CN110710394B - 一种根系可视化的高通量植物培养系统 - Google Patents

一种根系可视化的高通量植物培养系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种根系可视化的高通量植物培养系统，包括：可视培养匣；至少两组储水单元，相邻两组储水单元通过第一循环管线连通，每组储水单元包括多个储水槽，每个储水槽内排列有多个竖直叠放的可视培养匣；每组储水单元中的多个储水槽通过第二循环管线相互连通；每根排水管线的进水端与储水槽一一对应；阀组设置在第二循环管线上；控制器与阀组通讯连接；本发明能在小的空间内实现大量植株的土壤培养并获取每个植株的根系生长状况，实现水分及营养成分的循环供给，使各可视培养匣内的根系土壤生长环境保持一致，并可直观对比观察植株根系生长形态的差异，自动化程度高，实现了土壤培养植物根系直接观测，并提高了植物根系的观测的准确性。

Description

一种根系可视化的高通量植物培养系统
技术领域
本发明涉及植物学技术领域，更具体的说是涉及一种根系可视化的高通量植物培养系统。
背景技术
通过对高通量植物培养观测，对植物的主要农艺性状进行测量，同时结合植物基因组学数据进行分析已经是植物育种的主要趋势；同时获取植物的表型数据，比如植物高度、植物根系特征、叶片颜色等，对高通量植物培养具有重要意义；
由于根是固着植物，并从土壤中吸收和运输水分与养分的器官，“全面认识植物根系发育、根群分布、不同生育时期根系吸收水分养分的活力，以及不同环境下根系的变化”，对研究高通量植物培养也是不可缺少的一部分，如何对植物根系的准确取样、测定、观察，成为制约根系相关研究的技术瓶颈，也是现有高通量植物培养技术中所要克服的问题之一；
传统的根系观察箱法、塑料管土柱法、网袋法、三维坐标容器法等实验方法基于土培，存在不能原位直观观察、采样破坏性大、工作量大、培养条件不均一等弊端。而传统的气培法(雾培法)、水培法，与土培相比，根系生长形态略有差异，影响根系表型观测、模拟的准确性。
目前，植物高通量根系原位观察、观测设备，或是基于土培法无法直观、全面的测量，或是基于简单水培法，根系空间分布受限，模拟、观测结果不准确。并且，上述设备普遍缺乏对根系生长环境的调控能力，以及缺乏对比观测功能。
因此，如何提供一种观察方便、观测准确的根系可视化的高通量植物培养系统，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一，提供了一种根系可视化的高通量植物培养系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种根系可视化的高通量植物培养系统，包括：
可视培养匣，所述可视培养匣包括透明底盒、盖板和固定框架，所述透明底盒用于盛放土壤基质，其一侧与所述盖板转动连接，另一侧开口设置；所述盖板上设有多个透水孔，所述透明底盒与所述盖板扣合后，放置在所述固定框架中；
至少两组储水单元，相邻两组所述储水单元通过第一循环管线连通，每组所述储水单元包括多个储水槽，每个所述储水槽内排列有多个所述可视培养匣；
第二循环管线，每组所述储水单元中的多个所述储水槽通过所述第二循环管线相互连通；
排水管线，所述排水管线设有多根，每根所述排水管线的进水端与所述储水槽一一对应，所述排水管线的出水端并联在一起；
阀组，所述阀组设置在所述第二循环管线上；
控制器，所述控制器与所述阀组通讯连接。
进一步的，每个所述储水槽的底部均具有排水口，所述排水管线的进水端与所述排水口一一对应连接，且所述排水管线的出水端设有球阀。
进一步的，所述固定框架包括铰接在一起的第一栅栏板和第二栅栏板，所述第一栅栏板的前端及两侧均设有扣爪，所述第二栅栏板的前端及两侧对应设置有与所述扣爪配合连接的卡环；通过所述扣爪与所述卡环配合，将处于扣合状态的所述透明底盒与所述盖板固定在所述第一栅栏板和第二栅栏板之间。
进一步的，所述阀组包括单向阀和球阀，安装在所述第二循环管线上，用于液体在所述第二循环管线中的单向流动以及连通或阻断。
进一步的，所述第一循环管线上设有所述球阀，所述球阀与所述控制器通讯连接。
进一步的，在部分所述可视培养匣的土壤基质中置入湿度传感器和电导率传感器，所述湿度传感器和电导率传感器的输出端口与无线发射模块的输入端口相连，所述控制器的输入端口与无线接收模块的输出端口相连。
进一步的，所述第二循环管的还连接有水泵和紫外除藻灯，所述水泵及所述紫外除藻灯均与控制器电连接。
进一步的，还包括叶绿素荧光成像仪，所述储水槽上方设置有水平导轨，所述水平导轨两端均与竖直支撑柱固定连接，所述水平导轨上滑动连接有移动座，所述叶绿素荧光成像仪与所述移动座的底部固定连接，且所述移动座上设置有距离传感器。
进一步的，还包括摄像装置，所述摄像装置安装在所述储水槽的外壁上，包括无线红外数字摄像机及红外光源，所述无线红外数字摄像机上设有所述红外光源和图像存储卡，所述无线红外数字摄像机与所述控制器电连接。
进一步的，所述叶绿素荧光成像仪及所述距离传感器均与所述控制器电连接。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种根系可视的高通量植物培养系统，有益效果如下：
1、本发明能在实验室或温室环境中实现大量植株的均一环境土壤培养，并获取每个植株的根系生长状况，通过第一、第二循环管线实现水分及营养成分的循环供给，使各可视培养匣内的根系生长土壤环境及外部液体环境保持一致，土壤湿度和电导率等因子均可以精确控制，可直观对比观察植株根系生长形态的差异，无需对植物移栽，成本低、效率高，适用性广泛。
2、很多植物(主要是作物)体型较大，在实验室或环境中实现大量植株的土壤培养并获取每个植株的根系生长状况需要较大空间，本系统可达到节省空间的目的，利用该系统在实验室使用过程中能够实现平均每平方米500株大豆植株的根表型观测，提供了直观、便利的高通量根系表型采集条件。
3、本发明中，培养室内填充的土壤基质，同传统水培法培育的植物根系比较，根系发育状态更接近自然环境，观测、模拟的结果更准确。
4、本发明为根系生长提供了稳定的环境条件，通过湿度传感器和电导率传感器检测生长环境，可及时给与补充，在不影响根系正常生长的前提下对根系发育情况的进行长期、连续观测，为进行根系生长发育特征、植物营养及养分循环等方面的研究提供了便利。
5、本发明可以通过叶绿素荧光成像仪实时检测植株地上部分的表型信息，获取高通量的植物地上部分表型数据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明可视培养匣的结构示意图。
图2为本发明透明底盒和盖板展开状态示意图。
图3为本发明固定框架的结构示意图。
图4为本发明一组储水单元的结构示意图。
图5为本发明可视培养匣中植物培养状态示意图。
图6为本发明一种根系可视化的高通量植物培养系统的结构示意图。
图7为本发明可视培养匣盖板上的透水孔的分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例公开了一种根系可视化的高通量植物培养系统，包括：可视培养匣1、两组储水单元、液体循环管线、排水管线5和控制器；
具体的，可视培养匣1包括透明底盒11、盖板12和固定框架13，透明底盒11与盖板12在同一侧通过合页转动连接，透明底盒11的另一侧开口设置，开口的设置用于植物生长需要；
固定框架13包括铰接在一起的第一栅栏板和第二栅栏板，第一栅栏板的前端及两侧均设有扣爪121，第二栅栏板的前端及两侧对应设置有与扣爪121配合连接的卡环111；通过扣爪121与卡环111配合，将处于扣合状态的透明底盒11与盖板12固定在第一栅栏板和第二栅栏板之间；
可视培养匣1的尺寸优选为宽55cm，长100cm，高1.5-2cm，完全适应高通量植物的根系生长所需空间，透明底盒11材质为亚克力板，强度好且便于观察植物根系的生长情况，盖板12为不透明板，板上对应每个培养区域沿宽度方向开设有多个透水孔，便于进水和透气，利于植物生长，每个可视培养匣中装载相同的土壤基质，土壤基质可以采用营养土和蛭石比例为3:1，并在使用前高温灭菌；
相邻两组储水单元通过第一循环管线3连通，第一循环管线3上设有球阀6，与控制器电连接，可连通或分隔两组储水单元；
每组储水单元包括多个储水槽2，储水槽2优选设置为3个，且等间距排列在支架上，储水槽2内壁宽79cm，长106cm，高32cm，每个储水槽2内排列有多个竖直叠放的可视培养匣1，控制水位在可视培养匣1底部上方5-10cm位置；每组储水单元中的3个储水槽2通过第二循环管线4相互连通；第二循环管线4上还连接有水泵41和紫外除藻灯42，水泵41及紫外除藻灯42均与控制器电连接，由于各储水槽2相互连通，通过水泵41使液体循环，以保证每组储水单元中所有可视培养匣中的植物处于均一的根际液体培养环境，并且仅在一个储水槽2中添加水和养料，就能使实现所有植物根系处于同样的液体培养环境；
通过紫外除藻灯42杀灭液体中藻类净化液体环境，避免培养过程中藻类泛滥，影响根系生长；
在每组储水单元中的3个储水槽2的底部均具有排水口，并设有多根排水管线5，每根排水管线5的进水端与排水口一一对应连接，排水管线5并联在一起，在出水端设有球阀6通过连接控制器，控制排水。
在一个具体的实施例中，在第二循环管线4上串接有阀组，包括单向阀和球阀6，均与控制器电连接，用于液体在第二循环管线4中的单向流动以及连通或阻断。
有利的，在部分可视培养匣的土壤基质中置入湿度传感器和电导率传感器，湿度传感器和电导率传感器的通过无线收发模块与控制器通讯连接，控制器预设有标准水分和电导率参数值，当检测值高于或低于预设参数时，控制器将信号传递给与控制器电连接的报警器，提醒工作人员及时添加养分和水分。
在一个具体的实施例中，培养系统正上方安装有叶绿素荧光成像仪，可对植株地上部分进行叶绿素荧光成像和RGB成像，从而检测植物光合作用、生长活力、胁迫程度等表型指标；具体的，储水槽2上方设置有水平导轨8，水平导轨8两端均与竖直支撑柱固定连接，水平导轨8上滑动连接有移动座9，叶绿素荧光成像仪7与移动座9的底部固定连接，且移动座9上设置有距离传感器，使其可移动的在排列有多个可视培养匣1的储水槽2上方拍摄，并且通过控制器电连接距离传感器和叶绿素荧光成像仪，准确的控制叶绿素荧光成像仪的移动距离，拍摄所需要的图像信息。
有利的，还包括摄像装置，摄像装置安装在储水槽2的侧壁上，包括无线红外数字摄像机及红外光源，无线红外数字摄像机上设有红外光源和图像存储卡，更能直观反映植物根系在土壤基质中的生长状况和根系的动态生长周期，降低了人员劳动强度和监测成本，实现了远程动态监测。
在一个具体的实施例中，每个储水槽2的上方安装有LED补光灯，通过控制器控制灯光的开启和光照的时间，光照强度和光照周期由人工设定，控制器自动控制，满足室内培养的光照需求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种根系可视化的高通量植物培养系统，其特征在于，包括：
可视培养匣(1)，所述可视培养匣(1)包括透明底盒(11)、盖板(12)和固定框架(13)，所述透明底盒(11)用于盛放土壤基质，其一侧与所述盖板(12)转动连接，另一侧开口设置；所述盖板(12)上设有多个透水孔，所述透明底盒(11)与所述盖板(12)扣合后，放置在所述固定框架(13)中；
至少两组储水单元，相邻两组所述储水单元通过第一循环管线(3)连通，每组所述储水单元包括多个储水槽(2)，每个所述储水槽(2)内排列有多个所述可视培养匣(1)；
第二循环管线(4)，每组所述储水单元中的多个所述储水槽(2)通过所述第二循环管线(4)相互连通；
排水管线(5)，所述排水管线(5)设有多根，每根所述排水管线(5)的进水端与所述储水槽(2)一一对应，所述排水管线(5)的出水端并联在一起；
阀组，所述阀组设置在所述第二循环管线(4)上；
控制器，所述控制器与所述阀组通讯连接。
2.根据权利要求1所述的一种根系可视化的高通量植物培养系统，其特征在于，每个所述储水槽(2)的底部均具有排水口，所述排水管线(5)的进水端与所述排水口一一对应，且所述排水管线(5)的出水端设有球阀(6)。
3.根据权利要求1所述的一种根系可视化的高通量植物培养系统，其特征在于，所述固定框架(13)包括铰接在一起的第一栅栏板和第二栅栏板，所述第一栅栏板的前端及两侧均设有扣爪(121)，所述第二栅栏板的前端及两侧对应设置有与所述扣爪(121)配合连接的卡环(111)；通过所述扣爪(121)与所述卡环(111)配合，将处于扣合状态的所述透明底盒(11)与所述盖板(12)固定在所述第一栅栏板和第二栅栏板之间。
4.根据权利要求1所述的一种根系可视化的高通量植物培养系统，其特征在于，所述阀组安装在所述第二循环管线(4)上，包括单向阀和球阀(6)，用于液体在所述第二循环管线(4)中的单向流动以及连通或阻断。
5.根据权利要求1所述的一种根系可视化的高通量植物培养系统，其特征在于，所述第一循环管线(3)上设有球阀(6)，所述球阀(6)与所述控制器通讯连接。
6.根据权利要求1所述的一种根系可视化的高通量植物培养系统，其特征在于，在所述可视培养匣(1)的土壤基质中置入湿度传感器和电导率传感器，所述湿度传感器和电导率传感器的输出端口与无线发射模块的输入端口相连，所述控制器的输入端口与无线接收模块的输出端口相连。
7.根据权利要求1所述的一种根系可视化的高通量植物培养系统，其特征在于，所述第二循环管线(4)上还连接有水泵(41)和紫外除藻灯(42)，所述水泵(41)及所述紫外除藻灯(42)均与所述控制器电连接。
8.根据权利要求1所述的一种根系可视化的高通量植物培养系统，其特征在于，还包括叶绿素荧光成像仪(7)，所述储水槽(2)上方设置有水平导轨(8)，所述水平导轨(8)两端均与竖直支撑柱固定连接，所述水平导轨(8)上滑动连接有移动座(9)，所述叶绿素荧光成像仪(7)与所述移动座(9)的底部固定连接，且所述移动座(9)上设置有距离传感器。
9.根据权利要求1所述的一种根系可视化的高通量植物培养系统，其特征在于，还包括摄像装置，所述摄像装置安装在所述储水槽(2)的侧壁上，包括无线红外数字摄像机及红外光源，所述无线红外数字摄像机上设有所述红外光源和图像存储卡，所述无线红外数字摄像机与所述控制器电连接。
10.根据权利要求8所述的一种根系可视化的高通量植物培养系统，其特征在于，所述叶绿素荧光成像仪(7)及所述距离传感器均与所述控制器电连接。
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