CN104614325A - 利用医学影像技术研究模式植物拟南芥盐分处理机制的方法 - Google Patents

Abstract

利用医学影像技术研究模式植物拟南芥盐分处理机制的方法，属于植物生理学技术领域，由拟南芥植株栽培、纳米金属颗粒摄入和处理装置三部分构成，其特征在于：所述的拟南芥植株栽培获得实验所需要的拟南芥植株；所述的纳米金属颗粒摄入，是根据研究目的，将选择的纳米金属颗粒混入拟南芥培养液，并由根吸收进拟南芥植物体内；所述的处理装置中燃烧控制器产生和发射微波以加热拟南芥体内的纳米金属颗粒使之燃烧发光；光学多道分析仪分析拟南芥盐分的处理机制。该方法所用装置制作简单，可操作性强，成本低廉，效果明显。

Description

利用医学影像技术研究模式植物拟南芥盐分处理机制的方法

技术领域

本发明涉及利用医学影像技术研究模式植物拟南芥盐分处理机制的方法，属于植物生理学技术领域。

背景技术

 拟南芥（Arabidopsis thaliana）是被子植物门、双子叶植物纲、白花菜目、十字花科、大蒜芥族、拟南芥属的二年生草本，主要分布在西南亚，中亚，地中海，北极、北美和南美的高山等。我国内蒙、新疆、陕西、甘肃、西藏、山东、江苏、安徽、湖北、四川、云南等省区均有发现。拟南芥的优点是植株小、结子多。拟南芥的基因组是目前已知植物基因组中最小的。拟南芥是自花受粉植物，基因高度纯合，用理化因素处理突变率很高，容易获得各种代谢功能的缺陷型。拟南芥是进行遗传学和植物生理学研究的好材料，已被广泛应用于多种实验中。

焰色反应，也称作焰色测试及焰色试验，是某些金属或它们的化合物在无色火焰中灼烧时使火焰呈现特征的颜色的反应。其原理是每种元素都有其个别的光谱。样本通常是粉或小块的形式。以一条清洁且对化学惰性的金属线，例如铂或镍铬合金盛载样本，再放到无光焰蓝色火焰中。在化学上，常用来测试某种金属是否存在在于化合物。同时利用焰色反应，人们在在烟花中有意识地加入特定金属元素，使焰火更加绚丽多彩。焰色反应是物理变化。它并未生成新物质，焰色反应是物质原子内部电子能级的改变，通俗的说是原子中的电子能量的变化，不涉及物质结构和化学性质的改变。焰色反应是某些金属或它们的挥发性化合物在无色火焰中灼烧时使火焰呈现特征的颜色的反应。有些金属或它们的化合物在灼烧时能使火焰呈特殊颜色。

微波炉是利用食物在微波场中吸收微波能量而使自身加热的烹饪器具。在微波炉微波发生器产生的微波在微波炉腔建立起微波电场，并采取一定的措施使这一微波电场在炉腔中尽量均匀分布，将食物放入该微波电场中，由控制中心控制其烹饪时间和微波电场强度，来进行各种各样的烹饪过程。微波是一种高频率的电磁波，其本身并不产生热，在宇宙、自然界中到处都有微波，但存在自然界的微波，因为分散不集中，故不能加热食品。微波炉乃是利用其内部的磁控管，将电能转变成微波，以2450MHZ的振荡频率穿透食物，当微波被食物吸收时，食物内之极性分子如水、脂肪、蛋白质、糖等即被吸引以每秒钟24.5亿次的速度快速振荡，这种震荡的宏观表现就是食物被加热了，而且它使整个物体受热均匀，升温速度也快。所以，微波加热的原理可以简单概括为：当微波辐射到食品上时，食品中总是含有一定量的水分，而水是由极性分子的正负电荷中心，即使在外电场不存在时也是不重合的组成的，这种极性分子的取向将随微波场而变动。由于食品中水的极性分子的这种运动。以及相邻分子间的相互作用，产生了类似摩擦的现象，使水温升高，因此，食品的温度也就上升了。但是，在日常使用微波炉的过程中，忌用金属器皿，原因是微波炉在加热时，放入炉内的铁、铝、不锈钢、搪瓷等器皿，金属器皿会产生电火花并燃烧。

在利用拟南芥研究模式植物盐分处理机制时，由于盐分分子极小，人们需要借助非常复杂的手段才能得出一定的结果，效果不是太理想。因此如何研究出一种可以直观呈现不同盐分在拟南芥植株体内运行及分布的方法成为急需解决的一大难题，所以在培养液中人为加入纳米金属颗粒，使之随着根对水分的吸收而到达不同的部位事先处理拟南芥植株，然后利用金属在微波处理时会燃烧，而且不同金属燃烧的颜色反应不同，接着利用光电倍增管将颜色信号扩增，由电脑根据颜色光谱信息得出拟南芥不同部位存在何种金属颗粒，从而可以直观地研究植物盐分处理机制，发明一种利用医学影像技术研究模式植物拟南芥盐分处理机制的方法是必要的。

发明内容

为了克服现实研究过程中不能直观呈现不同盐分在拟南芥植株体内运行及分布的难题，本发明提供了利用医学影像技术研究模式植物拟南芥盐分处理机制的方法，该种利用医学影像技术研究模式植物拟南芥盐分处理机制的方法，首先在培养液中人为加入直径为10-100纳米的纳米金属颗粒，使之随着根对水分的吸收而到达不同的部位，事先处理拟南芥植株，然后利用金属在微波处理时会燃烧，而且不同金属燃烧的颜色反应不同，接着利用光电倍增管将颜色信号扩增，由电脑根据颜色光谱信息得出拟南芥不同部位存在何种金属颗粒，从而达到直观地研究模式植物盐分处理机制的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明利用医学影像技术研究模式植物拟南芥盐分处理机制的方法是根据日常生活中，医学影像技术已经非常成熟，对于生物体所能呈现出来的图形的分析技术也相当完善，故本发明设计由拟南芥植株栽培、纳米金属颗粒摄入和处理装置三部分构成，以便根据所得结果直管推测出拟南芥盐分的处理机制。

所述的拟南芥植株栽培，用于获得实验所需要的拟南芥植株。

所述的纳米金属颗粒摄入，是根据研究目的，选择需要研究的盐分，采用公知的技术，制备或购买市售的该种直径为10-100纳米的纳米金属颗粒，比如研究铁盐，则加入直径为10-100纳米的纳米铁颗粒。然后，将纳米金属颗粒混入拟南芥培养液，使纳米金属颗粒随水分由根吸收进拟南芥植物体内。

所述的处理装置由微波器壳1、数据处理电脑2、燃烧控制器3、微波处理舱4、微波发生器5、微波处理舱门6、拟南芥放置转盘7、电源开关8、电压控制旋钮9、模式调节旋钮10、数据显示板11、微波释放板12、壳顶透气孔13、微波器电源线14、微波器电源插头15、微波处理舱门把手16、光电倍增管群17、壳顶18、光子探测器19、数据传输线20、电脑底座21、电脑电源线22、电脑电源插头23组成。微波器壳1，由涂覆非磁性材料的金属板制成，长方体形，长度为50-100厘米，宽度为30-60厘米，高度为40-80厘米，内有燃烧控制器3、微波处理舱4和光谱采集器19。数据处理电脑2、光子探测器19、数据传输线20、电脑底座21、电脑电源线22和电脑电源插头23组成公知的光学多道分析仪OMA (Optical Multi-channel Analyzer)。光子探测器19结构原理同公知的光子探测器(CCD)，主要组成部件为光电倍增管群17，用于信息采集,处理，并将处理后的图像信息由数据传输线20传输给数据处理电脑2。数据处理电脑2则进一步处理并存储相关信息，供使用者选择使用。光学多道分析仪OMA的电能由电脑电源线22和电脑电源插头23从外接电源插座引入。燃烧控制器3包括微波发生器5、电源开关8、电压控制旋钮9、模式调节旋钮10、数据显示板11、微波释放板12、微波器电源线14、微波器电源插头15。微波发生器5同公知微波炉的磁控管、波导和电源变压器：电源变压器是给磁控管提供电压的部件；磁控管实际上是一个真空管金属管，由它产生和发射微波直流电能转换成微波震荡输出；波导则是将磁控管产生的微波功率传输到微波处理舱4，以加热拟南芥体内的纳米金属颗粒使之燃烧发光。电源开关8控制微波器电源线14由微波器电源插头15从外接插座上引过来的电能。电压控制旋钮9同公知微波炉的电压控制旋钮，控制燃烧控制器3的电压，需要高电压则调到高电压处，需要低电压则调到低电压处。模式调节旋钮10同公知微波炉的时间控制旋钮，可以根据拟南芥植株的大小选择不同的刻度，主要是作用时间。数据显示板11同公知的液晶显示屏，可以显示时间的变化及电压的高低。微波释放板12是直径为10-15厘米的圆形具孔区域，位于微波处理舱4与微波发生器5相连的侧壁上，使微波发生器5产生的微波均匀地释放到微波处理舱4中。微波处理舱4：也称谐振腔，它是处理拟南芥植株的地方，经波导管输入炉腔内的微波在腔壁内来回反射，每次传播都穿过和经过拟南芥植株。在设计时，通常使微波处理舱4的边长为1/2微波导波波长的倍数，这样使拟南芥植株在被加热时，舱内能保持谐振，谐振范围适当变宽。在微波处理舱4的顶部开有2个壳顶透气孔13。微波处理舱门6的作用是便于取放拟南芥植株及观察处理时的情形，微波处理舱门6又是构成微波处理舱4的前壁，它是防止微波泄露的一道关卡。拟南芥放置转盘7是安装在微波处理舱4的底部，离炉底有的高度为1-1.5厘米，由一只以5-6转/分钟转速的小马达带动。

本发明的有益效果为，利用医学影像技术研究模式植物拟南芥盐分处理机制的方法，首先在培养液中人为加入纳米金属颗粒，使之随着根对水分的吸收而到达不同的部位事先处理拟南芥植株，然后利用金属在微波处理时会燃烧，而且不同金属燃烧的颜色反应不同，接着利用光电倍增管将颜色信号扩增，由电脑根据颜色光谱信息得出拟南芥不同部位存在何种金属颗粒，从而达到可以直观地研究植物盐分处理机制的目的。利用医学影像技术研究模式植物拟南芥盐分处理机制的方法所用装置制作简单，可操作性强，成本低廉，效果明显。

附图说明    

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为本发明利用医学影像技术研究模式植物拟南芥盐分处理机制的方法的处理装置整体结构示意图。

图中1.微波器壳，2.数据处理电脑，3.燃烧控制器，4.微波处理舱，5.微波发生器，6.微波处理舱门，7.拟南芥放置转盘，8.电源开关，9.电压控制旋钮，10.模式调节旋钮，11.数据显示板，12.微波释放板，13.壳顶透气孔，14.微波器电源线，15.微波器电源插头，16.微波处理舱门把手，17.光电倍增管群，18.壳顶，19.光子探测器，20.数据传输线，21.电脑底座，22.电脑电源线，23.电脑电源插头。

具体实施方式

实施例一：

如图所示，本发明的利用医学影像技术研究模式植物拟南芥盐分处理机制的方法具体为：利用医学影像技术研究模式植物拟南芥盐分处理机制的方法由拟南芥植株栽培、纳米金属颗粒摄入和处理装置三部分构成。

一、拟南芥植株栽培

1.播种和发芽

拟南芥可在非无菌条件下，生长在土壤或人工配制的各种培养基中。作为栽植的容器，可根据各自条件置于花盆或格状分离的多穴塑料盘中。常用的混合物有泥炭藓、营养土、蛭石和珍珠岩等，例如珍珠 岩∶蛭石∶泥炭藓 =1∶1∶1的混合物，表土、堆肥或腐殖质土∶珍珠岩或蛭石=1∶1，1∶2或 2∶1的混合物。如果用于营养研究则可以蛭石类惰性物质作培养介质，施以配有营养物质的水溶液。栽培拟南芥的介质均要求有良好的排水性，因此一般混合砂子、蛭石等惰性介质，保持良好的排水，防止过湿引起真菌和昆虫幼虫滋生。播种前土壤混合物进行高压灭菌处理30min，以杀死可能存在于混合物中的任何害虫。在把土壤混合物置于花盆或其他容器中后，将整个容器置于水或营养液中，靠毛细管作用浸湿介质，然后将处理洗净来的种子，用尖头烧融后的移液管小心移至土表，均匀播下。如果播种量较大，可用浓度为0.1g/100mL琼脂或砂子事先均匀混合后播种。种子发芽期间必须保持高湿度，故容器可用塑料膜覆盖，保持一周左右方可揭去。将播有种子的容器移至低温或相应低温条件下，在2～4℃下放置2～4d，从而于吸胀条件下破除种子休眠，这对新鲜收获的拟南芥种子尤为必要。对大多数拟南芥品系来说其种子是中度休眠 的，收获已久的这类生态型的拟南芥种子可免于低温处理，而有些生态型甚至需长达7d的低温处理。干种子的低温处理往往是无效的。低温处理后，将盆移至温室或生长室，在22℃左右发芽，夜温可比日温低2℃，用2000lx的荧光灯给予光照，光周期为18h光/6h暗也可24h光照，在5d左右可见拟南芥发芽。拟南芥发芽需光，故防止种子被土覆盖。

2. 生长发育条件的控制

拟南芥一般是冬性一年生植物，自然条件下种子在秋天发芽，幼年期度过冬天，花分生组织在春季分化，种子在夏季成熟脱落。大多数实验室栽植的拟南芥品种在发芽后4周开花，而在4～6周后采集种子。不同拟南芥生态型其发育进程快慢、开花时间早晚、何时成熟等除了取决于遗传性以外，也受外界环境条件的影响。

2.1光：光对拟南芥生长的影响涉及光强和光周期两个方面。以光强度说，在生长室中一般最适光的光强度为120～150μmol/㎡ · s1μmol/㎡· s=5烛光 =0．217W/m 2 =53．8lx，这可通过荧光灯，配以白炽光来达到。在夏天温室中，60%荫影有助于光强控制和温度调节，高光强或直接太阳光照射对较老植株可以忍受，而年幼植株避免强光。拟南芥在连续照光和 长日下开花加快，短日时开花被 阻遏或延迟，这表明拟南芥开花需要长日照光周期，一般至少12h的光照。在冬季温室中可补充早晚的光照，以满足光周期需要，一般给以16h光照，8h暗期为宜。连续光照可促进生殖循环，略微提早开花，但使叶数减少及降低种生成，而较短日照有利于营养生长。

2.2 温度：温室和生长室的温度应予以控制，最适生长温度为25℃左右，稍低的温度也是允许的。当水分供应充足时，植物甚至能在高达34℃时生长，但会减少受精。较老的植物能忍受高温，但保持25℃对整个生长周期是有利的。当种子形成时，生长室温度宜设定在25℃，而温室温度宜在23℃，夜温可比日温低2～4℃为宜。对于许多迟开花的拟南芥生态型来说，幼苗期要给以4℃左右处理一个时期如几周，以完成春化作用，从而在长日下促进开花。而对于常用的拟南芥生态型Landsbergerecta和Columbia则不需作春化处理就能开花。必须注意这里的低温春化处理是不同于播种时破除休眠的低温处理，破除休眠的低温处理又称层积处理stratification。

2.3 水分

在种子发芽后的头几周里，理想的供水是来自毛细管由下至上的渗水，只有当土壤呈现干旱时适时灌溉。过量供水会引起土表藻类和真菌的生长。在拟南芥头两片真叶开始伸展之前必须避免干旱，当真叶长出后，灌水频率可相应减少，如每周一或两次，而至长角果充实阶段必须保证水分供应，以利于种子形成。浇水时最好待90%左右的穴盘或花盆完全干燥之后进行。不仅土壤供水状况影响到拟南芥的生长发育，而且湿度也会影响水分供给。虽然湿度的增加如50% ～60%会大大减少土表干旱的影响以及发芽着的幼苗脱水危害，但一般说来拟南芥植株，包括幼苗都能忍受低湿度，处在莲座状阶段的植株可在不同湿度下生长，当长角果进入成熟阶段时，较低湿度如<50%是有利的。

2.4 营养

正常情况下只要配置合适的土壤混合物，就并非必须供给营养物质，但是贫瘠的营养状况会降低植株高度，使它提早开花，并使种子着生减少。在生长发育的后期阶段补充营养物质将会增加种子着生，并产生较健壮的植 株。当植株呈现出轻微淡绿色时，表明营养供给不 足，则应立即施以营养物质，正常健壮的拟南芥植株是亮暗绿色的。

2.5 防止杂交

拟南芥是自交授粉的，为了保持拟南芥品系的纯化，必须防止温室或生长室中各品系之间的杂交。为此可根据各自实验室条件进行设置。例如，保持生长环境的清洁，从而防止经昆虫载体而导致的杂交机会。栽植时注意各品系种植之间的距离如20cm，从而防止来自不同品系的花互相接触。在长成植株后，可采取适当措施，防止植株倒伏，以致互相接触。

二、纳米金属颗粒摄入

根据研究目的，选择需要研究的盐分，采用公知的技术，制备或购买市售的该种直径为10-100纳米的纳米金属颗粒，比如研究铁盐，则加入直径为10-100纳米的纳米铁颗粒。然后，将纳米金属颗粒混入拟南芥培养液，使纳米金属颗粒随水分由根吸收进拟南芥植物体内。三、处理装置

处理装置由微波器壳1、数据处理电脑2、燃烧控制器3、微波处理舱4、微波发生器5、微波处理舱门6、拟南芥放置转盘7、电源开关8、电压控制旋钮9、模式调节旋钮10、数据显示板11、微波释放板12、壳顶透气孔13、微波器电源线14、微波器电源插头15、微波处理舱门把手16、光电倍增管群17、壳顶18、光子探测器19、数据传输线20、电脑底座21、电脑电源线22、电脑电源插头23组成。微波器壳1，由涂覆非磁性材料的金属板制成，长方体形，长度为50-100厘米，宽度为30-60厘米，高度为40-80厘米，内有燃烧控制器3、微波处理舱4和光谱采集器19。数据处理电脑2、光子探测器19、数据传输线20、电脑底座21、电脑电源线22和电脑电源插头23组成公知的光学多道分析仪OMA (Optical Multi-channel Analyzer)，该光学多道分析仪OMA是采用光子探测器和计算机控制的光谱分析仪器,它集信息采集,处理,存储诸功能于一体.由于OMA不再使用感光乳胶,避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理,测量工作，相比传统的光谱技术，光学多道分析仪OMA改善了工作条件,提高了工作效率;使用OMA分析光谱,测量准确迅速,方便,且灵敏度高,响应时间快,光谱分辨率高,测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机,绘图仪输出。光子探测器19结构原理同公知的光子探测器(CCD)，主要组成部件为光电倍增管群17，用于信息采集,处理，并将处理后的图像信息由数据传输线20传输给数据处理电脑2。光电倍增管群17由多个光电倍增管组成，光电倍增管是依据光电子发射、二次电子发射和电子光学的原理制成的、透明真空壳体内装有特殊电极的器件，是进一步提高光电管灵敏度的光电转换器件，管内除光电阴极和阳极外，两极间还放置多个瓦形倍增电极，使用时相邻两倍增电极间均加有电压用来加速电子。光电阴极受光照后释放出光电子，在电场作用下射向第一倍增电极，引起电子的二次发射，激发出更多的电子，然后在电场作用下飞向下一个倍增电极，又激发出更多的电子。如此电子数不断倍增，阳极最后收集到的电子可增加10⁴～10⁸倍，整个过程时间约10^-8秒。这使光电倍增管的灵敏度比普通光电管要高得多，可用来检测微弱光信号。数据处理电脑2则进一步处理并存储相关信息，供使用者选择使用。光学多道分析仪OMA的电能由电脑电源线22和电脑电源插头23从外接电源插座引入。燃烧控制器3包括微波发生器5、电源开关8、电压控制旋钮9、模式调节旋钮10、数据显示板11、微波释放板12、微波器电源线14、微波器电源插头15。微波发生器5同公知微波炉的磁控管、波导和电源变压器：电源变压器是给磁控管提供电压的部件；磁控管实际上是一个真空管金属管，由它产生和发射微波直流电能转换成微波震荡输出；波导则是将磁控管产生的微波功率传输到微波处理舱4，以加热拟南芥体内的纳米金属颗粒使之燃烧发光。电源开关8控制微波器电源线14由微波器电源插头15从外接插座上引过来的电能。电压控制旋钮9同公知微波炉的电压控制旋钮，控制燃烧控制器3的电压，需要高电压则调到高电压处，需要低电压则调到低电压处。模式调节旋钮10同公知微波炉的时间控制旋钮，可以根据拟南芥植株的大小选择不同的刻度，主要是作用时间。数据显示板11同公知的液晶显示屏，可以显示时间的变化及电压的高低。微波释放板12是直径为10-15厘米的圆形具孔区域，位于微波处理舱4与微波发生器5相连的侧壁上，使微波发生器5产生的微波均匀地释放到微波处理舱4中。微波处理舱4：也称谐振腔，它是处理拟南芥植株的地方，经波导管输入炉腔内的微波在腔壁内来回反射，每次传播都穿过和经过拟南芥植株。在设计时，通常使微波处理舱4的边长为1/2微波导波波长的倍数，这样使拟南芥植株被加热时，舱内能保持谐振，谐振范围适当变宽。在微波处理舱4的顶部开有2个壳顶透气孔13。微波处理舱门6的作用是便于取放拟南芥植株及观察处理时的情形，微波处理舱门6又是构成微波处理舱4的前壁，它是防止微波泄露的一道关卡。拟南芥放置转盘7是安装在微波处理舱4的底部，离炉底有的高度为1-1.5厘米，由一只以5-6转/分钟转速的小马达带动。所述的处理装置在使用时，首先利用微波将拟南芥植株体内的直径为10-100纳米的纳米金属颗粒加热燃烧，然后利用光学多道分析仪OMA采集、处理、分析所得数据，在电脑上显示出纳米金属颗粒在拟南芥植株体内不同部位的分布情况，进而利用医学影像技术的原理和方法直观地推测拟南芥植株盐分处理的机制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书其等效物界定。

Claims (1)

1.利用医学影像技术研究模式植物拟南芥盐分处理机制的方法由拟南芥植株栽培、纳米金属颗粒摄入和处理装置三部分构成，其特征在于：所述的拟南芥植株栽培以获得实验所需要的拟南芥植株；所述的纳米金属颗粒摄入，是根据研究目的，将选择的纳米金属颗粒混入拟南芥培养液，并由根吸收进入拟南芥植物体内；所述的处理装置由微波器壳（1）、数据处理电脑（2）、燃烧控制器（3）、微波处理舱（4）、微波发生器（5）、微波处理舱门（6）、拟南芥放置转盘（7）、电源开关（8）、电压控制旋钮（9）、模式调节旋钮（10）、数据显示板（11）、微波释放板（12）、壳顶透气孔（13）、微波器电源线（14）、微波器电源插头（15）、微波处理舱门把手（16）、光电倍增管群（17）、壳顶（18）、光子探测器（19）、数据传输线（20）、电脑底座（21）、电脑电源线（22）、电脑电源插头（23）组成；其中燃烧控制器（3）产生和发射微波以加热拟南芥体内的纳米金属颗粒使之燃烧发光；数据处理电脑（2）、光子探测器（19）、数据传输线（20）、电脑底座（21）、电脑电源线（22）和电脑电源插头（23）组成分析拟南芥盐分处理机制的光学多道分析仪。