一种果实水力导度和生物机械参数的测量方法及装置

本发明涉及植物分析相关，具体为一种果实水力导度和生物机械参数的测量方法及装置。

背景技术：

1、果实生长发育中经历细胞分裂和细胞膨大过程，其中果实体积的快速生长主要来源于果实细胞的膨大，细胞的膨大决定着果实生长的最终体积，也是限制果实产量的重要因子。果实细胞的膨大是由于水分输入产生的膨压驱动的，其中一部分是由于膨压变化引起的弹性变形，另一部分是膨压超过临界点压力后产生的塑性变形。因此果实的膨大生长受到影响果实水分传输的水力导度以及影响细胞弹塑性变形的生物机械参数如体积弹性模量、细胞壁延展系数、临界点膨压等影响。为了深入理解果实细胞膨大的生理机制及其对不同生境要素变化的响应规律，有必要开发一种果实水力导度及生物机械参数的测量方法。

2、目前还没有一种方法能够量化果实的水力阻力和生物机械参数，因此，有必要开发一种测量果实水力阻力和生物机械参数的方法及装置，能够快速、精准测量果实水力阻力和生物机械参数。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种果实水力导度和生物机械参数的测量方法及装置，以解决上述背景技术中提出不便于快速、精准测量果实水力阻力和生物机械参数的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种果实水力导度和生物机械参数的测量方法及装置；

3、所述测量方法包括以下步骤：

4、第1步：取样；

5、取样时间在早上7:00-8:00之间进行，将果实从植株上用剪刀带果柄剪下来，挑选果柄长度为3-5cm，果实离体后马上装进带有湿巾的自封袋密封起来，然后立即放进装有冰袋的保温盒中，防止果实蒸腾；

6、第2步：用压力室测量初始果水势ψf0；

7、取样完成后马上带回实验室用压力室测量初始果水势ψf0，在3分钟内完成测量；

8、第3步：做果实吸水实验；

9、测完果实水势后，用游标卡尺量取果实的横纵径，并用分析天平称果实带柄鲜重，记为fw，随后通过果实吸水实验装置开始做果实吸水试验；

10、第4步：测果实的压力-容积曲线(p-v曲线)；

11、第5步：测果柄+花萼的水力阻力以及果柄的水力阻力，分别记为rc和rs；

12、将做完p-v曲线试验的果实用刀片在去气离子水中切除果实部分，用2m重力水头法测量果柄+花萼的水力阻力；

13、第6步：数据处理；

14、数据处理包括如下内容：

15、果实+果柄+花萼的水力导度lp计算；

16、果柄+花萼以及果柄的水力导度计算；

17、花萼和果实部分的水力导度lr和lf计算；

18、果实膨压与弹性模量ε计算；

19、果实细胞壁展延系数φ和临界点压力势ψy计算。

20、一种果实吸水实验装置，所述果实吸水实验装置包括保证100％湿度的组件和供果实吸水的组件；

21、所述100％湿度的组件包括加湿器、温湿度传感器、带盖塑料箱、盛放架、毛巾和湿纸巾，所述盛放架放在塑料箱的底部，所述加湿器、温湿度传感器放在盛放架上面，所述湿纸巾贴在塑料箱的内部，所述湿毛巾将塑料箱的顶部全部盖住；

22、所述供果实吸水的组件包括离心管和经过负压脱气处理的去离子水，所述离心管放在盛放架上面，所述去离子水装在离心管中。

23、优选的，所述果实吸水实验具体操作步骤如下：

24、a1.提前准备好吸水装置，让吸水环境湿度达到100％；

25、a2.在果柄周围包裹止水胶带保证果实只从果柄切面吸水，在经过负压除气的去离子水中用刀片快速修剪待测果实果柄，修剪完成后迅速用吸水纸擦干水分用分析天平称重计数，随后迅速与供果实吸水的组件连接；

26、a3.每隔一段时间将吸水果实取出称重并测量果实水势，每次称重前用吸水纸将果实水分擦干，称重完成后将果实放进吸水装置的盛放架上平衡5分钟，平衡完成后用压力室测果水势，在3分钟内测完；

27、吸水试验全程在25℃恒温的实验室环境中进行。

28、优选的，所述p-v曲线测量具体操作步骤如下：

29、b1.准备16个12ml的玻璃样品瓶，并装入棉花用于吸水，用分析天平称瓶子带棉花的初始重量；

30、b2.压力室内腔放上湿纸巾(6)，保持室腔高湿度，防止果实蒸腾失水；

31、b3.取做完吸水试验的果实与压力室连接，按压力梯度进行加压。加压过程中，稳定某个压力，将瓶子倒扣在果柄上吸取压出的水，直到果实在这个压力下果柄不出水，将瓶子马上取下来用瓶盖盖好，用分析天平称重，然后加压至另一个压力重复上述操作；

32、全程操作在25℃的恒温实验室条件下进行。

33、优选的，所述2m重力水头法测量流程具体如下：

34、c1.保留果柄和花萼与重力水头组件连接，自动计数组件自动记录30分钟内通过果柄和花萼的冲洗流速f1；

35、c2.随后在除气去离子水中切除花萼部分，保留果柄与重力水头组件连接，自动计数组件自动记录30分钟内通过果柄的冲洗流速f2；

36、c3.做完果柄的水力导度实验后，将果实、果柄和花萼烘干得到干重，记为dw。

37、优选的，所述果实+果柄+花萼的水力导度lp计算如下：

38、在果实吸水过程中，果实增大的体积等于吸收的水量，即：

39、dv/dt＝lp*a*(0-ψf)

40、则lp＝-dv/dt/(a*ψf)

41、其中：

42、ψf——果实水势，bar；

43、a——果实的表面积，cm2；

44、lp——果柄+花萼+果实的水力导度，cm3/(cm2.min.bar)；

45、dv/dt——果实体积变化率，cm3/min，由于水的密度为1g/cm3,所以dv/dt在数值上等于果实重量变化率，dw/dt,g/min。

46、优选的，所述果柄+花萼以及果柄的水力导度计算如下：

47、假设果柄+花萼以及果柄的水力导度分别为lc、ls；

48、通过下面公式计算lc和ls:

49、lc＝f1/δp/a

50、ls＝f2/δp/a

51、其中：

52、lc——果柄+花萼水力导度，cm3/(cm2.min.bar)；

53、ls——果柄的水力导度，cm3/(cm2.min.bar)；

54、δp——2米水头对应的水势差，即0.2bar

55、优选的，所述花萼和果实部分的水力导度lr和lf计算如下：

56、lr＝1/(1/lc-1/ls)

57、lf＝1/(1/lp-1/lc)

58、优选的，所述果实膨压与弹性模量ε计算如下：

59、将充分饱和的果实安置在压力室中，逐渐增加平衡压，果实组织中的水分逐渐被压出来，收集并称量被压出的水分，将平衡压的倒数与累积压出的水量作图，称为p-v曲线图。p-v曲线分为曲线段和直线段两部分，曲线段与直线度交汇点b称为膨压散失点，此时膨压为零，水势等于渗透势。ab曲线段上果实水势由渗透势和压力势组成，膨压大于零，为渗透压和平衡压之差。bc直线段上果实水势只由渗透势组成，果实的膨压为零，将bc直线延长与纵坐标轴相交，交点h的纵坐标值为果实充分饱和时渗透势负值的倒数。

60、将果实吸水时间t＝0时的果实水势负值的倒数p0＝-1/ψf0带入上述p-v曲线中的ab段曲线方程，得到其对应压出汁液的体积△v0，将△v0代入直线bc方程，得到其对应的平衡压倒数p0’，求得初始的果实渗透势ψπ0＝-1/p0’，从而得到初始的果实压力势ψp0＝ψf0-ψπ0。将果实吸水时间t＝0.5时的总水势倒数负值p1＝-1/ψf1带入上述p-v曲线方程的ab段曲线方程，得到其对应压出汁液的体积△v1，将△v1代入直线bc方程，得到其对应的平衡压倒数p1’，求得吸水时间t＝1对应的果实渗透势ψπ1＝-1/p1’，对应的果实压力势ψp1＝ψπ1-ψf1，依次类推求得吸水过程中其它时间点果实的压力势。

61、在膨压散失之前果实整体的体积弹性模量(ε)可通过下面公式计算：

62、ε＝dψp/(dv/v)

63、其中：

64、ε——果实体积弹性模量，(bar.cm3)/cm3；

65、dψp——果实压力势变化量，bar；

66、dv/v——果实水量相对变化量，cm3/cm3。

67、优选的，所述果实细胞壁展延系数φ和临界点压力势ψy计算如下：

68、果实吸水过程中产生的体积膨大来源于两个部分，一部分是由于膨压变化引起的弹性变形，另一部分是膨压超过临界点压力后产生的塑性变形，即

69、dv/dt＝v/ε*dψp/dt+φ.v(ψp-ψy)

70、式中v/ε*dψp/dt是由于膨压变化引起的弹性变形，φ.v(ψp-ψy)是膨压超过临界点压力后产生的塑性变形。通过p-v曲线估算得到的果实吸水过程中的膨压及体积弹性模量，计算可以得到由于膨压变化引起的弹性变形v/ε*dψp/dt，从而得到吸水过程中的果实塑性变形(dv/dt-v/ε*dψp/dt)。整理式子可得到：

71、(dv/dt-v/ε*dψp/dt)/v＝φ(ψp-ψy)

72、即吸水过程中果实相对塑性变形与果实膨压成线性关系，直线斜率为果实细胞延展系数φ，截距为延展系数与临界膨压的乘积φψy。因此，通过上述计算得到的吸水过程中果实相对塑性变形与果实膨压做线性回归，求得果实细胞壁延展系数和临界点膨压。

73、与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过果实吸水实验装置配合进行果实吸水试验，结合压力室测果水势，进一步测绘果实p-v曲线图，方便得出影响果实水分传输的水力导度以及影响细胞弹塑性变形的生物机械参数如体积弹性模量、细胞壁延展系数、临界点膨压等影响因素，便于研究果实的膨大生长，有助于深入理解果实细胞膨大的生理机制及其对不同生境要素变化的响应规律。