RU174973U1 - Устройство для исследования развития корней растения методом МРТ - Google Patents

Abstract

Устройство для исследования развития корней растения методом МРТ относится к сельскому хозяйству и может быть использовано при проведении сельскохозяйственных, морфологических и ботанических исследований корневых систем, как сельскохозяйственных культур, так и диких растительных сообществ. Задача: разработка устройства, обеспечивающего повышение надежности при эксплуатации за счет исключения смещения и повреждения исследуемого объекта - плода растения в процессе прорастания корневой системы в условиях, максимально приближенных к естественным, расширение технологических возможностей путем обеспечения динамического временного представления развития корневой системы растения в заданный любой промежуток времени, возможность изучения развития корневых систем, произрастающих из плода от самой начальной стадии, с момента прорастания корней, обеспечение возможности проведения исследований методами МРТ путем компоновки кадров для видеосюжета, отображающего динамику роста корней в режиме on-line. Поставленная задача достигается тем, что устройство для исследования развития корней растения методом МРТ, содержащее емкость для размещения грунта и установленную в ней пластину со сквозными отверстиями, выполненными с возможностью установки внутри нее фиксирующих элементов, согласно полезной модели снабжено дополнительной пластиной со сквозными отверстиями, установленной параллельно упомянутой, а фиксирующие элементы пропущены через соответствующие сквозные отверстия обеих пластин и имеют возможность фиксированного регулирования расстояния между пластинами, при этом упомянутые пластины в сборе с фиксирующими элементами образуют устройство для установки и крепления исследуемого объекта, в емкости с грунтом, при наилучших вариантах выполнения предлагаемого устройства фиксирующие элементы соединены с пластинами с помощью резьбового соединения и выполнены в виде винтов, соединенных с пластинами с помощью резьбы в пластинах или с помощью передачи винт-гайка; количество и взаиморасположение сквозных отверстий выбрано из условия количества одновременно исследуемых объектов и их формы; все элементы устройства выполнены из материала, не содержащего водород, например фторопласта; упомянутые пластины в сборе с фиксирующими элементами, прикреплены к емкости с грунтом через некоторые из упомянутых сквозных отверстий с помощью вспомогательной Г-образной пластины с отверстиями для фиксирующих элементов (винтов), при этом один конец вспомогательной пластины закреплен на пластине, а другой - на емкости для размещения грунта; при наилучших вариантах выполнения устройства оно может быть снабжено дополнительными фиксирующими элементами (винтами), предназначенными для поддержания исследуемого объекта при изменении его объема в процессе прорастания корней; дополнительные фиксирующие элементы (винты) могут быть оснащены съемными наконечниками, выполненными из упругого материала.

Description

Устройство относится к сельскому хозяйству и может быть использовано при проведении сельскохозяйственных, морфологических и ботанических исследований корневых систем, как сельскохозяйственных культур, так и диких растительных сообществ.

При решении ряда агротехнических вопросов необходимо точно знать характер расположения корней в почве, как объективного показателя условий произрастания. Это особенно актуально при изучении процесса их развития. Получение этих знаний представляет большой научный и практический интерес. Поэтому для получения этих знаний используются самые различные методы. Наибольший интерес представляют неинвазивные методы. В частности, МРТ. Основное назначение заявляемой полезной модели (ПМ) - решить проблему исследования корневой системы, включая использование метода МРТ, уделяя особое внимание исследованию самой начальной стадии прорастания корней из плода или другого посадочного материала, способного производить корневую систему, например, клубня или его части, - практически сразу после его погружения в почву. Далее используем термин «плод» в данном контексте. Рассмотрим проблему подробнее. Проблема в том, что почва, в которую только что погрузили посадочный материал (плод), обычно рыхлая. И ее сильно не утрамбовывают - в этом случае проще обеспечить доступ воздуха и влаги к плоду. А главное - утрамбовка может поранить плод. Однако утрамбовка почвы все-таки постепенно происходит, но естественным путем - за счет того, что влага способствует диффузии и перемешиванию частиц грунта, что, в свою очередь приводит к заполнению локальных пустот и проседанию почвы. В эти процессы вовлекается и плод, который может перемещаться как целое и/или поворачиваться в зависимости от его формы и распределения плотности почвы вблизи него. Эти перемещения затрудняют интерпретацию данных МРТ, получаемых в динамике. Речь идет о серии исследований, проводимых с заданным интервалом - сутки и более. Смещение плода затрудняет отнесение корней, с точками их выхода из плода, замеченных на начальной стадии исследования. Ухудшается качество анимационного представления процесса развития с использованием МРТ изображений. Имеется в виду компоновка кадров для видеосюжета, отображающего процесс роста корней в режиме on-line, при этом предполагается, что в качестве кадров будут задействованы МРТ изображения, полученные с заданным интервалом - сутки или более - в зависимости от скорости развития конкретного растения.

Известно использование метода МРТ для исследования развития корней растения (Опубликовано 27.09.2012 Комнатные цветы, справочник по уходу за комнатными цветами, автор: Mr. Green http://mycvety.ru/kak-cvetochnye-gorshki-ogranichivayut-rost-rastenij/kak-cvetochnye-gorshki-ogranichivayut-rost-rastenij) путем получения изображения корневой системы растения, размещенного в горшке. В отмеченной работе сопоставлялись данные об интегральных характеристиках корневой системы - зависимость объема корней от объема горшка. Этот метод не подходит для исследования динамики роста отдельных корневых элементов, поскольку не уделено внимания их фиксации.

Во многих случая достаточно обеспечить пространственную фиксацию корней относительно стебля или другой части растения. Задача упрощается, если сами эти части надежно зафиксированы, а корневая система достаточно развита. Поэтому для исследования корней растения достаточно обеспечить фиксацию участка почвы, примыкающей к стеблю или ствол растения, с самим стеблем или стволом.

Известно устройство изучения корневых систем в полевых условиях без извлечения растения из почвы путем создания траншеи с вертикальной стенкой и постепенного, по ходу корней, освобождение от почвы с помощью ножа, пинцета или отмывание их струей воды, после обнажения корней на стенку траншеи гвоздями прикрепляют рамку с натянутой сеткой с размеченными ячейками, имеющих форму квадратов, и, в соответствии с расположением корней на квадратах сетки, их зарисовывают на бумагу, разграфленную на квадраты. (Доспехов Б.А., Васильев И.П., Туликов A.M. Практикум по земледелию. - М.: Агропромиздат, 1987. - С. 242-243.).

Недостатком этого метода и используемого для его реализации устройства является субъективность оценки исследования координат корней растения, так как при зарисовке исследователю трудно передать пространственное расположение корневой системы в почвенном профиле, метод очень трудоемок и требует специальных навыков.

Известно также устройство для определения координат элементов корневой системы растения, содержащее две опорные стойки, скрепленные горизонтальной перекладиной, сопряженную с последней посредством ползуна горизонтальную рейку и сопряженный с ней вертикальный стержень с возможностью его перемещения вдоль рейки и по вертикали. На перекладине, рейке и стержне нанесены деления для получения трех координат элементов корневой системы. (Станков Н.З. Корневая система полевых культур. - М.: Изд-во Колос, 1964. - С. 234-235.)

Недостатком этого устройства является невозможность определения координат элементов корневой системы растения в лабораторных условиях, обусловленная отсутствием фиксирования элементов корневой системы относительно устройства.

Известно устройство для исследования развития корней растения (Патент РФ №2081554, МПК A01G 1/00, A01G 31/02, опубл. 20.06.1997.), в котором уделено внимание фиксации элементов корневой системы растения, содержащее две опорные стойки, соединенные между собой горизонтальной перекладиной, дополнительно устройство снабжено третьей опорной стойкой, скрепленной с другими стойками горизонтальными перекладинами, образующими с базовой перекладиной рамку в виде прямоугольного треугольника и плоскими вилками, выполненными в виде расположенных параллельно друг другу с равным интервалом спиц, при этом на стойке в зоне прямого угла рамки закреплены по ее высоте с равными интервалами параллельно горизонтальным перекладинам-катетам, через которые пропущены крайние спицы с одной стороны вилок, а в каждой стойке в зоне строгого угла рамки выполнены отверстия, расположенные на одной стороне с втулками, при этом с горизонтальной перекладиной-гипотенузой шарнирно соединена планка.

Недостатками описанного устройства является конструктивная сложность и в то же время неустойчивость по причине создания рамки основания в виде треугольной формы. Плоские вилки, образованные в виде расположенных параллельно друг другу спиц, могут удерживать прочно только корневые системы небольших растений, так как фиксируют их только в двух направлениях и непригодны для закрепления плода растения, при этом при проникновении спиц в систему растений последние несколько отклоняются от своего положения. В описании указанного устройства не уделяется внимания материалам, используемым для фиксации корневой системы. Между тем, если исследование развития корневой системы планируется проводить методом МРТ, то совершенно неприемлемым является применение металлических материалов, особенно ферромагнитных. Их присутствие в магните томографа приведет к сильным искажениям на МРТ изображениях. Не вполне подходят и многие водородсодержащие материалы, например пластмассы, поскольку они могут давать МРТ сигнал, намного более интенсивный, чем от корней.

Известно также наиболее близкое по технической сути к заявляемому устройство для исследования развития корней растения (Патент РФ на ПМ №119108, МПК G01N 1/04 (2006.01), опубл. 10.08.2012 Бюл. №22), содержащее емкость для размещения грунта и установленную в ней пластину (упорную крышку) со сквозными отверстиями, выполненными с возможностью установки внутри нее фиксирующих элементов, при этом фиксирующие элементы выполнены в виде спиц круглой формы со шляпкой на одном конце и размещены на пластине (упорной крышке) по квадратно-гнездовой схеме.

Недостатками данного устройства (более простого по конструкции, чем выше отмеченный аналог) является непригодность его для закрепления плода растения, в связи с этим и проведение исследований от самой начальной стадии, момента прорастания корней, при этом при проникновении спиц в систему растений по причине отсутствия базирования исследуемого объекта последние все же могут несколько отклоняться от своего положения, кроме того это устройство не может быть использовано при проведении исследований корней растений методом МРТ, т.к. использованы заостренные спицы и другие элементы конструкции из металлических материалов. Поэтому можно утверждать, что обеспечение динамического временного представления развития корневой системы растения в заданный любой промежуток времени практически невозможно, поскольку неосуществимо методом МРТ путем компоновки кадров для видеосюжета, отображающего динамику роста корней в режиме on-line.

Задача полезной модели - разработка устройства, обеспечивающего повышение надежности при эксплуатации за счет исключения смещения и повреждения исследуемого объекта - плода растения в процессе прорастания корневой системы в условиях, максимально приближенных к естественным, расширение технологических возможностей путем обеспечения динамического временного представления развития корневой системы растения в заданный любой промежуток времени, возможность изучения развития корневых систем, произрастающих из плода от самой начальной стадии, с момента прорастания корней, обеспечение возможности проведения исследований методами МРТ путем компоновки кадров для видеосюжета, отображающего динамику роста корней в режиме on-line.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для исследования развития корней растения методом МРТ, содержащее емкость для размещения грунта и установленную в ней пластину со сквозными отверстиями, выполненными с возможностью установки внутри нее фиксирующих элементов, согласно полезной модели снабжено дополнительной пластиной со сквозными отверстиями, установленной параллельно упомянутой, а фиксирующие элементы пропущены через соответствующие сквозные отверстия обеих пластин и имеют возможность фиксированного регулирования расстояния между пластинами, при этом упомянутые пластины в сборе с фиксирующими элементами образуют устройство для установки и крепления исследуемого объекта в емкости для размещения грунта, при наилучших вариантах выполнения предлагаемого устройства фиксирующие элементы соединены с пластинами с помощью резьбового соединения и выполнены в виде винтов, соединенных с пластинами с помощью резьбы в пластинах или с помощью передачи винт-гайка; количество и взаиморасположение сквозных отверстий выбрано из условия количества одновременно исследуемых объектов и их формы; все элементы устройства выполнены из материала, не содержащего водород, например, фторопласта; упомянутые пластины в сборе с фиксирующими элементами, прикреплены к емкости для размещения грунта через некоторые из упомянутых сквозных отверстий с помощью вспомогательной Г-образной пластины с отверстиями для фиксирующих элементов (винтов), при этом один конец вспомогательной пластины закреплен на пластине, а другой - на емкости для размещения грунта; устройство снабжено дополнительными фиксирующими элементами (винтами), предназначенными для поддержания исследуемого объекта при изменении его объема в процессе прорастания корней; дополнительные фиксирующие элементы (винты) могут быть оснащены съемными наконечниками, выполненными из упругого материала.

Заявляемое устройство для исследования развития корней растения методом МРТ исключает возможность смещения и проворачивания плода вне зависимости от его формы, улучшается качество анимационного представления процесса развития с использованием МРТ изображений, имеется в виду компоновка кадров для видеосюжета, отображающего в динамике процесс роста корней в режиме on-line, при этом предполагается, что в качестве кадров будут задействованы МРТ изображения, полученные с заданным интервалом - сутки или более - в зависимости от скорости развития конкретного растения. Для этого положение плода необходимо зафиксировать с момента его посадки в грунт. При этом система фиксации, предлагаемая в заявляемом устройстве, удовлетворяет следующим требованиям:

1) возможность надежной фиксации при любой форме плода без его существенной деформации;

2) исключение препятствования развитию плода, росту стебля и т.д.;

3) возможность закрепления фиксирующей плод конструкции относительно емкости с грунтом;

4) выполнение конструкции из материала, не содержащего водород (в противном случае на МРТ изображениях наряду с сигналом от плода возможно присутствие нежелательного сигнала от фиксирующих элементов).

Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид устройства для исследования развития корней растения методом МРТ, на фиг. 2 - вид сверху, на фиг. 3 - вид сбоку. Устройство для исследования развития корней растения методом МРТ содержит емкость 1 для грунта и установленную в ней пластину 2 со сквозными отверстиями 3, выполненными с возможностью установки внутри нее фиксирующих элементов 4, согласно полезной модели оно снабжено дополнительной пластиной 5 со сквозными отверстиями 3, установленной параллельно упомянутой, а фиксирующие элементы 4 пропущены через соответствующие сквозные отверстия 3 обеих пластин 2, 5 и имеют возможность фиксированного регулирования расстояния между пластинами 2, 5, при этом упомянутые пластины 2, 5 в сборе с фиксирующими элементами 4 образуют устройство для установки и крепления показанного пунктирной линией исследуемого объекта (плода) в емкости 1 для грунта, при наилучших вариантах выполнения предлагаемого устройства фиксирующие элементы 4 соединены с пластинами 2, 5 с помощью резьбового соединения и выполнены в виде винтов, соединенных с пластинами 2, 5 с помощью резьбы в этих пластинах или с помощью передачи винт-гайка; количество и взаиморасположение сквозных отверстий 3 выбрано из условия количества одновременно исследуемых объектов и их формы; все элементы устройства выполнены из материала, не содержащего водород, например, фторопласта; упомянутые пластины 2, 5 в сборе с фиксирующими элементами 4, прикреплены к емкости 1 для грунта через некоторые из упомянутых сквозных отверстий 3 с помощью вспомогательной Г-образной пластины 6 с отверстиями 7 для фиксирующих элементов (винтов), при этом один конец вспомогательной пластины 6 закреплен на пластине 2, а другой - на емкости 1 для размещения грунта; устройство снабжено дополнительными фиксирующими элементами (винтами) 8, предназначенными для поддержания исследуемого объекта при изменении его объема в процессе прорастания корней; дополнительные фиксирующие элементы (винты) 8 оснащены съемными наконечниками (на чертеже не показаны), выполненными из упругого материала.

Использование устройства осуществляют следующим образом. Предварительно осуществляют сборку устройства. При этом пластина 5 притягивается к пластине 2 фиксирующими элементами (винтами) 4 так, чтобы поверхности пластин 2, 5 были параллельны, а их границы совпадали, в зазоре между пластинами 2 и 5 размещают плод и путем встречного плоскопараллельного перемещения упомянутых пластин с помощью фиксирующих элементов (винтов) 4 зажимают плод между ними, не допуская его деформирование. Степень зажатия регулируется глубиной погружения фиксирующих элементов (винтов) 4 в резьбовые отверстия 3 пластины 5 или возможен вариант выполнения при отсутствии резьбового соединения в пластине 5, в этом случае на стороне противоположной пластине 5 на фиксирующий элемент (винт) навинчивается гайка. Для устойчивости конструкции используется три или более фиксирующих элементов (винтов) 4. При необходимости возможна установка фиксирующих элементов (винтов) 4 не только для стягивания пластин, но и для обеспечения такой фиксации плода, чтобы исключить его перемещение вдоль поверхности пластины 5. Для этого производится визуальный осмотр предварительно зафиксированных пластин 2, 5 сверху и находят отверстия 3 в пластинах 2, 5, наиболее близко расположенные к периферии плода. В эти отверстия 3 вставляют фиксирующие элементы (винты) 4, фиксирующие взаимное расположение пластин 2, 5. Использование заявляемого устройства требует вертикальной ориентации обеих пластин 2, 5. Лишь в этом случае обеспечивается беспрепятственный рост не только корней, но и стебля. При такой ориентации используются дополнительные фиксирующие элементы (винты) 8 для фиксации плода относительно пластины 5, при этом с внешней стороны пластины 5 через резьбовые отверстия 3 в направлении плода вводятся дополнительные фиксирующие элементы (винты) 8 до достижения резьбовым концом каждого дополнительного фиксирующего элемента (винта) 8 поверхности плода. Дополнительная фиксация плода полезна для исследований корневой системы на этапе, когда начинается сморщивание плода из-за того, что материал, составляющий его основу, переходит в корневую систему, а сам плод начинает отмирать. Такая ситуация характерна, например, для клубня картофеля. В дальнейшем при отмирании плода его фиксация теряет актуальность. Проблема с фиксацией плода, как уже отмечалось выше, возникает в основном на начальном этапе развития плода, и связана с тем, что на этом этапе почва рыхлая. К моменту отмирания плода возможность его перемещения внутри грунта сокращается, т.к. к тому времени почва утрамбовывается, а выросшие корни становятся разветвленными и начинают выполнять функции фиксирующих элементов.

На концах дополнительных фиксирующих элементов (винтов) 8 могут быть установлены (навинчены) съемные наконечники из упругого материала для поддержания (поджимания) плода на начальной стадии в случае его отмирания, сопровождающейся уменьшением объема плода (усыханием). Кроме того, наличие съемных наконечников препятствует деформации плода при регулировке глубины ввода дополнительного фиксирующего элемента (винта) 8. Ориентированная вертикально конструкция устройства 2-5 для установки и крепления исследуемого объекта фиксируется внутри емкости 1, которая затем заполняется грунтом. Способ фиксации произвольный - например, с помощью вспомогательной Г-образной пластины 6 с отверстиями 7 для фиксирующих элементов (винтов) 4. Один конец вспомогательной пластины 6 крепится на пластине 2, а другой - на емкости 1 для грунта. Для скрепления пластины 2 и вспомогательной Г-образной пластины 6 удобно использовать отверстия в пластинах, через которые вводятся фиксирующие элементы (винты) 4. После фиксации устройства 2-5 для установки и крепления исследуемого объекта в емкости 1 вместе с исследуемым объектом - плодом внутри емкости 1, последняя засыпается грунтом. После этого предлагаемое устройство для исследования развития корней растения методом МРТ полностью готово для исследования корневой системы, развивающейся из плода, начиная с самого начала появления прорастающих корней.

Для исследования плода методом протонного МРТ, наиболее пригодном для неинвазивного исследования корней, пластины 2, 5 и фиксирующие элементы (винты) 4, дополнительные фиксирующие элементы (винта) 8, а также съемные наконечники, должны быть сделаны из материала, не содержащего не только металлы, но и водород. Удобно использовать для этого фторуглеродные соединения - например, фторопласт - достаточно прочный, удобный в обработке и биологически инертный материал. Заявляемое устройство может быть выполнено многоместным, при этом в емкость 1 для грунта можно поместить несколько предварительно собранных с учетом размеров и формы исследуемого плода устройств 2-5 для установки и крепления исследуемого объекта и одновременно отслеживать развитие нескольких плодов.

С помощью подобных устройств можно разработать методы тонкой регуляции растений - выявить наиболее оптимальную для развития корней питательную среду (органические и минеральные удобрения), методику полива и т.д.

Claims (8)

1. Устройство для исследования развития корней растения методом МРТ, содержащее емкость для размещения грунта и установленную в ней пластину со сквозными отверстиями, выполненными с возможностью установки внутри нее фиксирующих элементов, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительной пластиной со сквозными отверстиями, установленной параллельно упомянутой, а фиксирующие элементы пропущены через соответствующие сквозные отверстия обеих пластин и имеют возможность фиксированного регулирования расстояния между пластинами, при этом упомянутые пластины в сборе с фиксирующими элементами образуют устройство для установки и крепления исследуемого объекта в емкости для размещения грунта.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что фиксирующие элементы соединены с пластинами с помощью резьбового соединения.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что фиксирующие элементы выполнены в виде винтов, соединенных с пластинами с помощью резьбы в пластинах или с помощью передачи винт-гайка.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что количество и взаиморасположение сквозных отверстий выбрано из условия количества одновременно исследуемых объектов и их формы.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что все элементы устройства выполнены из материала, не содержащего водород, например фторопласта.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что упомянутые пластины в сборе с фиксирующими элементами прикреплены к емкости для размещения грунта через некоторые из упомянутых сквозных отверстий с помощью вспомогательной Г-образной пластины с отверстиями для фиксирующих элементов, при этом один конец вспомогательной пластины закреплен на пластине, а другой - на емкости для размещения грунта.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными фиксирующими элементами, предназначенными для поддержания исследуемого объекта при изменении его объема в процессе прорастания корней.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что дополнительные фиксирующие элементы оснащены съемными наконечниками, выполненными из упругого материала.

Images