用于在近自然状态下培养与观测拟南芥生长的装置

摘要

用于在近自然状态下培养与观测拟南芥生长的装置，培养箱体和观察箱体活动连接；所述培养箱体包括培养管托架、培养基托架和培养基盖板，所述培养管托架设于培养箱体的上部，将培养基箱体分为地上部生长区和根系生长区，培养管托架上设有至少一个培养管托槽，培养基托架设于根系生长区内，培养基盖板设于根系生长区内，其板面与灌注培养基时的培养管托槽底部相切；所述观察箱体包括通气孔、滤光层和遮光板，滤光层设于观察箱体的侧壁，遮光板覆盖于滤光层上，并与观察箱体活动连接，通气孔设于观察箱体上。本装置可以使拟南芥的地上部照光而根系生长在特定波长光下或完全黑暗环境中且无蔗糖添加，符合植物的自然生长环境。

说明书

技术领域

本申请属于模式植物拟南芥的培育技术领域，特别涉及一种用于在近自然状态下培养与 观测拟南芥生长的装置。

背景技术

拟南芥已成为植物科学领域的模式植物之一，植物研究者不仅能从拟南芥上挖掘出有价 值的基因资源，还能以拟南芥的遗传转化体系来研究其它植物的基因功能。尽管可以用蛭石 或泥炭等人工介质来培养拟南芥植株，但是不能实时观测分析根系生长情况等，因此，一直 以来植物研究者用琼脂生长板来培养拟南芥植物，此方法操作简单，易于观察植物的生长， 许多有价值的拟南芥突变体都是使用此方法筛选和鉴定出来的。然而，在这种拟南芥琼脂生 长板的培养体系下（传统培养装置），植物的地上部与根系均照光，根系还生长在外源蔗糖添 加的环境，这与植物自然的生长环境相异较大。众所周知，在自然的生长环境下，植物的地 上部照光而根系生长于黑暗的环境中且无外源蔗糖添加。那么，使用传统培养装置研究拟南 芥的生理与遗传机制会给植物研究者带来不可靠的研究结果。

发明内容

解决的技术问题：针对上述技术缺陷，本申请提供一种用于在近自然状态下培养与实时 观测拟南芥生长的装置，该装置能使拟南芥的地上部照光而根系生长于黑暗的环境中且无外 源蔗糖添加，并保持了“传统装置”易于操作的特点。新装置给予植物较接近自然的生长环 境，避免研究过程中“不严谨结果”的产生，使植物研究者能得出“较本真的结论”。

技术方案：用于在近自然状态下培养与实时观测拟南芥生长的装置，包括培养箱体、观 察箱体和培养管，培养箱体和观察箱体活动连接；所述培养箱体包括培养管托架、培养基托 架和培养基盖板，所述培养管托架设于培养箱体的上部，将培养箱体分为地上部生长区和根 系生长区，培养管托架上设有至少一个培养管托槽，培养基托架设于根系生长区内，与培养 箱体内壁贴合，培养基盖板设于根系生长区内，其板面与灌注培养基时的培养管托槽底部相 切；所述观察箱体包括通气孔、滤光层和遮光板，滤光层设于观察箱体的侧壁，遮光板覆盖 于滤光层上，并与观察箱体活动连接，通气孔设于观察箱体上。

所述培养基托架上设有用于将其从根系生长区内移出的受力装置。

所述培养基盖板上设有至少一个通孔。

所述观察箱体侧壁上设有供遮光板滑动的滑槽。

还包括增氧泵，所述通气孔与增氧泵连接。

培养管为上粗下细的倒圆台贯通结构，上沿管口设有防止培养管转动的固定装置，下沿 管口与培养基盖板相切，所述固定装置为凸起结构。

所述培养管托槽设有与培养管固定装置配合的限位装置，所述限位装置为凹槽。

所述滤光层为绿色滤光片，绿色滤光片能仅仅让可见光的绿光进入，这是因为绿光对根 系生长无影响，红光和蓝光对根系生长有影响，在绿光下观察根系，可以避免红光和蓝光对 根系的影响，因此使根系观测更精确。

有益效果：与传统装置相比，本申请装置可以使拟南芥的地上部照光而根系生长在特定 波长光（绿光）下或完全黑暗环境中且无蔗糖添加，较符合植物的自然生长环境（图1）。本 申请装置可与增氧泵联用，可以根据所培养的植物生长要求实时调节培养条件，培养箱盖板 上设有的坐标系可以方便实验者观测根系的生长细节，准确定位每个培养箱盖板上的种苗， 箱体由两种透光性能的材料组成，需要与箱体连接的设备均可以通过下层的不透光材料进行 连接，避免了接口处漏光对植物根系生长造成的不良影响，透光材料部分可以方便实验者观 察植物根系的生长，从而判断植物的长势，透光材料部分还附加有遮光板，遮光板有自己独 立滑槽，当实验人员观察完毕后，可以还原根系生长所需的黑暗环境，尽可能的减少光对植 物的影响。我们进一步比较了拟南芥在这两种培养装置下的生长与响应变化，研究结果表明： 和传统的装置相比，本申请装置能自然真实地反映拟南芥的地上部与根系的生长（表1）；本 申请装置能自然真实地反映根系对重力的响应（图3）；本申请装置能自然真实地反映根尖生 长素的极性分布(图4)。同时，该装置在使用完毕后，清理更加方便，培养基托架无间隙贴合 于培养箱体内壁，培养基可灌注在托架内，因此可以通过培养基托架将使用过的培养基整体 清除。此外，通过培养基盖板与培养管托槽底部相切，以及培养管为上粗下细的贯通结构， 保证了拟南芥根系生长到培养基界面时，能与培养基更自然的贴合，也解决了每次实验时灌 注培养基的使用量问题，通过培养基盖板上的一个通孔注入培养基，另一个通孔排气，保证 了顺利灌胶，且完全排除气泡保证培养基表面平整。

附图说明

图1为用于在近自然状态下培养与观测拟南芥生长的装置的结构示意图；

图2为培养管结构示意图；

图中培养箱体1、观察箱体2、培养管托架3、培养管托槽4、培养基托架5、培养基盖 板6、通孔7、通气孔8、滤光层9、遮光板10、滑槽11、固定装置12；

图3为两种装置下拟南芥根系对重力的响应图。备注：TPG，传统培养装置；IPG，本申 请装置；Ws,拟南芥野生型；agr1-2,向重性部分丢失的拟南芥突变体；

图4为两种装置下拟南芥根尖生长素的分布图。备注：TPG，传统培养装置；IPG，本申 请装置；生长素的分布用其绿色荧光报告蛋白DR5：GFP指示。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于对本发明进 行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域技术人员可以想到的其他替代手段，均在 本发明权利要求范围内。

实施例1：

用于在近自然状态下培养与观测拟南芥生长的装置，包括培养箱体1、观察箱体2和培 养管，培养箱体1和观察箱体2活动连接；所述培养箱体1包括培养管托架3、培养基托架5 和培养基盖板6，所述培养管托架3设于培养箱体的上部，将培养箱体分为地上部生长区和 根系生长区，培养管托架上设有至少一个培养管托槽4，培养基托架5设于根系生长区内， 培养基盖板6设于根系生长区内，其板面与灌注培养基时的培养管托槽4底部相切；所述观 察箱体2包括通气孔8、滤光层9和遮光板10，滤光层9设于观察箱体2的侧壁，遮光板10 覆盖于滤光层上，并与观察箱体活动连接，通气孔8设于观察箱体2上。所述培养基托架5 上设有用于将其从根系生长区内移出的受力装置。所述培养基盖板上设有一对通孔7，向其 中一个通孔内注入培养基时，另一个通孔用于排气。所述观察箱体2侧壁上设有供遮光板10 滑动的滑槽11。还包括增氧泵，所述通气孔8与增氧泵连接。培养管为上粗下细的贯通结构， 上沿管口设有防止培养管转动的固定装置12，下沿管口与培养基盖板相切。培养管托槽4设 有与培养管固定装置配合的限位装置。所述固定装置为凸起结构。所述限位装置为凹槽。所 述滤光层9为绿色滤光片，绿色滤光片能仅仅让可见光的绿光进入，这是因为绿光对根系生 长无影响，红光和蓝光对根系生长有影响，在绿光下观察根系，可以避免红光和蓝光对根系 的影响，因此使根系观测更精确。

传统的拟南芥装置缺点是根系见光且系统密闭，这样使空气中的CO₂进不去，拟南芥不 能进行以CO₂为底料的光合作用，所以板上添加了1%wt-3%wt的蔗糖，以补充植物对碳水化 合物所需，不符合植物的自然生长状态（根系见光且生长于蔗糖添加的环境，地上部不能进 行正常的光合作用）。因此，我们设计了在近自然状态下培养与观测拟南芥生长的新装置。新 装置培养箱体1尺寸是(12.5×3.5×12.5cm，L×W×H)，培养箱体1的培养管托槽内用于放置培 养管，此培养管可装溶解的琼脂胶，待琼脂胶凝固和冷却后可将拟南芥种子播于培养管上， 拟南芥种子可在装有琼脂胶的培养管上生长，其根系能通过琼脂胶穿过培养管，培养箱体1 内也装了些琼脂胶，待其凝固后，与培养管底部水平相切，那么从培养管伸出的拟南芥根正 好也能贴着培养箱体1中凝固后的琼脂胶生长；如图1所示，培养箱体1和观察箱体2一样 大小，两者可合成一个整体，观察箱体侧面的通气孔可与增氧泵联用，观察箱体上设有坐标 系和带有独立滑槽的遮光板，增氧泵可不断向培养箱中充氧，这样可以使拟南芥根系生长环 境氧气充足以维持生长所需，当需要监测拟南芥根系生长时，拉开遮光板就可以直接观察拟 南芥的根系生长情况并根据坐标系上的刻度读出根系的长度，遮光板之后的绿色滤光片能仅 仅让绿光进入，绿光不会影响根系生长，那么我们可在观察根系的同时，避免可见光中的红 光和蓝光对根系的影响，让我们的观测更准确。因此，通过这样的设计，新装置可使拟南芥 根系生长于黑暗环境（观测时处于绿光环境）而无蔗糖添加，另外地上部生长于开放的空气 中，可以空气中的CO₂为底料进行正常的光合作用。

新装置可在近自然状态下培养与实时观测拟南芥生长中的应用，具体方法为：将加热融 解的含有0.6%琼脂（w/v，g/mL）的MS培养基灌入培养管和培养箱体1，通过培养基盖板6 保证装置内的培养基凝固后与培养管托槽底部相切，待冷却后将培养管放入培养箱体1的培 养管托槽内，然后将观察箱体2与培养箱体1合成一个整体;然后，将拟南芥种子播于培养 管表面；出苗后，具有绿叶的拟南芥地上部生长于开放的空气中（可进行正常的光合作用）, 从小管伸出的拟南芥的根系正好也能贴着培养箱体1中凝固后的琼脂胶生长（生长与黑暗的 环境中且无蔗糖添加），在观测期间滤光层可以在完全自然光照射下仅仅让绿光进入，不干扰 根系的生长发育，方便实验者观察，同时，也可以使用遮光板保证其拟南芥在完全黑暗的情 况下生长，需要观察时，拉开遮光板，监测拟南芥根系长度，以判断拟南芥的生长情况，并 开通增氧泵调控培养箱中的氧气含量。试验完成后，可以通过培养基托架将使用过的培养基 整体清除，方便后续清理使用。

实施例2：

采用实施例1的装置进行如下试验

植物生长分析

植物于取样后立即测量，干重、总根长、侧根长、主根向重性的弯曲角度和基于绿色荧 光蛋白（GFP）的激光共聚焦测定方法见我们发表的文章（Xu and Shi,Plant and Soil,2007,301: 17-28；Xu et al.,New Phytologist,2013,197:139-50）。

统计分析

用SPSS13.0Duncan’s Multiple Range Test进行统计分析（P<0.05）。

结果与讨论

根系的生长与响应

我们研究了在传统装置（根系见光及生长于蔗糖添加环境，地上部处于密闭的装置中不 能进行以CO₂为底料的光合作用）与新装置（根系生长于黑暗和蔗糖不添加的环境，地上部 处于开放的环境中能进行以CO₂为底料的光合作用）培养系统下拟南芥的生长与响应。首先， 与传统装置培养下的拟南芥植株相比，新装置培养下的拟南芥主根较长、侧根短、地上部与 根系干重均有所减少（表1）。第二，与传统装置培养下的拟南芥主根的向重性相比，新装置 培养下的拟南芥主根对重力的响应没有那么强烈。第三，与传统装置培养下的拟南芥根尖生 长素的分布情况比较，新装置培养下的拟南芥根尖生长素展示了极性分布。因此，上述结果 显示新装置能给予植物较接近自然的生长环境，避免研究过程中“不严谨结果”的产生，使 植物研究者能得出“较本真的结论”。

表1两种装置下野生型拟南芥（Ws）的生长情况