CN111929409A - 一种植物叶片胞内水分有效性的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种植物叶片胞内水分有效性的检测方法，属于节水灌溉和农作物信息检测技术领域。首先对待测植物叶片进行饱水和干燥处理，测定各失水时刻叶片的相对含水量、叶片厚度和叶肉细胞厚度，计算各失水时刻叶片的相对含水量、叶片厚度和叶肉细胞厚度占前一相邻失水时刻各值的百分比，进一步获取各相邻失水时刻间叶片的相对含水量、叶片厚度和叶肉细胞厚度的相对变化量，由此判断植物叶片胞内的水分有效性。本发明能够及时评估叶片的水分状况，为节水灌溉作物需水节点的提前预测提供依据，测试过程不受周围环境因素的限制。
Description
技术领域
本发明属于节水灌溉和农作物信息检测技术领域，具体涉及一种植物叶片胞内水分有效性的检测方法。
背景技术
受全球气候变化影响，植物将遭受更为频繁的临时性干旱环境。水分亏缺导致叶片内部水分有效性的下降，影响植物生理生化过程，造成光合作用以及生长受限。然而，植物叶片内部结构及细胞组分可以快速响应，实现水分平衡，保持植物正常生长。在农业生产实践中，及时诊断叶片水分状况，有利于叶片水分输送及利用过程的检测，提前掌握植物需水时间节点，防止光合作用受抑并提高水分利用效率。干旱下，植物首先通过关闭气孔减少蒸腾，降低水分耗散。然而，叶片胞内水分的有效性才是光合作用得以维持的主要影响因素。
目前植物叶片水分状况主要是通过测量植株的叶片水势、冠层温度、蒸腾速率、植株茎杆直径的变化等指标间接获得。受植物叶片内部水分调节等代谢活动的影响，这些指标对植物水分亏缺的表征都具有滞后性，据此供水，作物可能已遭受不可逆损害。近红外光谱法、视觉图像技术以及声发射技术，可以实现在线监测，然而测试结果主要代表叶片含水率及蒸腾的变化，且易受周围环境影响。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种植物叶片胞内水分有效性的检测方法，基于叶片厚度及叶肉细胞体积变化对植物叶片胞内水分有效性进行评估，分析植物对水分亏缺的响应，为需水时间节点的检测提供依据；克服现有技术不能准确预测植物水分亏缺信息、受环境因素影响大的缺陷。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种植物叶片胞内水分有效性的检测方法，包括如下步骤：
步骤(1)，对待测植物叶片进行饱水和干燥处理；
步骤(2)，测定各失水时刻叶片的相对含水量RW；
步骤(3)，测定各失水时刻的叶片厚度LT、栅栏组织厚度和海绵组织厚度，栅栏组织厚度和海绵组织厚度之和为叶肉细胞厚度MCT；
步骤(4)，计算各失水时刻叶片的相对含水量、叶片厚度和叶肉细胞厚度占前一相邻失水时刻各值的百分比，根据公式
和
获得各相邻失水时刻间叶片的相对含水量、叶片厚度和叶肉细胞厚度的相对变化量；其中VRW、VLT和 VMCT分别为叶片相对含水量、叶片厚度和叶肉细胞厚度的相对变化量，i为失水时刻，i为正整数；
步骤(5)，判断植物叶片胞内的水分有效性
当|VMCT|＞VRW-VLT时，胞内水分有效性上升；当|VMCT|＜VRW-VLT时，胞内水分有效性下降。
进一步的技术方案，所述叶片的相对含水量
其中Wt为植物叶片鲜重，Ws为植物叶片饱和鲜重，DW为叶片干重。
进一步的技术方案，所述叶片厚度、栅栏组织厚度和海绵组织厚度采用石蜡切片法测定获取。
更进一步的技术方案，所述石蜡切片法的具体过程为：取材固定、脱水、透明、浸蜡、包埋、切片、粘片、脱蜡和染色制片。
进一步的技术方案，所述待测植物叶片长势良好且长势一致。
本发明的有益效果为：
(1)本发明利用各相邻失水时刻间叶片的相对含水量、叶片厚度和叶肉细胞厚度的相对变化量，判断植物叶片胞内的水分有效性，及时评估叶片的水分状况，为节水灌溉作物需水节点的提前预测提供依据，测试过程不受周围环境因素的限制，技术成熟、精确度高，能够更好地及时供水并防止水分逆境对光合作用的直接影响。
(2)本发明利用叶片物理特征，能够清晰表征叶片内部结构变化对水分输送和利用的影响情况，能够从物理学角度分析植物水分状况，为叶片水分状况的快速及时评估提供依据。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明的基本原理为：植物叶片主要由上下表皮、栅栏组织及海绵组织构成。栅栏组织主要分布在植物的叶片之中，乃因应光合作用而特化出来的细胞。海绵组织是位于栅栏组织与下表皮之间的同化组织，海绵组织细胞主要用来气体交换，也可进行光合作用。叶肉细胞则包含栅栏组织细胞和海绵组织细胞。
失水情况下的植物叶片具有及时调整内部水分平衡的能力。当植物失水时，叶片收缩，厚度下降，同时叶肉细胞体积减小，增加胞内膨压，维持细胞向光合结构持续供水能力，增强水分有效性。叶片厚度、叶肉细胞体积以及叶片相对含水量的变化共同决定了叶片胞内水分的有效性。
叶肉细胞体积主要受栅栏组织细胞和海绵组织细胞的变化影响，可通过常规石蜡切片法观察并获取栅栏组织厚度和海绵组织厚度，计算叶肉细胞厚度；由于失水时间较短，使得叶面积变化轻微，故忽略叶面积变化的影响，利用叶肉细胞厚度表征叶肉细胞体积的变化。叶片厚度同样可通过上述方法测定。其中，叶肉细胞厚度为栅栏组织厚度和海绵组织厚度之和。通过比较失水过程中两个相邻时刻间叶片相对含水量、叶片厚度和叶肉细胞厚度变化量之间的大小关系，即可分析叶片胞内的水分有效性。为使上述三个拥有不同单位的变量之间更具可比性，计算其相对值，取其相对变化量。
本发明一种植物叶片胞内水分有效性的检测方法的具体实施过程如下：
步骤一，选取待测植物长势良好且一致的叶片，饱水后对其进行干燥失水处理；
步骤二，测定各失水时刻叶片的相对含水量RW；
叶片相对含水量的计算公式为：
其中：RW为叶片相对含水量，Wt为植物叶片鲜重，Ws为植物叶片饱和鲜重，DW为叶片干重。
步骤三，测定各失水时刻的叶片厚度LT、栅栏组织厚度和海绵组织厚度，并计算叶肉细胞厚度MCT；
叶片厚度、栅栏组织厚度和海绵组织厚度采用常规石蜡切片法测定，经过取材固定、脱水、透明、浸蜡、包埋、切片、粘片、脱蜡、染色制片之后观察并获取，其中叶肉细胞厚度为栅栏组织厚度和海绵组织厚度之和。
步骤四，计算各失水时刻叶片的相对含水量、叶片厚度和叶肉细胞厚度占前一相邻失水时刻各值的百分比，获得各相邻失水时刻间叶片相对含水量、叶片厚度和叶肉细胞厚度的相对变化量；
各相邻失水时刻间叶片相对含水量、叶片厚度和叶肉细胞厚度相对变化量的计算公式分别为：
和
其中VRW、VLT和VMCT分别为叶片相对含水量、叶片厚度和叶肉细胞厚度的相对变化量，i为失水时刻，i为正整数。
步骤五，判断植物叶片胞内的水分有效性。
植物叶片胞内水分有效性的判断依据如下，当|VMCT|＞VRW-VLT时，胞内水分有效性上升；当|VMCT|＜VRW-VLT时，胞内水分有效性下降。
上述步骤的具体实施过程如下：
实施例1
选取长势良好且一致的构树、桑树叶片，饱水后对其进行干燥失水处理。利用烘干法分别测定各失水时刻下(0、1、2、3、4、5h)构树和桑树叶片的相对含水量，测定结果参见表1，按照公式(1)计算叶片相对含水量。按照步骤三计算叶肉细胞厚度MCT，测定结果参见表2；
表1各失水时刻构树和桑树叶片的相对含水量(RW，％)
表2各失水时刻构树和桑树叶片的叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度和叶肉细胞厚度 (单位：μm)
计算各失水时刻叶片的相对含水量、叶片厚度和叶肉细胞厚度占前一相邻失水时刻各值的百分比，并计算其各自相对变化量(见表3)。
表3各失水时刻构树和桑树叶片的叶片厚度、叶肉细胞厚度和叶片相对含水量的相对变化量
注：其中()内的值表示与前一相邻失水时刻相比的增加量，其值为负。
各失水时刻构树和桑树叶片的|VMCT|和VRW-VLT的值见表4。
表4各失水时刻构树和桑树叶片的|VMCT|和VRW-VLT的值
由表4可知，构树在失水1、3时刻的叶片胞内水分有效性有所下降。而在失水2、4和5时刻，叶片胞内水分有效性则有不同程度增加，但在失水第5小时，胞内水分有效性的增加幅度较小。桑树在失水1、2、4和5时刻的叶片胞内水分有效性均有不同程度下降，在失水第3小时则有较大幅度提升。
由此可见，在整个失水过程中，构树通过叶片结构及细胞体积变化的调整，其胞内水分有效性经短暂下降后均能有所恢复，对失水响应灵敏且调整能力强；桑树叶片胞内的水分有效性则在失水第3小时才有所恢复，但在之后持续大幅下降，水分调节能力较差。表明构树叶片比桑树表现出更好的耐脱水性，这与实际情况相符，也说明持续脱水情况下植物叶片胞内的水分有效性可以表征植物叶片的水分变化情况。
实施例2
以诸葛菜、甘蓝型油菜为例。所有步骤同实施案例1。
表5各失水时刻诸葛菜和甘蓝型油菜叶片的相对含水量(RW，％)
表6各失水时刻诸葛菜和甘蓝型油菜叶片的叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度和叶肉细胞厚度(单位：μm)
表7各失水时刻诸葛菜和甘蓝型油菜叶片的叶片厚度、叶肉细胞厚度和叶片相对含水量的相对变化量
注：其中()内的值表示与前一相邻失水时刻相比的增加量，其值为负。
表8各失水时刻诸葛菜和甘蓝型油菜叶片的|VMCT|和VRW-VLT的值
由表8可知，诸葛菜在失水1、4和5时刻的叶片胞内水分有效性有所下降。而在失水2 和3时刻，叶片胞内水分有效性则有不同程度增加。甘蓝型油菜在失水1和2时刻的叶片胞内水分有效性出现下降，且下降幅度趋缓，在失水3和5时刻则有所提升，在失水4时刻胞内水分有效性未发生变化。
由此可见，在整个失水过程中，诸葛菜叶片对失水响应较为灵敏，且仅在失水前3小时维持较好的胞内水分有效性；甘蓝型油菜叶片同样能够对失水快速响应，并在失水第3小时胞内水分有效性开始恢复，在失水第5小时仍能保持胞内水分的有效性。表明甘蓝型油菜叶片比诸葛菜表现出更好的耐脱水性，这与实际情况相符，也说明持续脱水情况下植物叶片胞内的水分有效性可以表征植物叶片的水分变化情况。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种植物叶片胞内水分有效性的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)，对待测植物叶片进行饱水和干燥处理；
步骤(2)，测定各失水时刻叶片的相对含水量RW；
步骤(3)，测定各失水时刻的叶片厚度LT、栅栏组织厚度和海绵组织厚度，栅栏组织厚度和海绵组织厚度之和为叶肉细胞厚度MCT；
步骤(4)，计算各失水时刻叶片的相对含水量、叶片厚度和叶肉细胞厚度占前一相邻失水时刻各值的百分比，根据公式
和
获得各相邻失水时刻间叶片的相对含水量、叶片厚度和叶肉细胞厚度的相对变化量；其中VRW、VLT和VMCT分别为叶片相对含水量、叶片厚度和叶肉细胞厚度的相对变化量，i为失水时刻，i为正整数；
步骤(5)，判断植物叶片胞内的水分有效性
当|VMCT|＞VRW-VLT时，胞内水分有效性上升；当|VMCT|＜VRW-VLT时，胞内水分有效性下降。
2.根据权利要求1所述的植物叶片胞内水分有效性的检测方法，其特征在于，所述叶片的相对含水量
其中Wt为植物叶片鲜重，Ws为植物叶片饱和鲜重，DW为叶片干重。
3.根据权利要求1所述的植物叶片胞内水分有效性的检测方法，其特征在于，所述叶片厚度、栅栏组织厚度和海绵组织厚度采用石蜡切片法测定获取。
4.根据权利要求3所述的植物叶片胞内水分有效性的检测方法，其特征在于，所述石蜡切片法的具体过程为：取材固定、脱水、透明、浸蜡、包埋、切片、粘片、脱蜡和染色制片。
5.根据权利要求1所述的植物叶片胞内水分有效性的检测方法，其特征在于，所述待测植物叶片长势良好且长势一致。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113466193A (zh) * | 2021-06-23 | 2021-10-01 | 河南科技大学 | 一种叶片相对含水量测定方法 |
| CN113607124A (zh) * | 2021-08-02 | 2021-11-05 | 中国农业大学 | 一种基于叶片角质层导度比较的测量作物叶片卷曲程度的方法 |
| CN113607124B (zh) * | 2021-08-02 | 2022-05-03 | 中国农业大学 | 一种基于叶片角质层导度比较的测量作物叶片卷曲程度的方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111929409B (zh) | 2022-09-16 |
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