一种玉米种子根鞘分离生物力测定技术方法技术

一种玉米种子根鞘分离生物力测定技术方法，其特征在于包括以下作业：（1）种子样品准备；（2）孔端组织切割；（3）根鞘组织分离；（4）胚根鞘的分取；（5）待测样的固定；（6）穿刺力的测定；（7）信息存储分析；其中作业（3）包括一种玉米根鞘分离装置研发，作业（5）包括一种玉米胚根鞘组织样品承载体研发。本发明专利技术的有益效果：将为胚根鞘弱化调控玉米种子萌发机理研究提供直接的生物力学证据，同时为禾本科植物种子胚根鞘弱化生物力测定提供参考。胚根鞘弱化生物力测定提供参考。胚根鞘弱化生物力测定提供参考。

【技术实现步骤摘要】
一种玉米种子根鞘分离生物力测定技术方法


[0001]本专利技术涉及种子科学领域，特别是关于一种玉米种子根鞘分离生物力测定技术方法。

技术介绍

[0002]20 世纪 80 年代诞生了将力学方法引入传统生物学研究中的新兴边缘学科——生物力学，并很快在国际上发展成为一个热点研究领域 , 但长期以来其研究对象主要集中在有关动物和人体的医学问题上，而作为这一学科内部的天然分支——植物力学则是近年来提出的新概念，尚有巨大发展空间。
[0003]植物生长发育中不可避免地要受到各种外界环境条件的刺激，这种刺激被称为环境应力刺激，它包括自然和人为的两大应力源。特别是环境应力的概念比传统单纯从光 、温、水、矿质等角度来研究植物生长要广泛得多。人们很早就认识到应力刺激会对植物的生长产生明显影响, 而使植物因感受应力刺激而产生宏观生物学效应，如：攀沿植物的向性生长；有些植物受到敲击后茎变粗变短，根受到敲击后生长受阻；风力作用导致的周期性震动能对植物的形态建成产生明显影响；一定强度的声波刺激能明显促进植物生长；水流动的剪切力会对水生植物的生长和形态产生影响等。此外，在机械振荡刺激、强声波（或超声波）刺激、电（磁）场、微重力状态（即空间失重环境）对植物的影响等方面也取得了一定进展。特别是现阶段一些科学家对植物细胞生长与应力刺激之间的关系进行了研究，包括通过对植物发育中目标组织/细胞开展应力加载实验等，以期揭示细胞内应力信号转导机理等, 但目前相关报道较少，非常值得深入研究。
[0004]生物力学的创始人、美国三院院士冯元桢先生说:“应力
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生长关系是生物力学的活灵魂”，对于植物力学研究的核心更是如此。物理学为植物学的研究提供了现代化的实验手段和方法, 因此现阶段今后生物学家和物理学家都应大力开展这一边缘学科的研究,为传统植物学的研究注入新的方法和手段, 使之焕发出新的活力。
[0005]种子，在许多情况下也包括种子贮藏果实，是被子植物和裸子植物典型的传播和繁殖单位。在种子生物物理研究方面，整个种子或部分种子的力学性能主要在食品科学中进行研究，特别是断裂韧性、冲击损伤以及拉伸和压缩强度等。目前对种子或果实力学性能测量的作物主要有：豆类、橄榄、胡桃、向日葵、小麦等。在很大程度上，这些测量主要研究不同水分含量对力学性能的影响。
[0006]种子萌发开始于干种子吸收水分，并在部分胚组织延伸穿透其周围结构时完成。通常当胚覆盖层破裂和胚根出现时被认为发芽完成。从生物力学角度来看，能否完成种子（包括果实）萌发关键取决于两种相反作用力的平衡状态：胚轴（包括胚根
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下胚轴生长区）的生长潜力和种子覆盖层（包括胚乳、种皮和果皮）的力学限制（阻力）。基于不同种子组织的细胞壁组分和吸水能力不同，可将各组织视为拥有不同动力学特性的复合材料。种子萌发中胚细胞生长生物力调控依赖于不可逆的细胞壁松弛，这使膨压（当水进入植物细胞后，使细胞产生向外施加在细胞壁上的压力，称为膨压）降低而吸水，进而导致胚伸长生长并最
终胚根伸出。胚乳弱化是胚根伸出的先决条件，这是被子植物种子萌发中普遍存在的现象。胚乳弱化的生物化学和分子机制已被大量综述总结报道。其中包括我们团队（http://www.seedbiology.de/index.html）建立的系列重要植物种子研究系统，并通过穿刺力等生物力学手段分析获得了胚乳弱化的直接证据，其中穿刺力指的是组织的最大强度。
[0007]感知机械力来控制基因表达、组织生长和命运是植物生命的重要组成部分。我们认为，种子构成了一个极好的研究力传感的系统，因为种子覆盖层和导致组织生长（胚）或死亡（珠孔胚乳）的不同命运之间存在明显的相互作用。前期我们团队在番茄、烟草、莴苣、咖啡和其他物种种子组织强度（胚乳弱化等）的直接穿刺力测量方面开展了大量研究工作（http://www.seedbiology.de/index.html），选择植物种子类型研究其系统发育中组织强度（胚乳弱化）机制的生物力学测量方法，将为对应植物属种子组织（胚乳）弱化的生物力学研究提供直接证据。如：为了研究烟草胚乳弱化的基础生物力学机制，近期我们刚实现了烟草这样的微小种子胚乳弱化生物力的测量技术方法，成功对珠孔胚乳和合点胚乳进行了穿刺力分析比较。
[0008]通过将生物力学与分子生物学有效结合可进一步阐明萌发过程和胚乳/胚根鞘弱化的基础机制。要全面了解种子的萌发过程，需要用综合的方法来阐明种子萌发的复杂调控及其分子基础，以了解多种物种组织力学中与细胞壁相关的变化。尽管人们对理解种子萌发的重要过程有着强烈的热情，但仍然存在一些未解决的问题。根据目前获得的证据表明，胚乳/胚根鞘弱化涉及进化保守以及物种特异性分子、生物化学、环境调节和生物力学机制。
[0009]玉米世界上最重要的粮饲作物之一，对推动国民农业经济发展具有举足轻重的作用。如：在中国，杂交玉米占玉米种植的95%以上，每年对杂交种子的需求量约为11亿公斤。而高质量玉米种子生产是全面提升现代农业发展水平的根本所在。种子活力作为玉米种子质量的重要指标，高活力种子具有萌发速度快，田间出苗抗逆能力强等特点。胚根鞘作为禾本科作物特有组织器官，在协助胚根突破果种皮机械束缚过程中发挥重要作用（Jiang et al. (2011) QTL mapping of coleorhiza length in maize (Zea mays L.) under two germination environmental conditions. Plant Breeding 130: 625
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632），同样在种子萌发过程中它与其他植物胚乳可能存在类似的调控种子萌发的功能。目前对胚根鞘进行组织直接生物力测量的研究报道非常少，这归因于，在测量技术方面存在很大的难度，需要不断探索创新。前期，我们团队刚刚解决了野燕麦胚根鞘的生物力测量，并在New Phytologist期刊上发表论文（Holloway et al. (2020) Coleorhiza
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enforced seed dormancy: a novel mechanism to control germination in grasses.New Phytologist 229 (4): 2179
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2191），但在玉米胚根鞘的生物力测量方面一直存在种子萌发初期胚根与胚根鞘难分离、测定模型选择、测量参数确定等一系列技术难点，有待解决。此外，玉米种子可为禾本科植物种子胚根鞘弱化提供极好的生物力学研究系统，建立一套科学有效的玉米种子萌发胚根鞘弱化生物力测定的技术方法，为今后深入研究禾本科作物种子萌发机理具有重要意义。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是为满足生物力学与分子生物学有效结合的需要，以及在开展玉米
种子萌发机理研究中胚根鞘弱化生物力测量中存在的系列技术难点，而创新性提出了一种玉米种子根鞘分离生物力测定技术方法，该技术方法的应用将为胚根鞘弱化调控玉米种子萌发机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种玉米种子根鞘分离生物力测定技术方法，其特征在于包括以下作业：（1）种子样品准备；（2）孔端组织切割；（3）根鞘组织分离；（4）胚根鞘的分取；（5）待测样的固定；（6）穿刺力的测定；（7）信息存储分析；其中作业（3）包括一种玉米根鞘分离装置研发，作业（5）包括一种玉米胚根鞘组织样品承载体研发；所述作业（1）中，采取盖纸发芽和卷纸发芽两种发芽方式对种子进行发芽处理；所述作业（2）中，从发芽纸中取出待测种子，用手术刀对种子进行横切，保留孔端（含完整的胚根鞘组织），弃后端；切割后将孔端置于湿润的滤纸上备用；所述作业（3）中，根据玉米品种特性及待测样胚根鞘的直径选择相应规格的玻璃转管，并将其安置在根鞘分离器中，通过旋转将胚根与鞘分离，并移出胚根，使用前玻璃转管口稍蘸润滑剂（液体石蜡），特别是种子萌发初期阶段根鞘衔接紧密需缓慢转动向前推进；所述作业（4）中，将胚根从胚根鞘中移出后，在体视镜下用手术刀和镊子等将孔端组织中胚根鞘完整剥离出来，剥离期间用滴管在剥离处用无菌水润湿，方便剥离，避免胚根鞘完整性受到机械破坏；所述作业（5）中，将处理好的胚根鞘样品移放在特制的组织样品承载体中；所述作业（6）中，将组织样品承载体固定在载样台上，测定前在垫片上加滴少量无菌水，保证样品湿润，然后利用种子生物力测定系统进行胚根鞘样品穿刺力测定；测量参数为：探针直径0.5mm、移动速度30mm
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1，环境温度15
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【专利技术属性】
技术研发人员：江绪文，张晓文，李贺勤，马长禄，
申请(专利权)人：青岛农业大学，
类型：发明
国别省市：