保护。

Claims (6)

1.一种基于应力松弛时间判定植物茎保水能力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，选取待测植物截取面积和长势较为一致的茎若干，设置固定形变，测量茎的应力松弛曲线；
所述固定形变的设置须以茎未受不可逆损坏为前提；
所述应力松弛曲线为：植物茎受压持续增大达到并维持设置固定形变过程中，应力变化曲线中最大峰值后呈指数下降的曲线部分；
步骤二，对所述应力松弛曲线进行拟合，计算得到应力松弛时间τ；
步骤三，依据形变率及应力松弛时间计算植物茎细胞液渗出速率ER；
步骤四，判定植物茎保水能力。
2.根据权利要求1所述的一种基于应力松弛时间判定植物茎保水能力的方法，其特征在于，所述步骤三中，形变率为茎细胞体积的变化，应力松弛时间为细胞液渗出时间。
3.根据权利要求2所述的一种基于应力松弛时间判定植物茎保水能力的方法，其特征在于，所述细胞液渗出速率
Figure FDA0003438931090000011
4.根据权利要求1所述的一种基于应力松弛时间判定植物茎保水能力的方法，其特征在于，所述应力松弛曲线利用质构仪测定。
5.根据权利要求1所述的一种基于应力松弛时间判定植物茎保水能力的方法，其特征在于，所述应力松弛曲线的拟合利用麦克斯韦模型的应力松弛方程进行。
6.根据权利要求5所述的一种基于应力松弛时间判定植物茎保水能力的方法，其特征在于，所述步骤二中麦克斯韦模型的应力松弛方程为
Figure FDA0003438931090000012
其中F(t)是时间为t时的茎内力，F(0)是时间为0时的茎内力，e为自然底数，t为时间，τ为应力松弛时间。
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