种子活力性状无损速测技术研究进展

种子是农业生产中最重要的生产资料,其品质直接关系到整个生产活动的丰歉。活力是种子的重要评价指标,高活力的种子不仅田间表现优秀、抵抗逆境能力强,还更利于长时间储藏。传统的种子活力检测多在实验室内进行,采用的发芽试验等方法精度较高、科学性强,但有损检测且效率较低。近年来,光谱及成像技术以其快速、无损等优势,在种子检测领域中得到了广泛关注和应用。首先,归纳传统种子活力检测方法的检测原理和判定方法,并总结传统方法存在的共性问题;其次,综述无损速测技术在种子活力检测领域的应用和进展,对比分析各种技术的工作原理和检测策略,重点就近红外光谱技术和高光谱成像技术的应用展开讨论;最后,在此基础上结合种子活力的实际检测要求,探讨目前无损速测技术在种子活力检测应用领域存在的问题,总结当前无损速测检测技术呈现多技术融合、精选分级、高通用性和多元发展的发展趋势,以期为种子活力性状的无损速测技术提供参考。

基于图像处理的水稻剑叶夹角测量

水稻剑叶夹角对于水稻理想株型的选育具有重要意义。为实时、准确地实现水稻剑叶夹角在体测量,采用颜色空间转换、骨架提取、Hough直线提取和K-means聚类等图像处理技术,设计水稻剑叶夹角测量算法,并将算法置于服务器,结合背景板与手机端的应用程序,实现水稻剑叶夹角的实时测量。利用该算法在田间对160株水稻样本进行剑叶夹角测量,将该算法得到的数据与人工测量的数据进行对比。结果表明,该算法与人工测量结果一致性高,决定系数为0.9996,平均绝对误差为0.32°,能够实现水稻剑叶夹角田间在体精准测量。

稻瘟病菌诱导的感病和抗病水稻品种根系离子吸收变化研究

利用动态离子流检测技术分析稻瘟病菌侵染条件下感病和抗病水稻品种根系离子吸收规律,以探讨稻瘟病菌对水稻营养吸收的影响。研究发现感病水稻品种病症较明显,根系对K+吸收减少,H+由外流转为内流,Ca2+吸收减少且呈现不稳定吸收特征;抗病水稻品种病症较轻,根系对K+、H+、Ca2+吸收仅表现小幅下降。结果表明,在稻瘟病菌侵染后,抗病水稻品种仍保持较强的离子吸收能力,而感病水稻品种的离子吸收能力明显减弱,甚至出现离子流失。这可能是导致感病水稻品种根系营养吸收障碍的重要原因。

稻瘟病诱导的抗病水稻和不抗病水稻氮素吸收差异研究

利用动态离子流检测技术对稻瘟病侵染的水稻根系NH4+和NO3-做了动态检测。发现抗病水稻在病害侵染时,根系对NH4+和NO3-具有很好的保持能力,而不抗病水稻根系对NH4+和NO3-的吸收能力明显下降,氮素含量测定也证实了不抗病水稻的氮素吸收减少,造成这种现象的原因可能是因为稻瘟病菌对不抗病水稻根系的NH4+和NO3-转运体直接或间接的起到了抑制作用。此外,在正常生长情况下两种水稻具有不同的NH4+和NO3-离子吸收特征,动态离子流检测技术对这种离子吸收特征的检测,为早期快速、无损筛选氮营养高效水稻品种提供了有效工具。

干旱胁迫下旱稻和水稻对K^+和Ca^(2+)的动态吸收研究

利用动态离子流检测技术,通过比较干旱作用下旱稻与水稻对K+和Ca2+离子的动态吸收规律,探讨无机离子对旱稻和水稻的抵御干旱胁迫的作用机理,有助于筛选抗旱水稻材料。结果显示,PEG处理条件下巴西旱稻对K+和Ca2+的吸收能力强于日本晴水稻,可能是由于巴西旱稻通过吸收无机离子作为渗透调节剂抵御干旱胁迫,因此具有较强的抗干旱能力。同时研究也说明,利用动态离子流检测技术比较不同材料的无机离子吸收能力,可以筛选抗旱水稻新品种。

基于物联网技术的寒地水稻程控催芽系统设计与试验

针对大规模寒地水稻芽种生产中,浸种、破胸、催芽3个环节存在的上下层水温不均匀、浸种箱内稻种有氧呼吸差,易导致种子"出芽率低"甚至发生"烧种"、"烂芽"等问题,研究了浸泡温度、时间对水稻种子生理活性的激发机理,构建了基于物联网技术的温度、湿度、氧气监控体系,研发了程控水稻催芽系统,实现浸种箱内催芽环境分段式自动化管理。通过对浸种箱内温度场模拟及大田生产试验证明:系统温、湿、氧调控准确度高,均匀性好,水温控制精度?0.2℃,水位控制精度?0.3%,种子发芽率达97.79%,箱内不同区域芽种出芽率相差1%以内,芽种整齐度、健壮程度大幅提高。该系统研究为寒地水稻生产水平的提高提供了技术支撑,体现了较好的社会经济效益。

玉米高通量自动考种装置设计与试验

考种是玉米育种的重要环节,针对现有考种方法分别进行玉米果穗或玉米籽粒考种参数测量,难以满足玉米商业化育种过程大量样本自动考种需求的现状,该文设计了一种玉米高通量自动考种装置,主要包括玉米果穗考种单元、自动脱粒单元、玉米籽粒考种单元、后处理单元及系统控制单元,可实现玉米果穗考种、自动脱粒、籽粒考种、籽粒提升、籽粒封装、标签打印等全过程的自动化。依据设计方案进行原理样机试制及试验,结果表明:该装置可实现玉米穗质量、果穗长宽、穗行数、行粒数、秃尖区域、籽粒厚度、籽粒长、籽粒宽、穗粒数等考种参数的实时测量,且对果穗长、宽的平均测量精度分别为99.13%,99.25%、对籽粒数量的平均测量精度为99.39%。样机对单个玉米考种时耗时约为27.2 s,连续考种作业时处理速度达4穗/min。该研究为玉米高通量自动考种装备的实现提供了参考。

胡杨谷胱甘肽过氧化物酶PeGPX基因的克隆及转化植株耐盐性分析

胡杨(Populus euphratica Oliv.)具有极强抗盐碱能力。本实验室前期胡杨微阵列芯片数据结果显示:盐胁迫下,胡杨谷胱甘肽过氧化物酶基因(PeGPX)的转录上调,暗示该基因可能对胡杨耐盐性具有一定的作用。为分析 GPX 对植物耐盐性的贡献,本研究以胡杨为材料,利用 RT-PCR 方法克隆了胡杨谷胱甘肽过氧化物酶PeGPX基因,并在烟草中过量表达该基因,以分析谷胱甘肽过氧化物酶活性与植物耐盐性的关系。研究结果显示,实验中克隆的 cDNA (PeGPX)编码谷胱甘肽过氧化物酶,其 ORF 为 693 bp,其蛋白由 231 个氨基酸编码。过量表达 PeGPX 基因的烟草与野生型烟草的耐盐性实验结果显示,野生型烟草植株在加 NaCl(200 mmol/L)的 MS 培养基中生长 15 d 后,无明显的长高,且不长根;而转基因烟草在同样的加盐培养基上,生长基本没有受到抑制,植株生长状态良好,并且能够长根。光合数据显示,在盐胁迫下过量表达 PeGPX 基因烟草的净光合速率受到影响明显小于野生型烟草的净光合速率。酶活数据显示,转基因株系 GPX 酶活与野生型的相比在盐胁迫下活性有非常显著的提高。我们的研究结果说明:过表达 PeGPX 基因使得烟草的耐盐性得到显著提高,这对深入研究PeGPX基因在胡杨耐盐机制中的作用具有重要的意义。高,这对深入研究PeGPX基因在胡杨耐盐机制中的作用具有重要的意义。

盐胁迫对苗期向日葵内源激素含量的影响

对水培20 d的苗期向日葵进行浓度为0、50、100 mmol·L-1以及时间为10、20、30 h的盐胁迫处理,运用酶联免疫吸附法(ELISA)分别测定了各组向日葵的根部、茎秆和叶片中内源激素的浓度变化。结果表明:随着盐浓度的增加以及胁迫时间的延长,向日葵根、茎、叶中四种激素呈现不同的变化趋势。IAA,ABA和ZR三种激素总体表现为先增后降的趋势,盐浓度越大,植物激素上升或下降的幅度越大,变化速度也越快。GA没有显著变化且波动在±2.0 ng·g-1范围内。而根、茎、叶中IAA/ABA,GA/ABA,(ZR+IAA+GA)/ABA的比值总体呈下降趋势,表明了盐胁迫对生长的抑制。盐胁迫下向日葵叶片和茎秆中这几种激素的变化更为明显,而根部的变化则较为缓慢。

自参考离子选择性电极技术应用中的微电极制备及测试

SIET(self-referencing ion electrode technique,自参考离子选择性电极技术)是电生理学研究的新手段,可以在植物抗逆研究中无损地获得植物细胞、组织、器官微区内离子流动态变化信息,而离子选择性微电极的制备及性能测试的标准化是SIET系统对植物活细胞、活体组织原位离子流测试的前提。该文以钾离子选择性微电极为例,详细讨论了离子选择性微电极的拉制、硅烷化、灌充等制备过程,研究了微电极内阻等电极参数的测量方法,测试了微电极的能斯特响应斜率、检测范围、响应时间等参数,讨论了制备过程中微电极性能的影响因素。离子选择性微电极使用WD-2型微电极拉制仪由无导液丝的TW150-3型硼硅酸盐玻璃毛细管拉制成形,其尖端直径为1～9μm,干燥后用5%硅烷试剂在150℃温度下做硅烷化处理,再灌充入内充液与LIX(liquid ion exchanger,液态离子交换剂)而制成。研究表明:LIX成分是影响微电极内阻的重要因素,灌充LIX后的钾离子选择微电极(LIX长度为150～210μm)内阻达到108～109Ω,明显高于灌充LIX前;微电极在0.01～500mmol/L K+浓度范围内具有很好的线性关系,R2=0.9998,能斯特斜率为53.095mV/dec;微电极对1和100mmol/L KCl溶液的平均响应时间t95%小于1s。研究结果表明,离子选择性玻璃微电极的制备过程是影响微电极性能的关键,微电极尖端尺寸、内阻、响应时间等参数对微电极的应用影响显著。该研究可为离子选择性微电极的制备及其在SIET系统中的应用提供参考。

胡杨果糖-1,6-二磷酸醛羧酶基因PeALD的克隆及耐盐性分析

胡杨(Populus euphratica Oliv)是优良的抗逆树种,有很强的耐盐碱性。前期胡杨转录组研究结果显示盐胁迫可诱导果糖-1,6-二磷酸醛羧酶基因(PeALD)转录上调,提示该基因可能对胡杨耐盐性方面有某种贡献。为分析PeALD基因在胡杨耐盐性中的作用,本研究以胡杨为材料,利用RT-PCR方法克隆了胡杨果糖-1,6-二磷酸醛羧酶基因的全长cDNA,通过基因转化法尝试在烟草中过量表达该基因,并对转基因株系的耐盐性进行初步分析。研究结果显示,克隆的cDNA编码果糖-1,6-二磷酸醛羧酶,ORF为1177bp,是由247个氨基酸编码的疏水性蛋白,理论等电点为6.84,分子量为26.79kD。PCR与RT-PCR检测结果表明,外源的PeALD基因通过转化已经整合到烟草的染色体中,并在4个株系中得到较强的表达。转化株系表型筛选实验表明,在200mmol/L NaCl的MS培养基中培养15d后,野生型烟草植株无明显高生长,叶片全部黄化并萎缩;而转基因烟草高生长基本没有受到抑制,植株生长良好。说明在烟草中过表达PeALD使转化植株的耐盐性显著提高。光合数据结果显示,ALD基因能够降低盐胁迫对烟草叶片净光合速率的影响,可能是PeALD过表达加速了卡尔文循环的运转,提高了CO2的固定速率,进而促进了光合活性,通过光合作用促进碳的积累,利于呼吸作用和氧化磷酸化产生ATP,为维持跨膜质子浓度梯度提供能量,从而有可能促进质膜上的Na+/H+逆向转运,利于细胞质膜保持拒盐性。这些结果初步验证了PeALD基因的耐盐性功能,为进一步深入研究该基因在耐盐机制中的作用奠定了良好基础。

向日葵芽苗期离子对复合盐胁迫的响应

研究向日葵耐盐的离子响应机制,可为快速筛选耐盐向日葵品种提供科学依据。本试验以油用向日葵盐敏感品种‘YK18’、中度耐盐品种‘YK06’和耐盐品种‘GF01’为试验材料,研究0 mmol·L^(–1)、50 mmol·L^(–1)、100 mmol·L^(–1)、150 mmol·L^(–1)、200 mmol·L^(–1)和250 mmol·L^(–1)复合盐(NaCl和Na_2SO_4按9∶1摩尔比混合)浓度下的种子萌发和离子在萌发幼苗中积累分布情况,并利用离子流检测技术,动态监测了复合盐胁迫24 h后植株根系的K^+、Na^+、Ca^(2+)等离子的流速流向。结果表明,复合盐胁迫抑制向日葵种子萌发,导致发芽率下降,平均发芽时间延长。盐胁迫后向日葵根系K^+大量外排,流速为‘YK18’>‘YK06’>‘GF01’;随着盐胁迫浓度升高,根系Na^+流速由内吸转为外排,内吸时‘YK18’速度最大,‘YK06’次之,‘GF01’最小,外排时‘GF01’流速最大,其"排盐"现象明显。复合盐胁迫后,整株的Na^+积累量增加,K^+减少,K^+/Na^+随着盐浓度升高而下降;低盐浓度(<150 mmol·L^(–1))下‘GF01’和‘YK06’茎秆中K^+/Na^+低于‘YK18’;高盐胁迫(≥150 mmol·L^(–1))下,‘GF01’整株Na^+积累最少,叶片K^+/Na^+最高。另外,盐胁迫下向日葵幼苗根系Ca^(2+)的吸收速率加快,‘GF01’是‘YK18’的2倍。由此可见,不同耐盐性的油用向日葵植株在盐胁迫下可通过调节Na^+、K^+和Ca^(2+)的吸收与外排来适应盐胁迫环境,耐盐性强的品种具有更强的保K^+能力,并通过区域化Na^+(低盐胁迫)和拒盐机制(高盐胁迫)来提高其对盐胁迫的耐受性,维持植株叶片中合理的K^+/Na^+值。本研究结果可为盐碱地耐盐品种筛选和栽培提供理论依据。

基于LabVIEW的显微镜自动控制设计

为方便CCD相机采集显微镜下的图像,对显微镜的控制进行了研究;设计了一种实现显微镜自动控制的方法;利用THB6128芯片驱动步进电机实现焦距的电控调节,利用PT4115芯片控制LED灯实现照明灯光亮暗的调节,基于LabVIEW虚拟仪器平台开发主控制程序搭建外围硬件,实现显微镜的自动控制;实验证明,上位机运用程序通过串口进行数据通信向下位机发送指令,通过调节LED灯的亮暗以及步进电机转动带动载物台的上下移动,实现了在一个合适的光照和焦距下获取清晰的图像;使显微镜控制更加的简化与精确,便于图像的采集。

秋茄KcTIP1基因克隆及其对植物耐盐性作用的研究

【目的】从秋茄中克隆液泡膜水通道蛋白KcTIP1基因,并研究其对植物耐盐性的作用机制。【方法】以秋茄幼嫩叶片为材料,通过PCR扩增克隆KcTIP1基因并构建其表达载体,采用根癌农杆菌介导法,用含重组质粒的农杆菌转化烟草植株,通过卡那霉素筛选和转基因烟草基因组PCR、RT-PCR鉴定,获得转基因再生植株;并选取其中2个阳性株系和野生型株系进行盐处理,测定野生型烟草(对照)与盐处理烟草根、茎、叶鲜质量,光合参数,叶片组织Na+、K+浓度以及根尖Na+、K+的流速。【结果】成功克隆得到了KcTIP1基因,对其编码蛋白氨基酸序列进行分析表明,秋茄KcTIP1包含MIP家族的特征序列SGGHVNPAVT和2个保守的NPA(Asn-Pro-Ala)位点。RT-PCR检测结果显示,KcTIP1基因在转基因烟草株系中成功表达。盐胁迫后,转基因烟草植株根、茎、叶鲜质量,叶片净光合速率,蒸腾速率,叶片组织Na+、K+积累和根尖Na+、K+内流幅度均高于野生型烟草。【结论】KcTIP1具有与其他水通道蛋白类似的蛋白结构和酶学功能,KcTIP1基因过表达可以提高转基因烟草的抗盐能力。

基于多相机成像的玉米果穗考种参数高通量自动提取方法

实现玉米果穗考种性状的准确、快速获取是提高玉米育种效率的关键环节。该文在前期设计的玉米高通量自动化考种装置基础上,提出了一种基于多相机的玉米果穗考种参数提取方法,通过4个等间隔均匀分布的摄像头同时获取果穗4个方向图像,针对每副图像分别经过背景去除、投影模型构建、籽粒跟踪、考种参数提取等处理,最后根据4副图像的处理结果,综合计算穗长、穗粗、平均粒厚、穗行数、行粒数、穗粒数等考种参数。在玉米高通量自动化考种装置的果穗考种模块上进行试验,结果表明,该文所提方法测得的穗长、穗粗、平均粒厚与人工方法测量值之间的决定系数R2分别为0.997 3、0.984和0.941 5,对穗行数、行粒数的测量精度分别为98.63%、95.35%,为玉米果穗考种参数提取提供了一种新思路,为高通量自动考种装置的实现奠定了基础。

秋茄KcRD22基因的克隆与功能分析

本文以用200mmol/LNaCl处理24h后的秋茄幼苗为材料提取秋茄叶片总RNA,利用RT-PCR方法克隆获得KcRD22基因的全长cDNA,通过构建pCAMBIA-2300-KcRD22过表达载体,利用农杆菌侵染的方式获得过表达KcRD22的烟草转基因株系,并对转基因株系的耐盐性做出初步分析。实验结果显示:KcRD22基因的ORF长1131bp,编码1个等电点为9.07、分子量为39.8kD、由375个氨基酸组成的蛋白。PCR及RT-PCR鉴定结果表明,KcRD22基因已经分别整合到8株烟草的染色体中,并在两个株系中获得表达。对转基因烟草进行光合作用测定,结果显示100mmol/LNaCl处理显著降低了野生型烟草的净光合速率,而转基因植株叶片的光合作用受到的影响较小。盐浓度达到200mmol/L时,转基因植株及野生型烟草净光合速率都明显降低,但盐胁迫解除后,转基因烟草光合作用的恢复情况明显好于野生型烟草,说明KcRD22的过表达提高了烟草的抗盐性。本文初步确定了KcRD22基因对植物耐盐性的贡献,这为进一步深入研究该基因在耐盐机制中的功能奠定了良好基础。

高盐胁迫下小麦幼苗离子吸收动态及耐盐性筛选

耐盐能力评价是小麦引种、筛选和育种的研究基础。为利用离子流检测技术快速筛选耐盐小麦品种提供依据,本文以普通小麦耐盐品种‘德抗961’和‘薛早’、中度耐盐材料3D232、盐敏感品种‘辽春10号’和‘京411’为试验材料,利用动态离子流检测技术对250 mmol·L^(−1) NaCl胁迫下小麦苗期根部对K^(+)、Na^(+)、Cl^(-)的吸收情况进行检测,并对小麦生长性状及离子浓度变化进行测定,以确立离子吸收与小麦耐盐性的关系。研究结果表明:1)与无盐胁迫(CK)相比,250 mmol·L^(−1) NaCl胁迫24 h后,盐敏感小麦品种‘辽春10’和‘京411’的K^(+)由内流转变为外流,中等耐盐材料3D232表现出K^(+)外流速度减少,耐盐品种‘德抗961’和‘薛早’则表现出维持K^(+)的内流或K^(+)外流变为内流;Na^(+)均表现为胁迫后外排速度增大,速度值区间由13.86~46.88 pmol·cm^(−2)·s^(−1)变为61~150 pmol·cm^(−2)·s^(−1);相较Na^(+),Cl^(-)外排速度升高幅度较大,其中‘辽春10号’外排量变化最大,外排速度是胁迫前的10倍,Na^(+)、Cl^(-)外排速度变化与品种耐盐性无明显相关性。2)高盐胁迫下,盐敏感小麦的根苗比降低,耐盐小麦根苗比升高;盐敏感小麦品种鲜重较CK显著下降,耐盐小麦品种变化不显著。3)盐胁迫条件下,耐盐及中等耐盐小麦品种,根部及地上部K^(+)含量较CK分别增加57%~88%和18%~112%,盐敏感小麦则分别降低40%~44%和24%~42%;耐盐小麦地上部Na^(+)增加倍数小于盐敏感材料,将更多的Na^(+)阻隔在根部,表现出了较好的区隔Na^(+)能力。4)盐胁迫后K^(+)流速与耐盐性评价指标根冠比变化量、鲜重变化率均呈高度的相关,其拟合度分别为0.972和0.832。250 mmol·L^(−1) NaCl胁迫24 h后小麦根部成熟区K^(+)流速可以作为小麦耐盐性筛选的重要生物标记。

一种适合杨树RNA提取的方法

本试验为三种杨树材料建立了一种杨树RNA提取的方法。本方法具有充分抑制材料中的多酚褐化，提高BNA产率；最大限度地去除多糖及次生代谢物质，避免与RNA共沉淀；去除蛋白质和DNA污染；提取时间短，质量高等特点。通过本方法提取的RNA0D260，0D280值在1．9—2．0之间，能够完全满足后续实验的要求，如体外裔译、cDNA文库构建、基因芯片和DDRT—PCR等。

一种植物茎流传感器及其数据采集系统研究

植物茎流是研究植物蒸腾规律的重要指标,因而需要准确可靠的茎流测量设备作为支撑。本研究基于热消散原理设计了一种插针式植物茎流传感器和基于MCGS软件的数据采集系统。通过模拟实验对采集系统进行了标定,测得的茎流速度与实际流速之间的误差低于0.01 mm/s,表明茎流测量系统具有较高的精度和稳定性;以杨树为被测样本开展了实际测量实验,结果表明:日出后,随着气温的升高茎流速度开始缓慢上升,中午12:00至15:00期间达到峰值并保持较高速率,此后茎流速度缓慢下降,日落后19:00左右开始迅速下降并保持较低茎流速率直至次日。以上实验结果表明该系统能准确反映植株茎流的日变化规律,且稳定性较好,可为植株耗水性及蒸腾规律的研究提供设备支撑。

柑橘黄龙病早期诊断的PCR检测技术优化

柑橘黄龙病是柑橘属植物主要病害之一,是由一种限于韧皮部内寄生的革兰氏阴性细菌引起的病害,病菌可随筛管转运至整个植株,其潜伏周期长、危害面积广,严重威胁我国乃至世界范围内柑橘产业的健康发展。因此,早期柑橘黄龙病的快速检测是病害防治重要环节,目前最常用的是基于PCR技术的检测方法,但由于植株体内的病菌含量较低、PCR扩增体系中引物稳定性的差异、DNA模板浓度的不同均会对扩增效果有较大影响。本研究以感染黄龙病的柑橘叶片作为样本,提取叶片DNA作为模板。利用LSS606/LAS、16sf/16sr、A2/J5、P1/P2和OI1/OI25对柑橘黄龙病检测引物对PCR反应体系进行了优化。结果显示,除了OI1/OI2引物的特异性较差外,其余4种引物均表现了很好的特异性,引物浓度在0.2~0.3μmol时,PCR扩增效果较好。灵敏度检测显示引物LSS606/LAS、A2/J5对模板DNA的灵敏度较高,在模板浓度为0.048 ng·μL^(-1)时仍能扩增出目标产物,分别是引物16sf/16sr和P1/P2检测灵敏度的10倍和20倍,可检测出1 ng总DNA中的柑橘黄龙病菌数在426~755。该研究通过特异性引物的筛选以及PCR检测体系的优化,确定了一种快速准确检测柑橘黄龙病的方法,为柑橘黄龙病的早期诊断奠定基础。