第 10 期吴沿友等 : 组培苗蒸腾速率和水分利用率动态检测 191 和降低植物体的温度 [1] 植物组织培养是指在控制环境下的人工配制培养基中将外植体进行培育的技术常规的组织培养快繁技术中的大多数组培苗既靠培养基中的糖又靠人工光照, 为同时进行异养和自养的兼养生长组培苗的光合能力影响着植株的生长

Size: px

Start display at page:

Download "第 10 期吴沿友等 : 组培苗蒸腾速率和水分利用率动态检测 191 和降低植物体的温度 [1] 植物组织培养是指在控制环境下的人工配制培养基中将外植体进行培育的技术常规的组织培养快繁技术中的大多数组培苗既靠培养基中的糖又靠人工光照, 为同时进行异养和自养的兼养生长组培苗的光合能力影响着植株的生长"

佣锁使柴
5 years ago
Views:

1 2012 年 10 月农业机械学报第 43 卷第 10 期 DOI: /j.issn 组培苗蒸腾速率和水分利用率动态检测吴沿友赵宽陈迎庞静徐红成毛罕平 ( 江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室, 镇江 ) 摘要利用图像分析方法, 根据质量守恒定律获得组培苗的生长信息和蒸腾失水信息通过 Logistic 方程线性方程和非线性双曲线方程拟合组培苗生物量与培养时间水分损失与培养时间以及组培苗蒸腾失水量与生物量形成的关系, 建立组培苗生长预测模型组培苗蒸腾失水模型与组培苗水分利用率模型, 并由此计算出组培苗蒸腾速率和水分利用率通过测定不同氮素水平继代次数差异下的茅苍术组培苗蒸腾速率和水分利用率, 发现茅苍术组培苗的蒸腾速率和水分利用率随培养时间的增加而减少, 继代次数少培养基中氮素含量高的组培苗, 蒸腾作用强关键词 : 组培苗蒸腾速率水分利用率组织培养动态检测图像分析中图分类号 :S184;Q 文献标识码 :A 文章编号 : (2012) DynamicDetectionofTranspirationRateandWaterUsing EficiencyforPlantlets WuYanyou ZhaoKuan ChenYing PangJing XuHongcheng aohanping (KeyLaboratoryofodernAgriculturalEquipmentandTechnology,inistryofEducation, JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China) Abstract Thegrowthinformationandtranspirationinformationofplantletsinvitrowereacquiredbyimage procesingand utilization ofthe law ofmassconservation, respectively. The Logistic, linearand nonlinearhyperbolicequationswereusedforfitingtherelationshipofbiomasofplantletinvitroand culturetime,waterlossandculturetime,transpirationwaterlosandbiomasofplantletinvitro.the modelsofgrowth prediction, transpiration ofwaterlossand waterusingeficiencyofplantletwere established.thetranspirationrateandwaterusingeficiencyofplantletinvitrowerecalculated.the transpirationrateandwaterusingeficiencyofatractlodeslanceaplantletsinvitroatdiferentnitrogen levelsinthemedium andsubculturegenerationweremeasured.thetranspirationwasstrongwithless subculturegenerationandhighernitrogencontentinculturemedium. Keywords Plantlets, Transpiration rate, Waterusing eficiency, Tisue culture, Dynamic determination,imageanalysis 引言陆生植物吸收的水分, 一小部分 (1% ~5%) 用于代谢, 绝大部分散失到体外其散失的方式, 除了少量的水分以液体状态通过吐水的方式散失外, 大部分水分则以气态, 即以蒸腾作用的方式散失蒸腾作用消耗水分, 这对陆生植物来说是不可避免的, 它既会引起水分亏缺, 破坏植物的水分平衡, 同时又对植物的生命活动具有重要的意义蒸腾作用的正常进行有利于 CO 2 的同化矿物质和有机物的吸收收稿日期 : 修回日期 : 江苏高校优势学科建设工程资助项目 ( 苏财教 (2011)8 号 ) 和中国科学院百人计划资助项目作者简介 : 吴沿友, 研究员, 博士生导师, 主要从事农业工程研究,E mail:yanyouwu@ujs.edu.cn

2 第 10 期吴沿友等 : 组培苗蒸腾速率和水分利用率动态检测 191 和降低植物体的温度 [1] 植物组织培养是指在控制环境下的人工配制培养基中将外植体进行培育的技术常规的组织培养快繁技术中的大多数组培苗既靠培养基中的糖又靠人工光照, 为同时进行异养和自养的兼养生长组培苗的光合能力影响着植株的生长发育和分化 [2], 组培苗在进行光合作用时, 与周围环境发生气体交换, 同时会引起组培苗大量丢失水分, 因此组培苗的蒸腾作用的大小与组培苗的自养能力有关植物蒸发蒸腾量的测量方法有水文学方法微气象学方法红外遥感法和植物生理学方法 [3~4] 这些方法根据不同的特点均在实际生产中具有重要的应用 [5~9] 对于常规小容器培养的组培苗来说, 这些方法显然是不合适的, 不仅会破坏植株生长的无菌封闭环境, 同时也不能长期动态地检测组培苗生长过程中的蒸腾作用和水分利用率因此, 寻找一种动态无菌检测组培苗蒸腾速率和水分利用率的方法, 对了解组培苗的生长具有重要的意义本研究通过非破坏性动态测定组培苗的生物量变化以及水分损失, 获得组培苗的蒸腾速率和水分利用率 1 材料与方法 1 1 实验设计实验样品分别是继代培养 10 次和 4 次的茅苍术组培苗, 以含有不同水平的无机氮素 ( 低氮为 0 632g/L, 对照为 0 908g/L, 高氮为 1 159g/L) 的 S 培养基培养组培苗以 KNO 3 的加入量调节无机氮素水平, 实验处理如表 1 所示表 1 实验处理 Tab.1 Experimentaltreatment 无机氮素质量继代次数浓度 /g L 培养条件实验在人工气候室内进行, 室内温度湿度及 CO 2 浓度均可调培养室温度为 (25±0 5),CO 2 摩尔分数控制在 mol/mol, 空气相对湿度控制为 45% 组培瓶为玻璃制作的 100mL 三角培养瓶光周期为光 12h 暗 12h, 继代培养所用为基本 S 培养基附加 0 1mg/LNAA (α 萘乙酸 ) 2mg/L6 BA (6 苄基嘌呤 ) 的培养基, 培养基用量为 50mL 光强设定为 45μmol/(m 2 /s) 1 3 测定指标与方法培养瓶质量分别称量转接天数 t 0,t 1,,t n 的有组培苗的培养瓶质量 m Pt0,m Pt1,,m Ptn, 以及装有同体积培养基的无组培苗空白培养瓶的质量 m Nt0,m Nt1,,m Ntn 组培苗生物量组培苗生物量的检测采用图像处理法 [10] 其方法如下 : 把待测的组培苗加入到不同质量的同类组培苗中间, 获得彩色图像在 Photoshop 软件中将彩色图像转换为灰度格式, 再将灰度格式的图像经过亮度和对比度调整, 最后将图像进行反转, 使得图像中除组培苗外的其他背景的灰度为零, 再根据反转图像对各瓶组培苗进行像素点数的统计把已知质量的 6 瓶组培苗作为内标, 对 6 个内标的质量和对应的像素点进行线性回归, 获得线性回归方程将待测未知样品的像素点代入该方程, 可分别获得组培苗天数 t 0,t 1,,t n 后的质量 m t0,m t1,,m tn 蒸腾失水量根据质量守恒定律可知, 在组培过程中, 培养瓶内部蒸腾失水量表示为 t01 =m Pt0 -m Pt1 +m Nt0 -m Nt1 -m t0 +m t1 (1) 式中 t01 培养天数为 t 0 ~t 1 的蒸腾失水量同样的方法和步骤, 依次测定培养 t 0 ~t n 时间段的蒸腾失水量 t0n 1 4 模型建立蒸腾失水量与培养时间的关系模型利用线性方程建立蒸腾失水量与培养时间 t 的关系模型 =At+B (2) 式中 A B 拟合参数根据关系式 (2), 求一阶导数, 可知这瓶组培苗蒸腾失水速率 T P 为 A 组培苗生物量与培养时间的关系模型用四参数 Logistic 方程拟合建立的组培苗生物 [11] 量与培养时间 t 的关系模型为式中 = 0 + a 1+ ( t (3) b T ) 0 对数生长起始期组培苗的生物量 a 组培苗生物量的最大生长量 b 拟合参数中的指数项 T 0 在对数生长量一半时的时间根据式 (3) 可求各时间的组培苗生物量即时值 0

3 192 农业机械学报 2012 年组培苗生物量与蒸腾失水量的关系模型用非线性双曲线方程拟合的组培苗生物量与蒸腾失水量的关系模型为 = m (4) n+ 式中 m n 拟合参数将非线性双曲线方程 (4) 以对求一阶导数, 可得水分利用率方程 W t = = mn (5) (n+ ) 组培苗蒸腾速率和水分利用率的计算方法根据蒸腾失水速率 T P 与组培苗的生物量, 计算出培养期间任一时间 t i 的组培苗的蒸腾速率为 T Rti = T P ti (6) 将式 (2) 代入式 (5), 算出培养期间任一时间 t i 的组培苗的水分利用率为 2 结果与分析 2 1 模型描述 mn W ti = (7) (n+at i +B) 2 利用 1 3 节测定项目与方法计算出不同因素水平下蒸腾失水量以及组培苗生物量随培养时间 t 变化的实验数据, 如表 2 所示并利用 1 4 节拟合出蒸腾失水量与培养时间 t 的关系模型, 组培苗生物量与培养时间 t 的关系模型, 组培苗生物量与蒸腾失水量的关系模型, 如表 3 所示分别建立 6 个处理的茅苍术组培苗的模型, 结果表明, 蒸腾失水量与培养时间 t 的模型用线性表 2 建模实验数据 Tab.2 Experimentaldataformodel g t/d 方程能较好地拟合 (R 2 >0 95), 蒸腾失水速率 T P 为一常数, 由此可以计算出任意一天组培苗的蒸腾速率, 并且外部因素如组培苗的继代次数和无机氮素水平对蒸腾失水速率 T P 影响较小四参数 Logistic 方程能很好地拟合组培苗生物量与培养时间 t 的模型 (R 2 >0 99), 能很好地预测植物的生长情况, 这在前人的研究中已得到证实 [11] 组培苗生物量与蒸腾失水量的模型用非线性双曲线方程能较好地拟合 (R 2 >0 95) 利用蒸腾失水速率 T P 与组培苗的生物量, 算出培养期间任一时间 t i 的组培苗的蒸腾速率 ; 利用式 (7), 计算出任意时间段的水分利用率 W ti, 如表 4 所示表 3 组培苗蒸腾作用生物量培养时间之间的各种模型 (n=6,p<0 001) Tab.3 Variousmodelsamongtranspiration,biomassofplantletandculturetime 与 t 的关系模型与 t 的关系模型与的关系模型 1 = t(R =0 9912) = (t/ ) (R2 =0 9967) 2 = t(R =0 9764) = (t/ ) (R2 =0 9926) 3 = t(R =0 9911) = (t/ ) (R2 =0 9982) 4 = t(R =0 9894) = (t/ ) (R2 =0 9988) 5 = t(R =0 9988) = (t/ ) (R2 =0 9988) = (R 2 =0 9641) = (R 2 =0 9559) = (R 2 =0 9793) = (R 2 =0 9839) = (R 2 =0 9988) 6 = t(R =0 9850) = (t/ ) (R2 =0 9988) = (R 2 =0 9917)

4 第 10 期吴沿友等 : 组培苗蒸腾速率和水分利用率动态检测 193 表 4 组培苗蒸腾速率和水分利用率的计算方法 Tab.4 Calculatingmethodoftranspirationrateand waterusingeficiencyofplantlets T P W t ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( t) ( t) ( t) ( t) ( t) 表 5 茅苍术组培苗蒸腾速率和水分利用率的计算值 2 2 组培苗蒸腾速率和水分利用率的计算值表 5 中所有的样品测定的结果基本趋势是 : 蒸腾速率和水分利用率都随培养时间的增加而减小一般认为, 随着培养时间的延长和继代次数的增多, 植株繁殖能力退化, 从而影响植物对水分的吸收 [12~13] 本文的结果表明继代 10 次 ( 处理 ) 和继代 4 次 ( 处理 5 6) 的茅苍术组培苗的蒸腾速率和水分利用率存在一定的差异, 继代 4 次的组培苗有着较高的蒸腾速率和水分利用率, 处理 6 的茅苍术组培苗由于植株的生长处于对数生长期, 因此在该生长期内, 组培苗生物量与蒸腾的模型可以用线性关系更好地拟合 (R 2 =0 9917), 因此其水分利用率为定值 ; 加上处理 6 的继代次数少, 培养基中氮素含量高, 因此该时期内组培苗的水分利用率显著高于其他处理 Tab.5 CalculatingvaluesoftranspirationrateandwaterusingeficiencyofAtractlodeslanceaplantletsinvitro 参数 t/d T R /g (d g) W t /mg g T R /g (d g) W t /mg g T R /g (d g) W t /mg g T R /g (d g) W t /mg g T R /g (d g) W t /mg g T R /g (d g) W t /mg g 培养基中氮素含量过高或过低都会影响植物的生长, 许多研究表明, 在一定的氮素浓度范围内, 植株的叶绿素含量和光合特性与氮素的含量呈正相关 [14~16] 植物光合作用的增强也会增加植物的自养能力和水分利用效率在组织培养过程中, 也有类似的情况, 然而不同植物的氮素适应浓度范围有一定的差异性本实验的结果也表明, 培养基中氮素含量的增加会增加植物的自养能力, 从而增加蒸腾速率和水分利用率, 只是对茅苍术来说, 培养基的无机氮减少到 2/3, 对蒸腾作用和自养能力影响仍不显著, 这与文献 [17] 的研究内容相吻合 3 结束语采用图像分析法和质量守恒定律分别获得组培苗生长信息和蒸腾失水量, 并建立组培苗生长信息蒸腾失水量与时间的模型, 组培苗生长信息与蒸腾失水量之间的模型, 通过对茅苍术组培苗的蒸腾速率和水分利用率的实际测定, 表明利用本文方法可以实现对组培苗蒸腾速率和水分利用率的无菌动态检测参考文献 1 GatesD.Transpirationandleaftemperature[J].AnnualReviewofPlantPhysiology,1968,19:211~ GuptaDS,IbarakiY.Planttissuecultureengineering[].Dordrecht:Springer,2006.

5 194 农业机械学报 2012 年 3 司建华, 冯起, 张小由, 等. 植物蒸散耗水量测定方法研究进展 [J]. 水科学进展,2005,16(3):450~459. SiJianhua,FengQi,ZhangXiaoyou,etal.Researchprogressonsurveyingandcalculationofevapotranspirationofplantsand itsprospects[j].advancesinwaterscience,2005,16(3):450~459.(inchinese) 4 屈艳萍, 康绍忠, 张晓涛, 等. 植物蒸发蒸腾量测定方法述评 [J]. 水利水电科学进展,2006,26(3):72~77. QuYanping,KangShaozhong,ZhangXiaotao,etal.A reviewofmethodsformeasurementofevapotranspirationfrom plants [J].AdvancesinScienceandTechnologyofWaterResource,2006,26(3):72~77.(inChinese) 5 陈新明,JayDhungel,SuryaBhatarai, 等. 加氧灌溉对菠萝根区土壤呼吸和生理特性的影响 [J]. 排灌机械工程学报, 2010,28(6):543~547. ChenXinming, Jay Dhungel, Surya Bhatarai, etal. Impactofoxygation on soilrespiration and crop physiological characteristicsinpineapple[j].journalofdrainageandirigationachineryengineering,2010,28(6):543~547.(in Chinese) 6 张晓涛, 康绍忠, 王鹏新, 等. 估算区域蒸发蒸腾量的遥感模型对比分析 [J]. 农业工程学报,2006,22(7):6~13. ZhangXiaotao,KangShaozhong,WangPengxin,etal.Comparativeanalysisofregionalevapotranspirationestimationmodels usingremotelysenseddata[j].transactionsofthecsae,2006,22(7):6~13.(inchinese) 7 牛勇, 刘洪禄, 吴文勇, 等. 基于大型称重式蒸渗仪的日光温室黄瓜蒸腾规律研究 [J]. 农业工程学报,2011,27(1): 52~56. NiuYong,LiuHonglu,WuWenyong,etal.Cucumbertranspirationbylarge scaleweightinglysimeterinsolargreenhouse [J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(1):52~56.(inChinese) 8 佘冬立, 邵明安, 俞双恩. 黄土高原典型植被覆盖下 SPAC 系统水量平衡模拟 [J]. 农业机械学报,2011,42(5):73~78. SheDongli,Shaoing an,yushuang en.waterbalancesimulationinspac systemsofslopelandscoveredwithtypical vegetationsonloessplateau[j].transactionsofthechinesesocietyforagriculturalachinery,2011,42(5):73~78.(in Chinese) 9 强小?, 蔡焕杰, 王健. 波文比仪与蒸渗仪测定作物蒸发蒸腾量对比 [J]. 农业工程学报,2009,25(2):12~17. QiangXiaoman, CaiHuanjie, WangJian. Comparativestudyofcrop evapotranspiration measured bybowen ratioand lysimeter[j].transactionsofthecsae,2009,25(2):12~17.(inchinese) 10 WuYY,YangXY,LiPP,etal.Thetechniqueoftheacquiringdynamicinformationonthegrowthofplantletsinvitro[C] FBIE2009 Proceedingsof2009InternationalConferenceonFutureBiomedicalInformationEngineering,2009:13~ WuYY,LiPP,LiangZ,etal.AcquiringthedynamicgrowthanddevelopmentinformationonAtractylodeslancea[C] Proceedingsofthe2ndInternationalConferenceonBiomedicalEngineeringandInformatics(BEI'09),2009:1676~ eiraziv,eirg,halevyah.factorsinfluencingtheproductionofhardenedglaucouscarnationplantletsinvitro[j]. PlantCel,TissueandOrganCulture,1983,2(1):55~ Fay F.Conservationofrareandendangeredplantsusinginvitromethods[J].InVitroCelularandDevelopmental Biology Plant,1992,28(1):1~4. 14 AnH,ShangguanZP.Specificleafarea,leafnitrogencontent,andphotosyntheticacclimationofTrifolium repensl. seedlingsgrownatdiferentiradiancesandnitrogenconcentrations[j].photosynthetica,2008,46(1):143~ GuoH X,LiuW Q,ShiY C.Efectsofdiferentnitrogenformsonphotosyntheticirateandthechlorophylfluorescence inductionkineticsofflue curedtobacco[j].photosynthetica,2006,44(1):140~ 吴楚, 王政权, 范志强, 等. 不同氮浓度和形态比例对水曲柳幼苗叶绿素合成光合作用以及生物量分配的影响 [J]. 植物生态学报,2003,27(6):771~779. WuChu,WangZhengquan,FanZhiqiang,etal.Efectsofdiferentconcentrationsandformratiosofnitrogenonchlorophyl biosynthesis,photosynthesisandbiomasspartitioninginfraxinusmandshuricaseedlings[j].actaphytoecologicasinica, 2003,27(6):771~779.(inChinese) 17 吴沿友, 杨晓勇. 道地中药材茅苍术的品种选育原理与技术 []. 镇江 : 江苏大学出版社,2009.

第期黄雪莲等响应面优化绿色木霉菌培养基材料与方法菌种仪器与试剂菌种的活化单因素试验响应面优化试验优化工艺的验证数据处理结果与分析

第期黄雪莲等响应面优化绿色木霉菌培养基材料与方法菌种仪器与试剂菌种的活化单因素试验响应面优化试验优化工艺的验证数据处理结果与分析第卷第期年月食品与生物技术学报响应面优化绿色木霉菌培养基黄雪莲于新仲恺农业工程学院轻工食品学院广东广州利用响应面分析法对绿色木霉菌的培养基进行优化通过测量不同营养条件下绿色木霉菌落生长直径研究其生物学特性在单因素实验的基础上选定葡萄糖添加量丙氨酸添加量和磷酸二氢钾添加量个因素进行中心组合实验建立二次回归方程并应用响应面分析法进行优化结果表明绿色木霉菌最佳培养基为葡萄糖