专利名称：模拟失重状态处理种子的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型概括地说涉及一种在播种或种植前处理种子、根茎或类似物的装置，具体地说涉及一种模拟失重状态在播种或种植前处理种子、根茎或类似物的装置。
背景技术：
20世纪70年代以来，美、苏(俄)、西欧等发达国家进行了大量空间生物科学实验，太空育种是其中一个重要的组成部分。由于植物的种子在太空中几乎不受重力作用，使得植物的种子无法察觉重力的方向，在这种条件下培育出的种子即为太空微重力育种。俄罗斯宇航员曾在“礼炮”号和“和平”号空间站上播种过小麦、洋葱等作物。实验结果表明，在太空中植物要比地球上生长的更快、成熟的更早。美国亦曾进行过燕麦、绿豆等实验，发现其蛋白质含量较地球上含量高，并成功地种出“月球生菜”、“宇宙胡萝卜”、“外太空番茄”等。1987年以来，我国多次成功利用返地式卫星和利用高空气球先后将水稻、小麦、芦笋、玉米、大麦、棉花、谷子、大豆、绿豆、豌豆、红小豆、黄瓜、人参、白莲、辣椒等51种作物的种子进行空间实验，并取得了明显的成果。在对番茄的太空种子的研究中发现，经过太空微重力处理的番茄种子，发芽率为95.8％，种子活力指数为0.420，出苗率为67.2％，而对照组分别为90.8％，0.365和56.7％。经过空间微重力处理后，幼苗生长速度快、茎杆粗壮、叶色浓绿、猝倒病感染率低，单平均果重比对照组重17.7克，单株产量较对照组高7.6％，均达到显著水平。可见，经太空实验培育的“太空种子”具有发芽率高、根系发达、 生长速度快、品质提高、增加产量等优点。但“太空育种”成本极高，育种条件受到需要失重状态环境等因素的限制，影响了“太空种子”的推广和发展
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种可在地面模拟失重状态处理种子的装置。
本实用新型所述的模拟失重状态处理种子的装置，包括透光材料制成的悬浮筒，所述悬浮筒安装在横轴上，形成密封的悬浮仓，所述悬浮筒的内径与所述横轴外径比值为8∶3±0.5以下，悬浮仓设有至少一个溶液交换孔和/或仓门，横轴的中轴线沿水平方向可调整转速地安装在外壳上。
本实用新型所述的模拟失重状态处理种子的装置，其中还包括沿水平方向垂直于所述横轴的纵轴，所述外壳固定在纵轴上，纵轴可转动地安装在支架上，其转动角度为20°-60°。
本实用新型所述的模拟失重状态处理种子的装置，其中所述横轴和纵轴采用步进电机拖动，所述悬浮筒筒壁上安装有自动排气阀，所述悬浮仓设有两个溶液交换孔和一个仓门，溶液交换孔各自与进液管和排液管相连接，进液管上设有单向阀或电磁阀，排液管上设有堵头或电磁阀。
本实用新型所述的模拟失重状态处理种子的装置，其中所述外壳采用透光材料制成，其上设有壳盖，其内部设有温度调控装置。
本实用新型所述的模拟失重状态处理种子的装置，其中所述外壳采用金属材料制成，其上设有壳盖，其外表面包裹有保温材料层，并设有观察孔，其内部设有照明装置和温度调控装置。
本实用新型所述的模拟失重状态处理种子的装置的优点和积极效果在于利用模拟失重状态处理种子的装置使种子作自旋运动以模拟太空育苗、殖种和育种，具有结构简单，操作方便，生产成本低，育苗、殖种和育种周期短的特点，运用此技术培育新品种，新种苗，投资少，见效快，回报率高，可持续性强，市场前景广阔。
本实用新型模拟失重状态处理种子的装置的其他细节和特点可通过阅读下文结合附图详加描述的实施例便可清楚明了。
图1是本实用新型模拟失重状态处理种子的装置的结构示意图；图2是图1的结构示意图的主视剖面图；图3是图2的俯视剖面图；图4是图2的侧视剖面图。
具体实施方式
有实验研究报告指出，植物能准确地察觉重力的方向，但不同植物对重力有不同的敏感性。一般说来，幼苗的根或茎察觉重力刺激所需的时间(阈时)是2-10分钟，对重力的方向产生生理反应的时间通常为15-60分钟。
使处于萌芽状态前、后的作物种子悬浮在液体中并不停的进行随机三维自旋，使其不能在任何一个特定的方向上对重力作用有足够的生理反应时间，也就是使处于萌芽状态前、后的种子在各个方向上所受重力作用与时间的积分趋于零，即等效于失重状态。
依据上述事实，特别是针对植物察觉重力的方向所需的时间较长的特点，本实用新型提供了模拟失重状态处理种子的方法的装置。如图1和图2所示，所述装置包括透光材料制成的悬浮筒1，所述悬浮筒1安装在横轴4上，形成一个密封的悬浮仓10，所述悬浮筒1的内径与所述横轴4外径比值设计为8∶3±0.5以下，悬浮仓10设有两个溶液交换孔2和一个仓门3，溶液交换孔2各自与进液管11和排液管12相连接，进液管11上设有单向阀13或电磁阀，排液管12上设有堵头14或电磁阀，用于装入待处理的种子和充进或排出水溶液，横轴4的中轴线沿水平方向可调整转速地安装在外壳5上。种子可以通过进液管11装入悬浮仓10，通过排液管12排出悬浮仓10，也可以经仓门3将种子和溶液装入或排出悬浮仓10。
如图3和图4所示，所述装置还包括沿水平方向垂直于所述横轴4的纵轴6，所述外壳5固定在纵轴6上，纵轴6可转动地安装在支架7上，其转动角度为20°-60°。
所述横轴4和纵轴6采用步进电机9拖动，所述悬浮筒1筒壁上安装有自动排气阀，用于排出悬浮仓10内的气体。
所述外壳5采用透光材料制成，以便于自然光透射进悬浮仓10，其上设有壳盖8，其内部设有温度调控装置。
在外界温度变化较大、光照条件较差的地区，所述外壳5也可以采用金属材料制成，其上设有壳盖8，其外表面包裹有保温材料层，并设有观察孔，其内部设有照明装置和温度调控装置。
将所述悬浮筒1的内径与所述横轴4外径比值设计为8∶3±0.5以下，可在一定的转速下避免发生种子贴壁现象。
经上述模拟失重处理种子的装置作三维自旋育种处理(以下简称三维自旋育种处理)的四十余个品种的种子在育苗阶段及以后的整个生长发育、成熟期中较常规育种的育苗与生长期的特征有明显的差异。多数种子在栽培过程中表现出发芽率高、生长周期短、根系发达、产量提高的显著优点。其原因在于1、萌动期的种子内部处于其生长周期中非常活跃的状态，对外界的物理、化学环境的改变极为敏感，环境条件的显著变化(这里指的是物理环境的变化)，将会引起种子内部生物运动规律的显著变化甚至是突变。
2、令萌动期的种子处于快速自旋的悬浮状态，在快速自旋时(每分钟数十转)，种子无法产生对特定重力方向和光源方向的“记忆”，也就是说萌芽期的种子在感受到重力和光源刺激的方向前，重力场和光源场的方向已经改变，将正常存在的单向场变成生物学上的多向场。此时，萌芽期种子的根系无法遵循沿特定重力方向生长的规律，芽苗也无法遵循沿光源方向生长的规律，它们均处于无固定方向的开放生长环境，这种环境有助于发育出更为强壮、丰满的根须和芽苗。
3、萌动期的种子在溶液的作用下自旋时，种子的表皮与浸种液之间存在摩擦作用，对种子的表皮进行按摩，这种流体的按摩作用使得种子内部更多的生长酶被迅速激活，从而提高了发芽率，加快了萌芽的生长发育速率。
4、处于萌芽状态下的种子处于快速自旋的悬浮状态时，在自旋过程中产生的离心力的方向与芽苗生长的生物力方向一致，因此它有助于芽苗与根系的生长。
5、实验组与对照组的实验表明模拟失重状态处理种子的装置可促使胚器官更早、更快地发育。实验组较对照组早两天出现极性和根或叶的厚基，产生的小植株叶片即使在实验组的光照度仅为对照组的光照度一半的条件下也能更早地形成叶绿素，同时实验组较对照组有更长、更为丰满的根须和较高的产量。
一系列的实验室的育苗及温棚栽培对比实验证明对处于萌动期的种子，因物理环境的改变(在旋转孵化器里种子受重力和流体动力的作用，使种子在动态平衡区悬浮在溶液中作自选运动而不飘浮或沉降)，对种子发芽和以后作物的生长有明显的促进作用。
本实用新型的基本原理是1、种子利用流体动力产生的圆周运动、重力与浮力的合力产生的垂直运动和左右摆动运动，使种子动态地悬浮于溶液之中，种子在溶液中不断地随机作三维自旋运动，对种子内部的组织器官来说，重力方向是随机的，在种子的各个方向上，重力与时间的积分趋于零。要使种子动态地悬浮于溶液之中，关键是对容器旋转速度的控制，它随处理种子的大小、比重不同而不同。
2、应力-生长关系的揭示是20世纪生物力学的最重要的发现。对动物和植物均适用。在三维自旋育种处理装置中，种子与溶液之间存在相对运动，流动剪切应力作用于萌动种子表面，将会改变种子的生长状态。
根据上述物理环境改变对作物育种影响的基本认识，利用本实用新型的模拟失重状态处理种子的装置，分三个阶段对四十多个品种的各类植物种子进行三维自旋育种处理实验，研究获得了出人意料的理想实验结果。
实验方法是取同等数量的种子，一份进行三维自旋育种处理后育苗，一份为常规浸种育苗。所用的溶液均为清水(排除其它养分对实验的干扰)，定期观测种子的发芽势、发芽率、芽苗及根系生长情况。
实验结果如下1.″野狼″草经三维自旋育种处理的种子(实验组)较常规育苗的种子(对照组)的出芽率提高了30％-40％；在栽培后的第三天，实验组根系较对照组根系明显丰满；处理组培养第九天的高度为3.1±0.12厘米，对照组仅长0.4±0.19厘米；以茎长5厘米为标准，实验组所需生长时间比对照组短33％；实验组培养4天主根长0.46±0.17厘米，而对照组到第10天主根才达0.44±0.10厘米；以主根长3厘米为标准，实验组所需生长时间比对照组短25％。
2.“爱德城”草在25℃条件下经三维自旋育种处理48小时(100转/分)的“爱德城”种子的实验组较对照组变化更大，发芽率比对照组提高40％以上，而且芽苗长势更快。
上述草种实验数据证明实验组的种子发芽率高、根系发达、生长速度快。这项技术的开发及应用将对干旱缺水的大西部地区的绿化植被、保护生态平衡具有重要的意义。由于它的发芽率、成活率高、生长速度快，可以提高有效种植期内的种植效率。而更重要的是，它的根系发达，直接提高了它本身的抗旱、抗风和固沙能力。
3.对绿豆、白菜等种子进行的三维自旋育种处理，产生了同等的效果。
另有实验表明，同一品种的种子对三维自旋育种作用时间的明显差异将会表现出生理特性的有统计意义上的明显差异。
在实验中，经过三维自旋育种处理过的种子有着十分显著的作用，其表现在发芽率高、根系发达、生长速度快，多叶比例大、抗旱性强等特点。
二、温棚栽培试验实验室的育苗实验研究结果促使我们进一步探索这些经三维自旋育种处理的种苗在整个生命周期中会有哪些变异，能否达到改善果实品质、提高产量、增强抗逆性的育种的目的。我们进行了温室大棚栽培试验。试验装置和处理方法与实验室的相同，试验种子为八宝青菜、萝卜(春白玉)、鲁梅克斯草、樱桃西红柿、茄子、西瓜、丝瓜、绿豆、甘蓝包菜、缸豆、樱桃萝卜和辣椒等，进行了大棚栽培试验。
试验情况1、萝卜(春白玉)第一批实验在25℃条件下经三维自旋育种处理24小时(65转/分)的种子与对照组的育苗和生长特性表现为1)处理比对照发芽率高(90％比20％)，发芽势强，出苗率高 (93.8％比86.1％)，出苗整齐；2)在幼苗生长前期处理的比对照的主根明显要长；3)处理比对照开展度大；4)处理比对照出叶速度前期慢，后期快；5)处理比对照的叶片大；6)处理比对照分枝多，分枝节位低，开花、结实期推迟；7)处理与对照两组萝卜在土壤中经过91天的生长后大小有着明显的区别；第二批实验在25℃条件下经三维自旋育种处理24小时和32小时两个时间段的种子的育苗与生长情况为1)处理比对照发芽率高(90％比20％，98％比80％)，发芽势强，出苗率高(94％比86％，96％比84％)，出苗整齐；2)在幼苗生长前期处理的比对照的主根明显要长；
3)处理与对照两组萝卜在土壤中经过62天的生长后重量有着明显的区别(454克比313克，491克比311克)；经三维自旋育种处理的萝卜种子发芽率高、发芽势好、出苗率高、出苗整齐、营养生长期延长、抽苔、开花、结实推迟、长日照下能正常开花结实。萝卜根部全白、根皮光滑、口感好、肉质清脆、具有甜味。不易糠心、极少发生裂根，可食用期长，采收期从次年二月下旬开始一直持续到五月上旬。而对照组仅到四月初，且粗纤维多，木质化程度高，不可食用，易糠心，裂根严重。
实验还表明经三维自旋育种处理的萝卜可在低温条件下正常发芽出苗，使幼苗期处在低温季节，因与正常萝卜存在一定的时间差、可以多种一季以提高产量、也可进行越冬和夏秋的增淡栽培、利用淡季的市场价格较高，达到增收目的。
2、鲁梅克斯草在25℃条件下经三维自旋育种处理24小时，经过三批实验(60转/分)，鲁梅克斯草表现的情况为处理组比对照组发芽率均要高出80％，出苗率高出10％；处理组比对照组的开展度大、叶片大、叶柄长、分叶快、叶数多、抗旱性强；3、茄子在25℃条件下经三维自旋育种处理72小时(60转/分)的种子，实验组的出苗率为86％，对照组的出苗率为86％；实验组的出苗与长势整齐，对照组的则高矮参差不齐；4、樱桃萝卜在25℃条件下经三维自旋育种处理23小时(60转/分)后的种子与对照组的出苗率比值为80％∶48％，实验组的出苗时间比对照组的出苗时间缩短1.5天；实验组的子叶开展时间比对照组的子叶开展时间早2天；实验组的真叶开展时间为9天，对照组的真叶开展时间为10天；收获期缩短一周；5、绿豆在30℃条件下经三维自旋育种处理8小时，在两批实验中(75转/分)，三维自旋育种处理组比对照组的发芽时间明显要短；结芽期早，三维自旋育种处理组比对照组要早3天；6、西瓜在25℃条件下经三维自旋育种处理91小时(80转/分)后的种子，实验组的出苗率为92％，对照组的出苗率为80％，比之高出12％；生长29天后，实验组的平均苗长比对照组的平均苗长长16.67cm；7、丝瓜在25℃条件下经三维自旋育种处理72小时(80转/分)的种子，实验组的出苗率为88％，对照组的出苗率为80％；实验组的生长速度快、茎粗长、结多。
8、火炬树种在80℃条件下经三维自旋育种处理120小时(75转/分)的种子，实验组的出苗率高，长势旺、苗茎粗壮整齐。
9、豌豆在25℃条件下经三维自旋育种处理48小时(5转/分)的种子，实验组的出苗率高，长势旺、苗茎粗壮整齐。
在25℃条件下经三维自旋育种处理40小时(80转/分)的种子，处理组比对照组发芽率高出30％，出苗率高20％；结球期处理明显早于对照，结球更大且紧；另外，处理组比对照组抗病性强，在发病盛期，处理的发病率为7％，虫口密度9％，而对照组的发病率却达到了96％、虫口密度达到92％；试验结论以上一系列预备性的实验和试种结果，证明了对萌动期的种子进行三维自旋育种处理，不仅对作物的发芽，育苗阶段有明显的效果(提高发芽率，出苗率，根系发达，缩短育苗周期)而且对作物以后的生长期也有着明显的效果，它可缩短作物的成熟期和延长营养生长期，提高作物的抗病、抗倒伏、抗旱能力，实现高产、丰产，优化果实品质。
为证实实验的准确性，我们于2001年6月14日到7月15日与中国农科院原子能利用研究所和中国农业大学合作，对苜蓿(新老种子)，绿豆(新老种子)，萝卜(新老种子)，大白菜(新老种子)，小麦(新老种子)，野狼草种，西葫芦等不同的四类种子进行了鉴定性实验并对其的根和子叶进行同工酶测试，实验结果与前期的结果一样，尤其是老化种子效果更为明显，而且同工酶测试的现象十分显著，其结果表现的特点在1.发芽快、发芽率高、发芽势强；2.拱土势强、生长速度快；3.出苗率高、苗茎粗壮而且整齐；4.根系发达、侧根数多；西葫芦在25℃条件下经过三维自旋育种处理73个小时(80转/分)后，处理组的发芽率80％，而且比对照组拱土快、长势高、苗茎更粗壮、根系发达、侧根数多；野狼草种在25℃条件下经三维自旋育种处理75小时(60转/分)后，处理组的发芽率100％，且出苗率高、生长速度快；老化绿豆在25℃条件下经过三维自旋育种处理21至26个小时(75转/分)后，处理组比对照组发芽率高出90％，各种现象都要强于对照组；老化小麦经过三维自旋育种处理46小时(60转/分)后，处理组的发芽率100％，且出苗率高、生长速度快；萝卜在25℃条件下经过三维自旋育种处理46小时(60转/分)后的种子与对照组的发芽率比值为99％∶3％，苗壮茎粗、生长速度快。
通过流体力学设计使萌动种子在具有微重力效应的环境里发育，并运用生物力学的基本原理-应力-生长关系，促进萌动种子胚器官的发育，改变其生理周期，显著的促进种子萌发，对于老化种子，效果更为突出。在地基模拟微重力效应的三维自旋育种处理实验中，取得了与太空微重力实验相似的实验结果。对于在地面模拟太空诱变培育植物新品种有广泛的前景，为种子工程科学育苗乃至育种提供了一种高科技的手段。
太空蔬菜无论产量，质量，外形，口感，抗逆性和耐贮运等性能方面均具有国际领先水平，太空蔬菜，因其独特的口感，营养成分受到国内外消费者欢迎，被联合国粮农组织誉为21世纪人类理想的新型健康蔬菜。美国，以色列，荷兰等发达国家均将太空蔬菜作为21世纪新的农业经济增长点，美，日，西欧在制定的21世纪太空计划中，将植物在密封太空舱内的生长发育和功能列为研究重点，并着手正在设计新型太空农场；日，美，俄耗巨资，组织科学家进行太空植物的试验研究，其目的在于揭示和证明宇宙飞船最终要成为“会飞的农场”。中国加入WTO以后，国际优质农产品将大幅度进入我国市场，我国农产品出口将面临新的挑战，但我国蔬菜在国际市场上仍占有较强的优势，国家计划在十五期间开通十条绿色通道，建设百家绿色批发市场，创出千种绿色食品和＂有机食品＂品牌，太空蔬菜项目的实施推广，可进一步提升中国绿色优质农产品出口外销竞争力。由于“太空育种”成本高，条件受限，主动性差等影响了我国“太空种子”的发展。我们开发研制的具有微重力效应的种子处理技术具有更强的灵活性，实用性，操作简单，成本低，实验周期短等特点。为科学育种，育苗提供了一种高科技的手段。例如全国每年种植小麦4.5亿亩，需种子45亿斤；种植水稻4.8亿亩，其中杂交稻2.4亿亩，需种子3.5亿公斤；常规稻2.4亿亩，需种子25亿公斤；每年种植杂交玉米约3亿亩，需种子7.5亿公斤；种植棉花8-9千亩，需种5-6亿公斤；还有蔬菜，花卉，草坪种子，每年用量也是以亿斤计算。采用此技术经过处理后的种子与常规处理的种子比较，产量将增长10％-20％，按年处理种子的能力为500吨/年比例计算，每一年产生的经济效益可以达到3000万元人民币。该项实验的成功将给农，林，牧生产特别是种子工程带来一场根本性的技术革命，运用此技术培育新品种，新种苗投资少，见效快，回报率高，可持续性强，市场前景广阔，其社会与经济效益是明显的。
上面所述实施例是对本实用新型进行说明，并非对本实用新型进行限定。本实用新型要求保护的构思和范围，都记载在本实用新型的权利要求书中。
权利要求1.模拟失重状态处理种子的装置，其特征在于包括透光材料制成的悬浮筒(1)，所述悬浮筒(1)安装在横轴(4)上，形成密封的悬浮仓(10)，所述悬浮筒(1)的内径与所述横轴(4)外径比值为8∶3±0.5以下，悬浮仓(10)设有至少一个溶液交换孔(2)和/或仓门(3)，横轴(4)的中轴线沿水平方向可调整转速地安装在外壳(5)上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包括沿水平方向垂直于所述横轴(4)的纵轴(6)，所述外壳(5)固定在纵轴(6)上，纵轴(6)可转动地安装在支架(7)上，其转动角度为20°-60°。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述横轴(4)和纵轴(6)采用步进电机(9)拖动，所述悬浮筒(1)筒壁上安装有自动排气阀，所述悬浮仓(10)设有两个溶液交换孔(2)和一个仓门(3)，溶液交换孔(2)各自与进液管(11)和排液管(12)相连接，进液管(11)上设有单向阀(13)或电磁阀，排液管(12)上设有堵头(14)或电磁阀。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述外壳(5)采用透光材料制成，其上设有壳盖(8)，其内部设有温度调控装置。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述外壳(5)采用金属材料制成，其上设有壳盖(8)，其外表面包裹有保温材料层，并设有观察孔，其内部设有照明装置和温度调控装置。
专利摘要模拟失重状态处理种子的装置,包括透光材料制成的悬浮筒,所述悬浮筒安装在横轴上,形成密封的悬浮仓,所述悬浮筒的内径与所述横轴外径比值为8∶3±0.5以下,悬浮仓设有至少一个溶液交换孔和/或仓门,横轴的中轴线沿水平方向可调整转速地安装在外壳上。其目的是提供一种可在地面模拟失重状态处理种子的装置。
文档编号A01C1/00GK2509828SQ0127858
公开日2002年9月11日 申请日期2001年12月29日 优先权日2001年12月29日
发明者姚永龙, 陶祖莱, 朱雄虎, 郝建平, 胡渊 申请人:北京永天龙生物工程技术有限公司