一种可移动型植物根系分泌物分类收集装置及收集方法与流程

本发明属于植物、土壤、农业及环境科学技术领域，涉及一种植物根系分泌物收集装置和收集方法，特别涉及一种可移动型植物根系分泌物分类收集装置及收集方法。

背景技术：

植物根系分泌物是指植物在生长过程中通过根系向周围土壤释放的一系列极性和非极性有机物质，包括有机酸、氨基酸、糖类、酚类和脂肪酸等。根系分泌物不仅能反映植物自身的生理状况，同时还能够活化土壤矿物质养分、产生植物间化感效应、刺激根际微生物活性以及去除土壤中重金属及有机污染物，是维持根际微生态系统活力的关键因素，因此，近年来其成为了植物、土壤、农业及环境科学领域研究者的关注热点，而根系分泌物收集装置和收集方法的技术开发是其中的研究重点。

按照培养基质的不同，常用的根系分泌物收集方法包括水培法、固体基质培养法和土培法，上述方法均有各自的优缺点，但所涉及的收集过程基本一致，即将植物根系以及种植过植物的营养液、固体基质或土壤用处理溶液进行萃取或淋洗，所得萃取液或淋洗液作为根系分泌物。但是，这些根系分泌物收集方法都存在如下问题：干扰植物的正常生长，无法反映植物原位生长时根系的分泌情况，且收集到的溶液中包含根系本身的内含物。1982年，Tang和Young设计了根系分泌物连续收集装置，将培养植物的营养液不断循环，并利用大孔吸附树脂富集其中的根系分泌物，从而在不干扰根系生长的基础上实现植物原位生长时根系分泌物的收集。目前，许多新型根系分泌物收集装置也均是基于该装置设计的，但是，这些新型收集装置及相应收集方法仍然存在：无法原位分类收集不同极性根系分泌物组分，收集系统的一体化程度不高、移动不灵活，营养液循环流速无法严格控制，系统密封性不强、易受外界环境干扰，根系分泌物收集周期较短、收集量不大等问题，从而限制了这一系列收集装置和收集方法的进一步应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决基于上述根系分泌物连续收集装置而设计的现有根系分泌物收集装置和收集方法中存在的问题，提供一种可移动型植物根系分泌物分类收集装置及收集方法，其具有可原位分类收集不同组分根系分泌物、外界环境隔绝良好、一体化程度高、移动灵活、根系生长扰动小等特点。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种可移动型植物根系分泌物分类收集装置，它包括植物培养桶、根系分泌物连续收集部分和移动式平台支架；

所述植物培养桶由不透明材料制成，上部呈圆柱状，下部呈漏斗状，内壁铺有一层粗过滤网；植物培养桶内由下到上依次填充有细砂过滤层、固体培养基质层、玻璃棉板和陶粒层；玻璃棉板上均匀分布有定植孔；定植孔内种有植物；植物培养桶外壁一侧装有玻璃管液位计，另一侧设有插入植物培养桶内的渗液管；植物培养桶底部中心孔用玻璃棉堵塞并用细过滤网包扎；底部中心孔通过三通阀与两根玻璃收集管连接；底部中心孔附近另有一带阀门的排水孔；

所述根系分泌物连续收集部分包括两根收集管、树脂柱、保温罩、输氧泵、营养液罐、蠕动泵、回流管和渗液管；两根收集管、回流管均为透明硬管；两根收集管上端各带一个阀门，其中一根收集管中间安装有树脂柱；所述树脂柱为一根极性树脂柱，或一根非极性树脂柱，或一根极性树脂柱和另一根非极性树脂柱两根串联起来的树脂柱；所述树脂柱的顶端填充有双亲性滤膜，树脂柱的底部用细过滤网包扎，且在树脂柱外围安装有保温罩；两根收集管底部与三通阀连接，三通阀另一端与T型管相连，T型管下部是一根带阀门的硬管，硬管下段穿过营养液罐顶部橡胶塞插入营养液罐中，T型管另一端通过软管与蠕动泵进水端相连；与输氧泵相连的另一根硬管也穿过营养液罐顶部橡胶塞插入营养液罐中，输氧泵进气端装有微生物过滤膜；蠕动泵出水端通过软管与回流管相连；回流管另一端通过液体流量计与插入培养桶内的渗液管相连；渗液管末端密封，长度与培养桶内径一致，管壁开有一系列小孔，管身包裹有纱布；

所述移动式平台支架底部为一平台，平台底部装有轮子；平台上设有能固定植物培养桶的支架，支架的长撑脚下端固定安装在平台上；输氧泵、营养液罐和蠕动泵均置于平台上，固定植物培养桶、收集管、树脂柱均设于营养液罐上方。

所述固体培养基质层为石英砂、蛭石或砂土。

所述粗过滤网是网格孔径为0.1～0.5mm的粗尼龙过滤网；所述细过滤网是网格孔径为0.01～0.05mm的细尼龙过滤网。

一种可移动型植物根系分泌物分类收集方法，包括下述步骤：

(1)植物的预培养：向植物培养桶中由下到上依次填充洗净和灭菌后的细砂过滤层、固体培养基质层(石英砂、蛭石或砂土)、起隔绝作用的玻璃棉板和起固定作用的陶粒层，其中细砂过滤层厚度为2～7cm，细砂粒径为0.5～1.5mm，固体培养基质层厚度为10～50cm，玻璃棉板厚度为1～5cm，玻璃棉板上均匀分布有孔径为1～3cm的定植孔，陶粒层厚度为2～5cm；将前期培育好的待测植物幼苗洗净、灭菌处理后定植于均匀分布有定植孔的玻璃棉板中，关闭培植桶底部中心孔和排水孔阀门，加入营养液直至液位计液面与固体培养基质层高度一致，维持该状态5～7天，使植物适应生长环境；之后打开不接树脂柱的收集管阀门，开启蠕动泵，使系统中的营养液能够封闭地循环流动，以最大程度地模拟实际环境中土壤溶液的动态迁移；可通过观察液体流量计的读数变化，调节蠕动泵流量，使系统中液体的流速维持稳定，蠕动泵流量调节范围为0.05～1500ml/min；当培养桶中营养液减少时，可用蠕动泵从营养液罐中吸取营养液补充，并可通过输氧泵补充植物根系生长所需氧气。

(2)根系分泌物的收集：根据后续研究目的，可在植物不同生长阶段收集根系分泌物。开始收集根系分泌物时，关闭不接树脂柱的收集管阀门，打开接树脂柱的收集管阀门，使含有根系分泌物的营养液经接树脂柱的收集管进行封闭循环，封闭循环系统的运行方式与植物预培养过程中的运行方式相同；植物根系分泌物中极性和非极性组分依次通过极性和非极性树脂柱吸附而被分类收集；所述极性树脂柱可装填NKA-9、ADS-21和ADS-F8型等大孔吸附树脂，非极性树脂柱可装填Amberlite XAD-4、XAD-16HP和D101型等大孔吸附树脂，树脂柱的填充高度为10～30cm，树脂柱直径为2～5cm；同时，在树脂柱外围安装橡塑海绵保温罩，内部填充冰袋，以保证收集过程中吸附于树脂上的根系分泌物的性质稳定；根系分泌物的收集周期一般为3～10天，过短的收集时间会导致收集量不足，而过长的收集时间会导致根系分泌物的降解和成分的变化；

(3)根系分泌物的分离：取下吸附有根系分泌物的树脂柱，用去离子水和甲醇分别淋洗极性和非极性树脂，洗脱液过0.22μm滤膜后冷冻干燥，得到极性和非极性的根系分泌物组分；淋洗过的树脂柱可重新装回收集装置中继续用于吸附根系分泌物。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)同时安装不同极性的树脂柱，可实现动态原位分类收集不同极性根系分泌物组分，避免后续人工分离造成的污染和损失；

(2)配备移动式平台支架，提高了植物培养部分和根系分泌物收集部分的一体化程度，同时增强了设备的可操作性、空间可利用性和移动性，使系统可置于不同培养环境下收集根系分泌物；

(3)通过构建封闭式营养液循环管路以及全系统灭菌处理等操作，使系统与外界环境隔绝良好，对根系生长的扰动小，提高了所收集根系分泌物的真实性和无菌性；

(4)在循环系统中安装渗液管并埋于固体培养基质中，一方面可提高循环系统的封闭性，另一方面能使回用营养液缓慢均匀分布于固体培养基质中，提高根系的透气性；

(5)植物预培养阶段使用营养液循环系统，可最大程度地模拟实际环境中土壤溶液的动态迁移，创造贴近于自然状态的根系生长环境；

(6)在树脂柱外围安装填充有冰袋的橡塑海绵保温罩，可保证吸附于树脂上的根系分泌物在低温条件下性质稳定，防止收集过程中根系分泌物的降解和成分变化，延长了根系分泌物的收集周期，增加了根系分泌物的收集量；

(7)安装的流量计可及时定量反映循环管路中营养液的流量变化情况，并通过蠕动泵对营养液流量进行严格控制，维持植物生长和根系分泌物收集系统的稳定，同时可以根据植物类型和生长特性的不同随时进行调整，提高根系分泌物的收集效率；

(8)植物经过一定时间预培养后，可根据后续研究目的，在植物不同生长时期或多个连续生长阶段内收集根系分泌物，提高了根系分泌物收集的可控性；

(9)采用洗净的粗尼龙网和细砂作为植物培养桶内的过滤装置，避免了固体 培养基质的流失，有利于根系分泌物的收集。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2为渗液管的结构示意图。

图中：1、待测植物；2、植物培养桶；3、陶粒层；4、玻璃棉板；5、固体培养基质层；6、细砂过滤层；7、粗尼龙过滤网；8、玻璃管液位计；9、底部中心孔；10、排水孔；11、玻璃棉；12、细尼龙过滤网；13、三通阀；14、不接树脂玻璃收集管；15、接树脂玻璃收集管；16、双亲性滤膜；17、极性树脂柱；18、非极性树脂柱；19、橡塑海绵保温罩；20、细尼龙过滤网；21、三通阀；22、T型玻璃管；23、营养液罐；24、输氧泵；25、微生物过滤膜；26、硅胶软管；27、蠕动泵；28、玻璃回流管；29、液体流量计；30、渗液管；31、铁质平台；32、万向轮；33、铁杆支架

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1、图2所示，一种可移动型植物根系分泌物分类收集装置，它包括植物培养桶、根系分泌物连续收集部分和移动式平台支架；

所述植物培养桶2(以下简称培养桶)为不透明PVC材料，上部呈圆柱状；下部呈漏斗状，内壁铺有一层网格孔径为0.1～0.5mm的粗尼龙过滤网7；植物培养桶内由下到上依次填充有洗净和灭菌后的细砂过滤层6、固体培养基质层5(石英砂、蛭石或砂土)、起隔绝作用的玻璃棉板4和起固定作用的陶粒层3；其中细砂过滤层厚度为2～7cm，细砂粒径为0.5～1.5mm，固体培养基质层厚度为10～50cm，玻璃棉板厚度为1～5cm，玻璃棉板上均匀分布有孔径为1～3cm的定植孔，陶粒层厚度为2～5cm；培养桶外壁一侧装有玻璃管液位计8，另一侧设有插入培养桶内的渗液管30；培养桶底部中心孔9用玻璃棉11堵塞并用网格孔径为0.01～0.05mm的细尼龙过滤网12包扎，底部中心孔通过三通阀13与两根玻璃收集管(不接树脂玻璃收集管14、接树脂玻璃收集管15)连接，底 部中心孔附近另有一带阀门的排水孔10；

所述根系分泌物连续收集部分包括两根玻璃收集管(不接树脂玻璃收集管14、接树脂玻璃收集管15)、两根不同极性的树脂柱(极性树脂柱17、非极性树脂柱18)、橡塑海绵保温罩19、输氧泵24、营养液罐23、蠕动泵27、玻璃回流管28和渗液管30；两根玻璃收集管上端各带一个阀门，其中一根玻璃收集管中间依次安装有两根不同极性的树脂柱，上面一根树脂柱的顶端填充0.45μm双亲性滤膜16，下面一根树脂柱的底部用网格孔径为0.01～0.05mm的细尼龙过滤网20包扎，且在两根树脂柱外围安装有橡塑海绵保温罩19，两根玻璃收集管底部与三通阀21连接，三通阀21另一端与T型玻璃管22相连；T型玻璃管22下部是一根带阀门的玻璃管，玻璃管下段穿过营养液罐顶部橡胶塞插入营养液罐23中，T型玻璃管另一端通过硅胶软管与蠕动泵27进水端相连；与输氧泵24相连的另一根玻璃管也穿过营养液罐顶部橡胶塞插入营养液罐23中，输氧泵24进气端装0.22μm微生物过滤膜25；蠕动泵27出水端通过硅胶软管26与玻璃回流管28相连；蠕动泵的流量可调，调节范围为0.05～1500ml/min；玻璃回流管28另一端通过液体流量计29与插入培养桶内的渗液管30相连；渗液管为PVC材质，末端密封，长度与培养桶内径一致，管径为2.5cm，管壁纵向等间距开6排小孔，孔径为0.5cm，管身包裹有2层纱布；

所述移动式平台支架底部为铁质平台31，铁质平台底部安装有四个带刹车片的万向轮32；铁质平台上设有能固定植物培养桶的铁杆支架33，铁杆支架的四个长撑脚下端固定安装在铁质平台的四边中心点上；输氧泵、营养液罐和蠕动泵均置于铁质平台上，固定植物培养桶、收集管、树脂柱均设于营养液罐上方。

实施例2：芹菜根系分泌物的收集

在植物培养桶2内铺一层网格孔径为0.5mm的粗尼龙过滤网7，在过滤网上铺一层厚度为5cm的细砂过滤层6，细砂粒径为1mm，在细砂过滤层上装填20cm厚的固体培养基质层5(石英砂)，并将渗液管埋于其中，在基质层上铺一块均匀布有孔径为1.5cm定植孔的玻璃棉板4，并在其上铺一层厚度为2cm的陶粒层3。将待测植物1(芹菜幼苗)定植于上述培植桶中，关闭植物培养桶底部中心孔和排水孔阀门，加入营养液至石英砂培养基质层饱和，并维持该状态7 天；之后接通不接树脂柱的收集管，开启蠕动泵，调节营养液的循环流量为1ml/min，在此运行参数下继续预培养芹菜3周。待芹菜进入旺盛生长期时，开始收集其根系分泌物，此时，关闭不接树脂柱的收集管，打开安装树脂柱的收集管，所装树脂柱由上到下依次为高度20cm的NKA-9极性大孔树脂柱和高度18cm的Amberlite XAD-4非极性大孔树脂柱，树脂柱直径均为2.5cm，同时，在树脂柱外围安装填充冰袋的橡塑海绵保温罩。在营养液的循环流量为1ml/min的条件下，收集芹菜根系分泌物5天，之后关闭蠕动泵，取下极性和非极性树脂柱，分别用去离子水和甲醇淋洗极性和非极性树脂，洗脱液过0.22μm滤膜后冷冻干燥，得到极性和非极性的芹菜根系分泌物组分。收集装置各部件、培植箱填充介质、吸附树脂、营养液及植物幼苗在使用前均进行洗净、灭菌处理。

实施例3：大豆根系分泌物的收集

在植物培养桶内铺一层网格孔径为0.3mm的粗尼龙过滤网，在过滤网上铺一层厚度为3cm的细砂过滤层，细砂粒径为0.5mm，在细砂过滤层上装填30cm厚的蛭石培养基质层，并将渗液管埋于其中，在基质层上铺一块均匀布有孔径为2cm定植孔的玻璃棉板，并在其上铺一层厚度为5cm的陶粒层。将大豆幼苗定植于上述培植桶中，关闭桶底部中心孔和排水孔阀门，加入营养液至蛭石培养基质层饱和，并维持该状态5天，之后接通不接树脂柱的收集管，开启蠕动泵，调节营养液的循环流量为0.5ml/min，在此运行参数下继续预培养大豆4周。待大豆进入出枝期时，开始收集其根系分泌物，此时，关闭不接树脂柱的收集管，打开安装树脂柱的收集管，所装树脂柱由上到下依次为高度15cm的ADS-21极性大孔树脂柱和高度10cm的Amberlite XAD-16HP非极性大孔树脂柱，树脂柱直径均为4cm，同时，在树脂柱外围安装填充冰袋的橡塑海绵保温罩。在营养液的循环流量为0.5ml/min的条件下，收集大豆根系分泌物7天，之后关闭蠕动泵，取下极性和非极性树脂柱，分别用去离子水和甲醇淋洗极性和非极性树脂，洗脱液过0.22μm滤膜后冷冻干燥，得到极性和非极性的大豆根系分泌物组分。收集装置各部件、培植箱填充介质、吸附树脂、营养液及植物幼苗在使用前均进行洗净、灭菌处理。

实施例4：紫花苜蓿根系分泌物的收集

在植物培养桶内铺一层网格孔径为0.2mm的粗尼龙过滤网，在过滤网上铺一层厚度为7cm的细砂过滤层，细砂粒径为1.5mm，在细砂过滤层上装填40cm厚的砂土培养基质层，并将渗液管埋于其中，在基质层上铺一块均匀布有孔径为3cm定植孔的玻璃棉板，并在其上铺一层厚度为3cm的陶粒层。将紫花苜蓿幼苗定植于上述培植桶中，关闭桶底部中心孔和排水孔阀门，加入营养液至蛭石培养基质层饱和，并维持该状态7天，之后接通不接树脂柱的收集管，开启蠕动泵，调节营养液的循环流量为1.5ml/min，在此运行参数下继续预培养大豆6周。待紫花苜蓿进入初花期时，开始收集其根系分泌物，此时，关闭不接树脂柱的收集管，打开安装树脂柱的收集管，所装树脂柱由上到下依次为高度10cm的ADS-F8极性大孔树脂柱和高度20cm的D101非极性大孔树脂柱，树脂柱直径均为2cm，同时，在树脂柱外围安装填充冰袋的橡塑海绵保温罩。在营养液的循环流量为1.5ml/min的条件下，收集大豆根系分泌物9天，之后关闭蠕动泵，取下极性和非极性树脂柱，分别用去离子水和甲醇淋洗极性和非极性树脂，洗脱液过0.22μm滤膜后冷冻干燥，得到极性和非极性的紫花苜蓿根系分泌物组分。收集装置各部件、培植箱填充介质、吸附树脂、营养液及植物幼苗在使用前均进行洗净、灭菌处理。