植物細(xì)胞水勢測定儀及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及一種植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，具體地說是植物細(xì)胞水勢測定儀及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]植物細(xì)胞和外環(huán)境水勢大小關(guān)系決定植物細(xì)胞吸水還是失水，這對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施肥量，灌溉量非常重要。同時，在植物生理學(xué)研究中，水勢也是常見的植物生理指標(biāo)，在植物學(xué)、作物遺傳育種等研究中經(jīng)常需要測定植物細(xì)胞水勢。植物細(xì)胞的水勢是指細(xì)胞中的水與純水之間每偏摩爾體積的水的化學(xué)勢差，用符號Φ表示。水分的運(yùn)動需要能量作功，植物生理學(xué)中描述水分進(jìn)出細(xì)胞采用水勢的概念。水勢是推動水分移動的強(qiáng)度因素，可通俗地理解為水移動的趨勢，水總是由高水勢處自發(fā)流向低水勢處，直到兩處水勢相等為止。任何含水體系的水勢，要受到能改變水自由能的諸因素(如溶質(zhì)、壓力等)的影響，使體系的水勢有所增減，例如，溶于水的溶質(zhì)能降低體系的自由能，使水勢降低。純水的水勢被規(guī)定為在標(biāo)準(zhǔn)狀況下(或在某一個大氣壓下，與體系同溫度時)為零，純水是指不以任何方式與其他物質(zhì)結(jié)合的純的自由水，它所含自由能最高，所以純水的水勢最高。當(dāng)純水中溶有任何物質(zhì)時，由于溶質(zhì)(分子或離子)與水分子相互作用，消耗了部分自由能使水勢降低，所以任何溶液的水勢比純水低，溶液的溶質(zhì)越多，溶液的水勢越低。水勢的測定方法也很多，現(xiàn)對常見方法進(jìn)行列舉:
小液流法
當(dāng)把植物組織或細(xì)胞放在溶液中時，兩者便會發(fā)生水分交換。如果植物組織(或細(xì)胞)的水勢低于溶液的水勢，組織(或細(xì)胞)則吸水，使外溶液濃度增大，比重也增大；若植物組織(或細(xì)胞)的水勢高于溶液的水勢時，組織(或細(xì)胞)則失水，使溶液的濃度變小，比重也變??；如果植物組織(或細(xì)胞)的水勢與溶液的水勢相等時，外溶液的濃度不變，其比重也不變，若把浸過組織的溶液慢慢滴回同一濃度而未浸過組織或細(xì)胞的溶液中。比重小的液流便往上浮，比重大的則往下沉。如果小液流停止不動，則說明溶液的濃度未有發(fā)生改變。此溶液的滲透勢(水勢)即等于所測組織(或細(xì)胞)的水勢。
[0003]存在的技術(shù)問題:小液流法需要重復(fù)取樣后在不同裝置中實(shí)驗(yàn)，不同部位取樣增大了實(shí)驗(yàn)誤差；并且小液流法是測定浸過組織的溶液比重來間接測定植物細(xì)胞水勢，浸泡植物組織的時間不容易控制，誤差也較大。
[0004]干濕球法
當(dāng)水溶液的水勢降低時水的蒸氣壓也會降低，這是稀溶液的依數(shù)性特征之一，水從一個表面的蒸發(fā)會降低這個表面的溫度。用干濕球溫度計測量溶液或植物組織水勢就是基于這樣的現(xiàn)象和原理。
[0005]將待測量的植物材料放置于一個密閉小容器中，在容器中裝置一個溫度傳感器，井使該溫度傳感器與一小滴水接觸。開始時水會同時從植物材料和水滴蒸發(fā)，并逐步使容器中的水蒸氣飽和。這時，如果植物材料和水滴的溫度與周邊空氣的溫度相同而且植物組織具有較低的水勢，那么水滴的水就會繼續(xù)蒸發(fā)，擴(kuò)散并被植物組織吸收，這個蒸發(fā)過程會降低水滴的溫度，植物材料和水滴間水勢差越大，水分的轉(zhuǎn)移就越快，水滴的降溫也就越大。如果不是將純水水滴置于溫度傳感器，而是用已知溶質(zhì)濃度的溶液滴與溫度傳感器接觸，當(dāng)該溶液的水勢低于植物材料，水將從植物材料轉(zhuǎn)移到溶液滴上來，因而使液滴的溫度上升。如果植物材料與液滴水勢完全相同，液滴的溫度降低量為零。這樣，測量一系列已知溶質(zhì)濃度的溶液，就可能找到與植物材料水勢相同的溶液。
[0006]存在的技術(shù)問題:干濕球法測量植物細(xì)胞水勢需要能夠測定小液滴溫度的傳感器，這樣的儀器往往成本昂貴，維護(hù)和使用工序也很復(fù)雜；并且測定水勢需要多次測定不同濃度溶液滴的溫度才能找到與植物水勢相同的液滴，實(shí)驗(yàn)時間較長。
[0007]壓力室法
壓力室法可以較快速地對植物組織，如葉片、莖的水勢進(jìn)行測量。壓力室法的測量是基于這樣的考慮，即認(rèn)為在測量條件下木質(zhì)部溶液的水勢是和植物組織的水勢相近的，因此只要測量出木質(zhì)部溶液的壓力勢和溶質(zhì)勢，并根據(jù)計算得到木質(zhì)部溶液的水勢即可得到植物組織的水勢。
[0008]測量時，把待測量的植物器官從植物體上分離下來，部分密封在一個壓力室內(nèi)。在器官被切下來之前，木質(zhì)部中的水柱是處于負(fù)張力狀態(tài)，當(dāng)切下器官后，由于木質(zhì)部中斷，張力被破壞，木質(zhì)部水柱會縮進(jìn)組織內(nèi)。這時葉柄端或莖端的表而會變得干燥暗澀，在壓力室中逐漸增加空氣壓力，可以使植物器官內(nèi)木質(zhì)部水柱重新返回葉柄或莖的端部，因而端口細(xì)胞重新變得濕潤發(fā)亮。剛好使木質(zhì)部水柱返回端口的壓力稱為平衡壓力，這個壓力的值可以很方便地從壓力室的壓力表上讀取。平衡壓力與植物器官在切割分離之前木質(zhì)部中的壓力在數(shù)值上是相等的。再進(jìn)一步測定木質(zhì)部溶液的溶質(zhì)勢，即可計算得到木質(zhì)部的水勢，而這個水勢與植物組織的水勢是相近的。
[0009]存在的技術(shù)問題:壓力室法測量植物細(xì)胞水勢需要裝置密閉并能承受高壓，還需有提供高壓的裝置或壓縮空氣，這樣的儀器使用時具有一定危險，操作不當(dāng)容易導(dǎo)致事故，能夠提供高壓的儀器維護(hù)和使用成本較高。此外，壓力室法多測定植物地上部分的水勢，特別是帶有枝葉和硬質(zhì)莖的植物材料，而像馬鈴薯塊莖、甘薯塊莖、胡蘿卜等塊狀組織不能使用本法和此類實(shí)驗(yàn)儀器測定。
[0010]冰點(diǎn)法
當(dāng)溶液中溶質(zhì)濃度上升時，溶液的冰點(diǎn)會下降，這也是溶液的依數(shù)性質(zhì)之一，例如純水的冰點(diǎn)是0°c，在1kg純水中加入lmol溶質(zhì)時，溶液冰點(diǎn)下降到-1.86.因此，可以通過測量溶液的冰點(diǎn)來測量溶液的滲透勢。
[0011]冰點(diǎn)下降法測定的裝置有許多，冰點(diǎn)滲透計是較常用的一種。冰點(diǎn)滲透計有一個控溫的平臺，平臺上有一些裝著油的小池，平臺為銀制，使其具有較高的導(dǎo)熱性。測量時，將樣品液滴懸浮置于油中，以避免蒸發(fā)。然后將平臺的溫度迅速降低到約-30°C使液滴凍結(jié)，然后再使平臺溫度緩慢上升，液滴的融化過程通過顯微鏡進(jìn)行觀察。當(dāng)液滴中水剛剛完全融化時的溫度被記錄下來，這個融解的溫度即冰點(diǎn)溫度。由冰點(diǎn)溫度可以計算得到溶質(zhì)濃度，再由范德霍方程式計算得到滲透勢。用冰點(diǎn)滲透壓計可以測量小至1 yL體積的溶液的冰點(diǎn)。這樣小的測量體積使我們有可能對單個細(xì)胞液進(jìn)行測量，同時也使液滴與控溫平臺的溫度能夠迅速地達(dá)到平衡。
[0012]存在的技術(shù)問題:冰點(diǎn)法及冰點(diǎn)滲透計需要在顯微鏡下操作，還需要有特殊的實(shí)驗(yàn)儀器來采集植物細(xì)胞液。這些實(shí)驗(yàn)操作難度較大，特別是對單個細(xì)胞的細(xì)胞液進(jìn)行采集；而且需要配套的儀器較多，對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備要求較高，僅適用具備條件的實(shí)驗(yàn)室。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明專利提供了植物細(xì)胞水勢測定儀及其應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)包括:滲透板(1)、滲透液槽(2 )(包括小滲透液槽(2-1)和大滲透液槽(2-2 ))、毛細(xì)管(3 )、樣品池(4)、移液槍槍頭(5)、橡皮密封碗(6)、密封凸圈(7)、毛細(xì)管刻度(8)。
[0014]滲透板為透明石英玻璃板，可以是方形或者圓形。小滲透液槽和樣品池通過毛細(xì)管連通，毛細(xì)管在玻璃滲透板中央，為圓形管道，直徑0.1-3.0 mm，長2-10 cm，數(shù)量為4_12根(附圖中為8根)。小滲透液槽的容積為毛細(xì)管全部容積的一半，根據(jù)毛細(xì)管直徑和長度不同，設(shè)定為10-1000 μ Lo大滲透液槽的容積為小滲透液槽2-10倍20-10000 μ L，為。橡皮密封碗為圓形小碗狀，具有彈性，密封碗頂端中央有一圓形小孔，大小能夠容納槍頭，并能與槍頭間形成密封。橡皮密封碗底部向內(nèi)凹陷形成凹槽，凹槽的大小同滲透板上玻璃密封凸圈吻合，橡皮密封碗和密封凸圈能夠?qū)悠烦匦纬擅芊猓谟靡埔簶寣悠烦爻闅鈺r能對樣品池及連通的毛細(xì)管形成負(fù)壓。毛細(xì)管刻度位于滲透板表面，毛細(xì)管正上方，最小刻度為0.5-1 _。樣品池的形狀為圓形或跟毛細(xì)管數(shù)量相同的多邊形或多凸邊形(附圖中為八邊形)。
[0015]本發(fā)明提供了一種塊狀植物組織細(xì)胞(如馬鈴薯、甘薯、山藥、胡蘿卜等)水勢的測定方法，包括如下步驟:(1)配置不同濃度滲透溶液，如蔗糖溶液，加入少量甲烯