模擬失重狀態處理種子的裝置的製作方法
2023-06-16 09:24:11
專利名稱：模擬失重狀態處理種子的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型概括地說涉及一種在播種或種植前處理種子、根莖或類似物的裝置，具體地說涉及一種模擬失重狀態在播種或種植前處理種子、根莖或類似物的裝置。
背景技術：
20世紀70年代以來，美、蘇(俄)、西歐等發達國家進行了大量空間生物科學實驗，太空育種是其中一個重要的組成部分。由於植物的種子在太空中幾乎不受重力作用，使得植物的種子無法察覺重力的方向，在這種條件下培育出的種子即為太空微重力育種。俄羅斯太空人曾在「禮炮」號和「和平」號空間站上播種過小麥、洋蔥等作物。實驗結果表明，在太空中植物要比地球上生長的更快、成熟的更早。美國亦曾進行過燕麥、綠豆等實驗，發現其蛋白質含量較地球上含量高，並成功地種出「月球生菜」、「宇宙胡蘿蔔」、「外太空番茄」等。1987年以來，我國多次成功利用返地式衛星和利用高空氣球先後將水稻、小麥、蘆筍、玉米、大麥、棉花、穀子、大豆、綠豆、豌豆、紅小豆、黃瓜、人參、白蓮、辣椒等51種作物的種子進行空間實驗，並取得了明顯的成果。在對番茄的太空種子的研究中發現，經過太空微重力處理的番茄種子，發芽率為95.8％，種子活力指數為0.420，出苗率為67.2％，而對照組分別為90.8％，0.365和56.7％。經過空間微重力處理後，幼苗生長速度快、莖杆粗壯、葉色濃綠、猝倒病感染率低，單平均果重比對照組重17.7克，單株產量較對照組高7.6％，均達到顯著水平。可見，經太空實驗培育的「太空種子」具有發芽率高、根系發達、 生長速度快、品質提高、增加產量等優點。但「太空育種」成本極高，育種條件受到需要失重狀態環境等因素的限制，影響了「太空種子」的推廣和發展
實用新型內容
本實用新型的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種可在地面模擬失重狀態處理種子的裝置。
本實用新型所述的模擬失重狀態處理種子的裝置，包括透光材料製成的懸浮筒，所述懸浮筒安裝在橫軸上，形成密封的懸浮倉，所述懸浮筒的內徑與所述橫軸外徑比值為8∶3±0.5以下，懸浮倉設有至少一個溶液交換孔和/或倉門，橫軸的中軸線沿水平方向可調整轉速地安裝在外殼上。
本實用新型所述的模擬失重狀態處理種子的裝置，其中還包括沿水平方向垂直於所述橫軸的縱軸，所述外殼固定在縱軸上，縱軸可轉動地安裝在支架上，其轉動角度為20°-60°。
本實用新型所述的模擬失重狀態處理種子的裝置，其中所述橫軸和縱軸採用步進電機拖動，所述懸浮筒筒壁上安裝有自動排氣閥，所述懸浮倉設有兩個溶液交換孔和一個倉門，溶液交換孔各自與進液管和排液管相連接，進液管上設有單向閥或電磁閥，排液管上設有堵頭或電磁閥。
本實用新型所述的模擬失重狀態處理種子的裝置，其中所述外殼採用透光材料製成，其上設有殼蓋，其內部設有溫度調控裝置。
本實用新型所述的模擬失重狀態處理種子的裝置，其中所述外殼採用金屬材料製成，其上設有殼蓋，其外表面包裹有保溫材料層，並設有觀察孔，其內部設有照明裝置和溫度調控裝置。
本實用新型所述的模擬失重狀態處理種子的裝置的優點和積極效果在於利用模擬失重狀態處理種子的裝置使種子作自旋運動以模擬太空育苗、殖種和育種，具有結構簡單，操作方便，生產成本低，育苗、殖種和育種周期短的特點，運用此技術培育新品種，新種苗，投資少，見效快，回報率高，可持續性強，市場前景廣闊。
本實用新型模擬失重狀態處理種子的裝置的其他細節和特點可通過閱讀下文結合附圖詳加描述的實施例便可清楚明了。
圖1是本實用新型模擬失重狀態處理種子的裝置的結構示意圖；圖2是圖1的結構示意圖的主視剖面圖；圖3是圖2的俯視剖面圖；圖4是圖2的側視剖面圖。
具體實施方式
有實驗研究報告指出，植物能準確地察覺重力的方向，但不同植物對重力有不同的敏感性。一般說來，幼苗的根或莖察覺重力刺激所需的時間(閾時)是2-10分鐘，對重力的方向產生生理反應的時間通常為15-60分鐘。
使處於萌芽狀態前、後的作物種子懸浮在液體中並不停的進行隨機三維自旋，使其不能在任何一個特定的方向上對重力作用有足夠的生理反應時間，也就是使處於萌芽狀態前、後的種子在各個方向上所受重力作用與時間的積分趨於零，即等效於失重狀態。
依據上述事實，特別是針對植物察覺重力的方向所需的時間較長的特點，本實用新型提供了模擬失重狀態處理種子的方法的裝置。如圖1和圖2所示，所述裝置包括透光材料製成的懸浮筒1，所述懸浮筒1安裝在橫軸4上，形成一個密封的懸浮倉10，所述懸浮筒1的內徑與所述橫軸4外徑比值設計為8∶3±0.5以下，懸浮倉10設有兩個溶液交換孔2和一個倉門3，溶液交換孔2各自與進液管11和排液管12相連接，進液管11上設有單向閥13或電磁閥，排液管12上設有堵頭14或電磁閥，用於裝入待處理的種子和充進或排出水溶液，橫軸4的中軸線沿水平方向可調整轉速地安裝在外殼5上。種子可以通過進液管11裝入懸浮倉10，通過排液管12排出懸浮倉10，也可以經倉門3將種子和溶液裝入或排出懸浮倉10。
如圖3和圖4所示，所述裝置還包括沿水平方向垂直於所述橫軸4的縱軸6，所述外殼5固定在縱軸6上，縱軸6可轉動地安裝在支架7上，其轉動角度為20°-60°。
所述橫軸4和縱軸6採用步進電機9拖動，所述懸浮筒1筒壁上安裝有自動排氣閥，用於排出懸浮倉10內的氣體。
所述外殼5採用透光材料製成，以便於自然光透射進懸浮倉10，其上設有殼蓋8，其內部設有溫度調控裝置。
在外界溫度變化較大、光照條件較差的地區，所述外殼5也可以採用金屬材料製成，其上設有殼蓋8，其外表面包裹有保溫材料層，並設有觀察孔，其內部設有照明裝置和溫度調控裝置。
將所述懸浮筒1的內徑與所述橫軸4外徑比值設計為8∶3±0.5以下，可在一定的轉速下避免發生種子貼壁現象。
經上述模擬失重處理種子的裝置作三維自旋育種處理(以下簡稱三維自旋育種處理)的四十餘個品種的種子在育苗階段及以後的整個生長發育、成熟期中較常規育種的育苗與生長期的特徵有明顯的差異。多數種子在栽培過程中表現出發芽率高、生長周期短、根系發達、產量提高的顯著優點。其原因在於1、萌動期的種子內部處於其生長周期中非常活躍的狀態，對外界的物理、化學環境的改變極為敏感，環境條件的顯著變化(這裡指的是物理環境的變化)，將會引起種子內部生物運動規律的顯著變化甚至是突變。
2、令萌動期的種子處於快速自旋的懸浮狀態，在快速自旋時(每分鐘數十轉)，種子無法產生對特定重力方向和光源方向的「記憶」，也就是說萌芽期的種子在感受到重力和光源刺激的方向前，重力場和光源場的方向已經改變，將正常存在的單向場變成生物學上的多向場。此時，萌芽期種子的根系無法遵循沿特定重力方向生長的規律，芽苗也無法遵循沿光源方向生長的規律，它們均處於無固定方向的開放生長環境，這種環境有助於發育出更為強壯、豐滿的根須和芽苗。
3、萌動期的種子在溶液的作用下自旋時，種子的表皮與浸種液之間存在摩擦作用，對種子的表皮進行按摩，這種流體的按摩作用使得種子內部更多的生長酶被迅速激活，從而提高了發芽率，加快了萌芽的生長發育速率。
4、處於萌芽狀態下的種子處於快速自旋的懸浮狀態時，在自旋過程中產生的離心力的方向與芽苗生長的生物力方向一致，因此它有助於芽苗與根系的生長。
5、實驗組與對照組的實驗表明模擬失重狀態處理種子的裝置可促使胚器官更早、更快地發育。實驗組較對照組早兩天出現極性和根或葉的厚基，產生的小植株葉片即使在實驗組的光照度僅為對照組的光照度一半的條件下也能更早地形成葉綠素，同時實驗組較對照組有更長、更為豐滿的根須和較高的產量。
一系列的實驗室的育苗及溫棚栽培對比實驗證明對處於萌動期的種子，因物理環境的改變(在旋轉孵化器裡種子受重力和流體動力的作用，使種子在動態平衡區懸浮在溶液中作自選運動而不飄浮或沉降)，對種子發芽和以後作物的生長有明顯的促進作用。
本實用新型的基本原理是1、種子利用流體動力產生的圓周運動、重力與浮力的合力產生的垂直運動和左右擺動運動，使種子動態地懸浮於溶液之中，種子在溶液中不斷地隨機作三維自旋運動，對種子內部的組織器官來說，重力方向是隨機的，在種子的各個方向上，重力與時間的積分趨於零。要使種子動態地懸浮於溶液之中，關鍵是對容器旋轉速度的控制，它隨處理種子的大小、比重不同而不同。
2、應力-生長關係的揭示是20世紀生物力學的最重要的發現。對動物和植物均適用。在三維自旋育種處理裝置中，種子與溶液之間存在相對運動，流動剪切應力作用於萌動種子表面，將會改變種子的生長狀態。
根據上述物理環境改變對作物育種影響的基本認識，利用本實用新型的模擬失重狀態處理種子的裝置，分三個階段對四十多個品種的各類植物種子進行三維自旋育種處理實驗，研究獲得了出人意料的理想實驗結果。
實驗方法是取同等數量的種子，一份進行三維自旋育種處理後育苗，一份為常規浸種育苗。所用的溶液均為清水(排除其它養分對實驗的幹擾)，定期觀測種子的發芽勢、發芽率、芽苗及根系生長情況。
實驗結果如下1.″野狼″草經三維自旋育種處理的種子(實驗組)較常規育苗的種子(對照組)的出芽率提高了30％-40％；在栽培後的第三天，實驗組根系較對照組根系明顯豐滿；處理組培養第九天的高度為3.1±0.12釐米，對照組僅長0.4±0.19釐米；以莖長5釐米為標準，實驗組所需生長時間比對照組短33％；實驗組培養4天主根長0.46±0.17釐米，而對照組到第10天主根才達0.44±0.10釐米；以主根長3釐米為標準，實驗組所需生長時間比對照組短25％。
2.「愛德城」草在25℃條件下經三維自旋育種處理48小時(100轉/分)的「愛德城」種子的實驗組較對照組變化更大，發芽率比對照組提高40％以上，而且芽苗長勢更快。
上述草種實驗數據證明實驗組的種子發芽率高、根系發達、生長速度快。這項技術的開發及應用將對乾旱缺水的大西部地區的綠化植被、保護生態平衡具有重要的意義。由於它的發芽率、成活率高、生長速度快，可以提高有效種植期內的種植效率。而更重要的是，它的根系發達，直接提高了它本身的抗旱、抗風和固沙能力。
3.對綠豆、白菜等種子進行的三維自旋育種處理，產生了同等的效果。
另有實驗表明，同一品種的種子對三維自旋育種作用時間的明顯差異將會表現出生理特性的有統計意義上的明顯差異。
在實驗中，經過三維自旋育種處理過的種子有著十分顯著的作用，其表現在發芽率高、根系發達、生長速度快，多葉比例大、抗旱性強等特點。
二、溫棚栽培試驗實驗室的育苗實驗研究結果促使我們進一步探索這些經三維自旋育種處理的種苗在整個生命周期中會有哪些變異，能否達到改善果實品質、提高產量、增強抗逆性的育種的目的。我們進行了溫室大棚栽培試驗。試驗裝置和處理方法與實驗室的相同，試驗種子為八寶青菜、蘿蔔(春白玉)、魯梅克斯草、櫻桃西紅柿、茄子、西瓜、絲瓜、綠豆、甘藍包菜、缸豆、櫻桃蘿蔔和辣椒等，進行了大棚栽培試驗。
試驗情況1、蘿蔔(春白玉)第一批實驗在25℃條件下經三維自旋育種處理24小時(65轉/分)的種子與對照組的育苗和生長特性表現為1)處理比對照發芽率高(90％比20％)，發芽勢強，出苗率高 (93.8％比86.1％)，出苗整齊；2)在幼苗生長前期處理的比對照的主根明顯要長；3)處理比對照開展度大；4)處理比對照出葉速度前期慢，後期快；5)處理比對照的葉片大；6)處理比對照分枝多，分枝節位低，開花、結實期推遲；7)處理與對照兩組蘿蔔在土壤中經過91天的生長後大小有著明顯的區別；第二批實驗在25℃條件下經三維自旋育種處理24小時和32小時兩個時間段的種子的育苗與生長情況為1)處理比對照發芽率高(90％比20％，98％比80％)，發芽勢強，出苗率高(94％比86％，96％比84％)，出苗整齊；2)在幼苗生長前期處理的比對照的主根明顯要長；
3)處理與對照兩組蘿蔔在土壤中經過62天的生長後重量有著明顯的區別(454克比313克，491克比311克)；經三維自旋育種處理的蘿蔔種子發芽率高、發芽勢好、出苗率高、出苗整齊、營養生長期延長、抽苔、開花、結實推遲、長日照下能正常開花結實。蘿蔔根部全白、根皮光滑、口感好、肉質清脆、具有甜味。不易糠心、極少發生裂根，可食用期長，採收期從次年二月下旬開始一直持續到五月上旬。而對照組僅到四月初，且粗纖維多，木質化程度高，不可食用，易糠心，裂根嚴重。
實驗還表明經三維自旋育種處理的蘿蔔可在低溫條件下正常發芽出苗，使幼苗期處在低溫季節，因與正常蘿蔔存在一定的時間差、可以多種一季以提高產量、也可進行越冬和夏秋的增淡栽培、利用淡季的市場價格較高，達到增收目的。
2、魯梅克斯草在25℃條件下經三維自旋育種處理24小時，經過三批實驗(60轉/分)，魯梅克斯草表現的情況為處理組比對照組發芽率均要高出80％，出苗率高出10％；處理組比對照組的開展度大、葉片大、葉柄長、分葉快、葉數多、抗旱性強；3、茄子在25℃條件下經三維自旋育種處理72小時(60轉/分)的種子，實驗組的出苗率為86％，對照組的出苗率為86％；實驗組的出苗與長勢整齊，對照組的則高矮參差不齊；4、櫻桃蘿蔔在25℃條件下經三維自旋育種處理23小時(60轉/分)後的種子與對照組的出苗率比值為80％∶48％，實驗組的出苗時間比對照組的出苗時間縮短1.5天；實驗組的子葉開展時間比對照組的子葉開展時間早2天；實驗組的真葉開展時間為9天，對照組的真葉開展時間為10天；收穫期縮短一周；5、綠豆在30℃條件下經三維自旋育種處理8小時，在兩批實驗中(75轉/分)，三維自旋育種處理組比對照組的發芽時間明顯要短；結芽期早，三維自旋育種處理組比對照組要早3天；6、西瓜在25℃條件下經三維自旋育種處理91小時(80轉/分)後的種子，實驗組的出苗率為92％，對照組的出苗率為80％，比之高出12％；生長29天後，實驗組的平均苗長比對照組的平均苗長長16.67cm；7、絲瓜在25℃條件下經三維自旋育種處理72小時(80轉/分)的種子，實驗組的出苗率為88％，對照組的出苗率為80％；實驗組的生長速度快、莖粗長、結多。
8、火炬樹種在80℃條件下經三維自旋育種處理120小時(75轉/分)的種子，實驗組的出苗率高，長勢旺、苗莖粗壯整齊。
9、豌豆在25℃條件下經三維自旋育種處理48小時(5轉/分)的種子，實驗組的出苗率高，長勢旺、苗莖粗壯整齊。
在25℃條件下經三維自旋育種處理40小時(80轉/分)的種子，處理組比對照組發芽率高出30％，出苗率高20％；結球期處理明顯早於對照，結球更大且緊；另外，處理組比對照組抗病性強，在發病盛期，處理的發病率為7％，蟲口密度9％，而對照組的發病率卻達到了96％、蟲口密度達到92％；試驗結論以上一系列預備性的實驗和試種結果，證明了對萌動期的種子進行三維自旋育種處理，不僅對作物的發芽，育苗階段有明顯的效果(提高發芽率，出苗率，根系發達，縮短育苗周期)而且對作物以後的生長期也有著明顯的效果，它可縮短作物的成熟期和延長營養生長期，提高作物的抗病、抗倒伏、抗旱能力，實現高產、豐產，優化果實品質。
為證實實驗的準確性，我們於2001年6月14日到7月15日與中國農科院原子能利用研究所和中國農業大學合作，對苜蓿(新老種子)，綠豆(新老種子)，蘿蔔(新老種子)，大白菜(新老種子)，小麥(新老種子)，野狼草種，西葫蘆等不同的四類種子進行了鑑定性實驗並對其的根和子葉進行同工酶測試，實驗結果與前期的結果一樣，尤其是老化種子效果更為明顯，而且同工酶測試的現象十分顯著，其結果表現的特點在1.發芽快、發芽率高、發芽勢強；2.拱土勢強、生長速度快；3.出苗率高、苗莖粗壯而且整齊；4.根系發達、側根數多；西葫蘆在25℃條件下經過三維自旋育種處理73個小時(80轉/分)後，處理組的發芽率80％，而且比對照組拱土快、長勢高、苗莖更粗壯、根系發達、側根數多；野狼草種在25℃條件下經三維自旋育種處理75小時(60轉/分)後，處理組的發芽率100％，且出苗率高、生長速度快；老化綠豆在25℃條件下經過三維自旋育種處理21至26個小時(75轉/分)後，處理組比對照組發芽率高出90％，各種現象都要強於對照組；老化小麥經過三維自旋育種處理46小時(60轉/分)後，處理組的發芽率100％，且出苗率高、生長速度快；蘿蔔在25℃條件下經過三維自旋育種處理46小時(60轉/分)後的種子與對照組的發芽率比值為99％∶3％，苗壯莖粗、生長速度快。
通過流體力學設計使萌動種子在具有微重力效應的環境裡發育，並運用生物力學的基本原理-應力-生長關係，促進萌動種子胚器官的發育，改變其生理周期，顯著的促進種子萌發，對於老化種子，效果更為突出。在地基模擬微重力效應的三維自旋育種處理實驗中，取得了與太空微重力實驗相似的實驗結果。對於在地面模擬太空誘變培育植物新品種有廣泛的前景，為種子工程科學育苗乃至育種提供了一種高科技的手段。
太空蔬菜無論產量，質量，外形，口感，抗逆性和耐貯運等性能方面均具有國際領先水平，太空蔬菜，因其獨特的口感，營養成分受到國內外消費者歡迎，被聯合國糧農組織譽為21世紀人類理想的新型健康蔬菜。美國，以色列，荷蘭等發達國家均將太空蔬菜作為21世紀新的農業經濟增長點，美，日，西歐在制定的21世紀太空計劃中，將植物在密封太空艙內的生長發育和功能列為研究重點，並著手正在設計新型太空農場；日，美，俄耗巨資，組織科學家進行太空植物的試驗研究，其目的在於揭示和證明宇宙飛船最終要成為「會飛的農場」。中國加入WTO以後，國際優質農產品將大幅度進入我國市場，我國農產品出口將面臨新的挑戰，但我國蔬菜在國際市場上仍佔有較強的優勢，國家計劃在十五期間開通十條綠色通道，建設百家綠色批發市場，創出千種綠色食品和＂有機食品＂品牌，太空蔬菜項目的實施推廣，可進一步提升中國綠色優質農產品出口外銷競爭力。由於「太空育種」成本高，條件受限，主動性差等影響了我國「太空種子」的發展。我們開發研製的具有微重力效應的種子處理技術具有更強的靈活性，實用性，操作簡單，成本低，實驗周期短等特點。為科學育種，育苗提供了一種高科技的手段。例如全國每年種植小麥4.5億畝，需種子45億斤；種植水稻4.8億畝，其中雜交稻2.4億畝，需種子3.5億公斤；常規稻2.4億畝，需種子25億公斤；每年種植雜交玉米約3億畝，需種子7.5億公斤；種植棉花8-9千畝，需種5-6億公斤；還有蔬菜，花卉，草坪種子，每年用量也是以億斤計算。採用此技術經過處理後的種子與常規處理的種子比較，產量將增長10％-20％，按年處理種子的能力為500噸/年比例計算，每一年產生的經濟效益可以達到3000萬元人民幣。該項實驗的成功將給農，林，牧生產特別是種子工程帶來一場根本性的技術革命，運用此技術培育新品種，新種苗投資少，見效快，回報率高，可持續性強，市場前景廣闊，其社會與經濟效益是明顯的。
上面所述實施例是對本實用新型進行說明，並非對本實用新型進行限定。本實用新型要求保護的構思和範圍，都記載在本實用新型的權利要求書中。
權利要求1.模擬失重狀態處理種子的裝置，其特徵在於包括透光材料製成的懸浮筒(1)，所述懸浮筒(1)安裝在橫軸(4)上，形成密封的懸浮倉(10)，所述懸浮筒(1)的內徑與所述橫軸(4)外徑比值為8∶3±0.5以下，懸浮倉(10)設有至少一個溶液交換孔(2)和/或倉門(3)，橫軸(4)的中軸線沿水平方向可調整轉速地安裝在外殼(5)上。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於還包括沿水平方向垂直於所述橫軸(4)的縱軸(6)，所述外殼(5)固定在縱軸(6)上，縱軸(6)可轉動地安裝在支架(7)上，其轉動角度為20°-60°。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於所述橫軸(4)和縱軸(6)採用步進電機(9)拖動，所述懸浮筒(1)筒壁上安裝有自動排氣閥，所述懸浮倉(10)設有兩個溶液交換孔(2)和一個倉門(3)，溶液交換孔(2)各自與進液管(11)和排液管(12)相連接，進液管(11)上設有單向閥(13)或電磁閥，排液管(12)上設有堵頭(14)或電磁閥。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於所述外殼(5)採用透光材料製成，其上設有殼蓋(8)，其內部設有溫度調控裝置。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於所述外殼(5)採用金屬材料製成，其上設有殼蓋(8)，其外表面包裹有保溫材料層，並設有觀察孔，其內部設有照明裝置和溫度調控裝置。
專利摘要模擬失重狀態處理種子的裝置,包括透光材料製成的懸浮筒,所述懸浮筒安裝在橫軸上,形成密封的懸浮倉,所述懸浮筒的內徑與所述橫軸外徑比值為8∶3±0.5以下,懸浮倉設有至少一個溶液交換孔和/或倉門,橫軸的中軸線沿水平方向可調整轉速地安裝在外殼上。其目的是提供一種可在地面模擬失重狀態處理種子的裝置。
文檔編號A01C1/00GK2509828SQ0127858
公開日2002年9月11日 申請日期2001年12月29日 優先權日2001年12月29日
發明者姚永龍, 陶祖萊, 朱雄虎, 郝建平, 胡淵 申請人:北京永天龍生物工程技術有限公司