一种测定植物叶片最大韧度的方法与流程

本发明属于抗旱育种、作物栽培和农作物信息检测技术领域，具体涉及一种测定植物叶片最大韧度的方法。

背景技术

水是植物体的重要组成成分，一般植物含水量占鲜重的75％-90％，水生植物含水量可达95％，树干、休眠芽约占40％，风干种子约占10％。植物细胞含有大量的水分，产生膨压，维持细胞的紧张度，使植物枝叶挺立、花朵开放，膨压对于气孔和植物其他结构的运动以及细胞的分裂生长也很重要。植物的生长发育经常受到各种生物和非生物胁迫的影响，干旱是最重要的非生物胁迫之一。研究植物生理抗旱性机制，开发各种植物耐旱性的快速检测技术，采取各种抗旱措施，寻找更能适应日趋干旱的环境的品种，可以有效抵御干旱，提高植物的成活率，改善生态环境，遏制荒漠化，对促进中国的经济和生态建设同步发展有着重要意义。

叶片是植物对干旱等逆境条件反应最为灵敏的器官，也是判断一个植物品种抗旱程度最明显的指标之一。叶小而厚，表皮密生被毛，栅栏组织发达，栅栏组织/海绵组织厚度比大，细胞壁、角质层及上皮层厚，叶肉细胞小而排列紧密等都是抗旱性强的标志。细胞壁是位于细胞膜外的一层较厚、较坚韧并略具弹性的结构。细胞壁具有很高的机械强度，提高了细胞对外界机械伤害的抵抗力，对植物细胞起重要的保护作用。植物可以通过提高渗透调节能力和增强细胞壁弹性来维持组织膨压，增强植物的抗干旱能力。

细胞壁韧性越高，维持组织膨压的能力就越强，通过力学指标测定植物叶片的韧度，能够反映细胞壁的抗破裂能力，表征植物抗旱性。与生理、生化及形态指标相比，力学指标相对简单、快速、可靠，而且实验周期短，对实验条件的要求低，观察起来容易，所以能够作为一个重要的抗旱性指标。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，提供一种测定植物叶片最大韧度的方法，可以通过力学指标准确检测植物叶片的水分变化状况，简便快捷，为节水灌溉技术提供科学支撑。

本发明采用的技术方案具有以下步骤：

步骤一，取带有叶片的待测植物的新鲜枝条，并采取措施减缓水分散发；

步骤二，清理叶片，采摘长势较为一致的叶片若干片，放入水中浸泡；

步骤三，待叶片成饱水状态，取出浸泡后的饱水叶片，处理后让其干燥失水，在叶片干燥失水后的第t小时，利用质构仪测量该干燥失水叶片的内力f变化曲线；内力f变化曲线为叶片内力f随质构仪探头下压叶片时间变化而变化的曲线，同时需保证质构仪探头下压的压力足够大，能将叶片压碎；

步骤四，利用两参数指数增长方程分别对各失水时刻下叶片内力f变化曲线的指数增长部分进行拟合，计算不同失水时刻下叶片内力f的增长系数b1；其中叶片内力f变化曲线的指数增长部分方程为：其中a1为模型常数，b1为增长系数，x1为质构仪探头下压叶片的时间；指数增长部分为叶片内力f变化曲线中首次峰值前呈指数上升的曲线部分；

步骤五，增长系数b1可表征叶片内力增长速率，叶片内力增长速率与叶片韧度ld呈负相关关系，依据不同失水时刻下叶片内力f的增长系数b1，求其倒数，即可获得不同失水时刻的植物叶片韧度ld，即ld＝1/b1；

步骤六，利用两参数指数衰减方程构建叶片韧度ld与水分胁迫水平模型其中a2为模型常数，b2为衰减系数，x2为水分胁迫水平，以失水时间表示；

步骤七，依据叶片韧度ld与水分胁迫水平模型获取植物叶片最大韧度ldmax：将x2＝0代入中，求出ld的值，此时ld＝a2；即a2为植物叶片最大韧度ldmax。

本发明的有益效果如下：

1)本方法利用质构仪测量叶片的内力变化曲线，结果不受测定的温度、湿度、光照等环境因子的限制，结果精确、可靠性高。

2)本方法利用能够表征水分胁迫对植物生长状况抑制作用的两参数指数衰减模型对叶片韧度的变化进行曲线拟合，基于植物叶片内力变化曲线的测定，获取植物叶片的内力变化速率，计算不同干旱胁迫下的叶片韧度，比较不同植物间的叶片最大韧度，来判断植物的抗干旱能力，能够更好地将叶片韧度的变化与植物的抗旱性联系起来，更好地反映植物对干旱环境的适应性。

3)本方法获取的植物叶片最大韧度可以直接用来比较不同植物的抗干旱能力。

附图说明

图1为失水0时刻构树叶片的内力f变化曲线图；

图2为利用两参数指数增长方程拟合的失水0时刻下构树叶片内力变化曲线的指数增长部分图；

图3为利用两参数指数衰减方程构建构树叶片韧度ld与水分胁迫水平的模型图；

图4为失水0时刻桑树叶片的内力f变化曲线图；

图5为利用两参数指数增长方程拟合的失水0时刻下桑树叶片内力变化曲线的指数增长部分图；

图6为利用两参数指数衰减方程构建桑树叶片韧度ld与水分胁迫水平的模型图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明的基本原理为：

植物叶片由细胞构成，构成细胞的细胞壁是一个弹性膜，具有黏弹的特性。因此，植物细胞整体上可被视为黏弹性体，对叶片施加一定外力，为抵抗这种外力对其本身的影响，细胞会产生形变而形成内力。随着外力对叶片的持续压迫，叶片内力逐渐增加，当内力增加到一定程度后，在达到叶片极限内力前，其变化呈指数增长趋势，可通过两参数的指数增长方程对该段曲线进行拟合。

内力f变化曲线的指数方程为：

其中，e是自然对数常数，a1为模型常数，b1为增长系数，x1为质构仪探头下压叶片的时间；韧度指物体抗压入等的能力，也可叫做抗破裂的能力。增长系数b1可表征叶片内力增长速率，叶片内力增长速率越慢，达到极限内力所需时间越长，表明叶片抗破裂能力越强，其韧度越高。叶片内力增长速率与叶片韧度ld呈负相关关系，因此，可用1/b1表征叶片韧度ld的大小，即ld＝1/b1。

植物体内各项生命活动的进行离不开水，植物细胞含有大量的水分，产生膨压，促进植物生长，植物可以通过增强细胞壁弹性来维持组织膨压，细胞壁韧性越高，植物维持组织膨压的能力就越强，抗旱性就越强。干旱胁迫能够抑制植物光合作用的正常进行，不利于蔗糖的合成，降低了纤维素的累积，纤维素是植物细胞壁的主要成分，细胞壁的韧性受纤维素合成变化的影响。因此，叶片韧度在一定程度上可以反映纤维素合成的变化，表征植物的生长状况。环境胁迫因子对植物生长状况的抑制指数通常利用两参数指数衰减方程计算获得。因此，叶片韧度与水分胁迫水平之间的关系可通过两参数指数衰减方程进行拟合，水分胁迫水平则可以通过叶片失水时间来表征。

利用两参数的指数衰减方程构建叶片韧度ld与水分胁迫水平模型：

其中a2、b2是方程的常数，x2为水分胁迫水平，以失水时间表示，单位为h。

当叶片处于饱水状态时，细胞具有较高的韧性，叶片韧度最大；因此将x2＝0代入中，求出ld的值，即为植物最大叶片韧度ldmax；通过比较不同植物的最大叶片韧度ldmax，即可定量判断植物抗干旱能力的大小。

本发明的具体实施过程如下：

步骤一，取带有叶片的待测植物的新鲜枝条，并用湿布包住植株枝干基部，以减缓水分散发。

步骤二，迅速返回实验室，清理所述叶片表面灰尘后，采摘所述新鲜枝条上长势较为一致的叶片10片，放入装有水的容器中浸泡30分钟。

步骤三，待叶片浸泡30分钟后，成饱水状态，取出浸泡后的饱水叶片10片，用纸巾将所有叶片表面水分快速轻轻吸干，放置在干燥通风的桌面上让其干燥失水，在叶片干燥失水后的第0、1、2、3、4、5小时，分别取出1片上述干燥失水叶片，用质构仪测量该干燥失水叶片的内力f变化曲线；内力f变化曲线为叶片内力f随质构仪探头下压叶片时间变化而变化的曲线，同时需保证质构仪探头下压的压力足够大，能将叶片压碎。

步骤四，利用两参数指数增长方程分别对各失水时刻下叶片内力f变化曲线的指数增长部分进行拟合，计算不同失水时刻下叶片内力f的增长系数b1，其中，叶片内力f变化曲线的指数增长部分方程为：a1为模型常数，b1为增长系数，x1为质构仪探头下压叶片的时间；指数增长部分为叶片内力f变化曲线中首次峰值前呈指数上升的曲线部分。

步骤五，依据不同失水时刻下叶片内力f的增长系数b1，求其倒数1/b1，即可获得不同失水时刻的植物叶片韧度ld，其中ld＝1/b1；增长系数b1可表征叶片内力增长速率，叶片内力增长速率与叶片韧度ld呈负相关关系，因此，可用1/b1表征叶片韧度ld的大小，即ld＝1/b1。

步骤六，利用两参数指数衰减方程构建叶片韧度ld与水分胁迫水平模型a2为模型常数，b2为衰减系数，x2为水分胁迫水平，以失水时间表示；

步骤七，依据叶片韧度ld与水分胁迫水平模型获取植物叶片最大韧度ldmax，即将x2＝0代入中，求出ld的值，此时ld＝a2；即a2为植物叶片最大韧度ldmax。

上述步骤的具体实施过程如下：

实施例1：

取带有叶片的待测构树的新鲜枝条，并用湿布包住植株枝干基部，以减缓水分散发；迅速返回实验室，清理所述叶片表面灰尘后，采摘所述新鲜枝条上长势较为一致的叶片10片，放入装有水的容器中浸泡30分钟；待叶片浸泡30分钟后，成饱水状态，取出浸泡后的饱水叶片10片，用纸巾将所有叶片表面水分快速轻轻吸干，放置在干燥通风的桌面上让其干燥失水，在叶片干燥失水后的第0、1、2、3、4、5小时，分别取出1片上述干燥失水叶片，用英国smsta.xtplus质构仪测量该干燥失水叶片的内力f变化曲线；其中，失水0时刻构树叶片的内力f变化曲线见图1。

各失水时刻下构树叶片内力f随质构仪探头下压时间变化曲线的指数增长部分(叶片内力f变化曲线中首次峰值前呈指数上升的曲线部分，图2)的拟合均采用两参数指数增长方程拟合结果为：其中a1为模型常数(表1)，b1为增长系数，x1为质构仪探头下压叶片的时间(图1中的横坐标，0.1秒为单位)，以失水0时刻构树叶片的内力f(图1中的纵坐标)变化曲线为例，拟合曲线见图1。

通过上述拟合，即可获得各失水时刻下构树叶片内力f的增长系数b1，见表1。

表1不同失水时刻下构树叶片内力f的增长系数b1

依据不同失水时刻下叶片内力f的增长系数b1，求其倒数1/b1(见表1)，即可获得不同失水时刻的植物叶片韧度ld(见表1)，其中ld＝1/b1。

叶片韧度ld与水分胁迫水平之间关系的拟合采用两参数指数衰减方程，具体为：其中a2为模型常数，b2为衰减系数，x2为水分胁迫水平，拟合曲线见图3。

通过拟合，获得模型参数分别为：a2＝0.9837，b2＝0.1607，r²＝0.9933；将x2＝0代入中，可得ld＝a2＝0.9837；即植物叶片最大韧度ldmax为0.9837。

实施例2：

以桑树为例，所有步骤同实施例1，其中，失水0时刻桑树叶片的内力f变化曲线见图4，以失水0时刻桑树叶片的内力f变化曲线为例，拟合曲线见图5。

通过两参数指数增长方程的拟合，即可获得各失水时刻下桑树叶片内力f的增长系数b1，见表2。

表2不同失水时刻下桑树叶片内力f的增长系数b1

叶片韧度ld与水分胁迫水平之间关系的拟合采用两参数指数衰减方程其中a2为模型常数，b2为衰减系数，x2为水分胁迫水平，拟合曲线见图6。

通过拟合，获得模型参数分别为：a2＝0.6727，b2＝0.0833，r²＝0.9880；将x2＝0代入中，可得ld＝a2＝0.6727；即植物叶片最大韧度ldmax为0.6727。

本发明的实施效果如下：

从图3、6可以看出，植物叶片韧度ld与水分胁迫水平之间具有良好的相关关系，从决定系数的平方值(r²)来看，叶片韧度ld与水分逆境关系可更好地用两参数的指数衰减方程来拟合。由两参数的指数衰减方程对构树和桑树叶片韧度ld与水分胁迫水平之间的关系进行拟合，可分别获得构树和桑树的模型常数a2和b2，即可获得两种植物的最大叶片韧度ldmax＝a2，根据上述拟合结果可知，构树的最大叶片韧度(ldmax＝0.9837)大于桑树(ldmax＝0.6727)，表明构树叶片的抗破裂能力高于桑树，构树比桑树更为抗旱，这与实际情况相符，也说明最大叶片韧度ldmax可以表征植物抗旱性。

以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明保护。