应用于特殊生长状态植物的培育系统及方法与流程

本发明涉及植物育种，涉及植物培育系统及方法，尤其涉及应用于特殊生长状态植物的培育系统及方法。

背景技术：

1、植物的生长需要适当的外界条件，如适宜的光照、氧含量、养分、温度、湿度等。光照对植物的生长和形态建成具有重要作用，其在植物的光合作用、蒸腾作用和营养物质运输过程中对植物的生长产生直接或间接的影响。光是重要的信号传导的参与者，植物的各器官中分布着能够吸收光的光受体，在光照不足的条件下，植物不能产生足够的有机物质以作为其生长的物质基础，而光照过度会对植物造成伤害，如导致叶片发黄、脱水死亡等；并且，光照强度、光源波段类型、光照时间均会对植物的生长过程产生作用。随着对太阳光谱光波研究的深入，植物的培育能够利用人造灯光为植物提供光源。

2、在对具有研究价值的特殊植物进行培育时，常常需要对其提供特殊的培育光照，如黄化、白化的特殊植株，其生长较为缓慢，培育特点为光照需求较低、营养需求较高且较依赖根系生长。当这类特殊植株生长在自然环境时，研究人员通常基于已有的经验来培育植物，植物通过外界的自然太阳光照进行光合作用，研究人员根据经验为植物添加营养物质以促进其生长。该培育方法的缺点在于：自然环境提供的光照强度和光照时长无法控制，尤其是，当光照强度过大，光照时间过长时，植株容易脱水萎蔫、营养成分流失，进而导致植株死亡；另一方面，研究人员通常是根据经验为培育植物添加理论上适宜的营养物质，对于特殊状态的植物，如黄化、白化的植株，其营养元素的丰缺情况不同，组织结构具有差异、根系吸收情况不同，因而植物的生长过程具有差异，现有培育方法不能根据其生长实际需要的环境条件或营养需求为其提供最佳生长条件。因此，依据理论值提供的光照条件、营养物质条件对于黄化或白化植物而言，光照强度或光照时长不适宜、营养物质的添加量过多或过少，均会阻碍其生长，因此，需要能够根据特殊状态的植物的实际生长情况而为其提供更合理的资源配置方案，以使得植物的处于最优的生长状态。

3、此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

1、在对特殊生长状态的植物进行培育时，需要提供特殊的培育光照，例如，黄化、白化的植株的培育。传统的培育方法中，研究人员根据自身经验为这些特殊植物设置理论上适合的生长条件，包括光照条件、营养物质条件等的设置，根据理论值为特殊生长植物提供的条件可能实际上不适合该类植物的发育，其并未考虑到特殊生长状态的植物的实际需求。就黄化植物而言，植物的黄化程度不同，其全株的生长发育状况均有差异，具体地，其叶绿素的含量不同、根系活力不同、代谢水平不同；对白化植物而言，白化植物体缺乏叶绿素，但还有类胡萝卜素、花青素等，仍然可以吸收光进行光合作用，只是光合效率较低。当这类特殊植物生长在不适合的环境时，由于其进行光合作用、吸收水分和养分的能力不同，环境中的光照相对于该类植物的需求过高或过低，环境中的营养物质相对于该类植物的需求而言就会过多或过少，当环境中的营养物质浓度过高，植物根部无法利用渗透压进行吸水；当环境中的营养物质过少，植物无法获取充足的养分进行生命活动，进而导致植物的生长受阻。

2、现有技术已经出现通过叶绿素含量检测来对植物光照条件进行控制以提高植物光合速率的技术方案。例如，公布号为cn 113228967a的专利文献公开了一种基于植物特征光谱led照明的育苗系统，包括相互连接的led光源模块和控制模块，led光源模块包含多条led支路，led光源模块通过连通不同的led支路实现不同程度的光照，控制模块产生控制信号并发送至led光源模块，led光源模块根据控制信号连通不同的led支路，该系统还包括用于采集植物的叶绿素含量信号并发送至控制模块的叶绿素采集模块，控制模块根据叶绿素含量信号产生控制信号。该技术方案通过采集植物的叶绿素含量并进行分析，从而控制led光源的光照强度，当植物叶绿素含量较高时，控制led光源发出较强的光照，提高光合效率，促进植物更好地生长；当植物叶绿素含量较低时，控制led光源发出较弱的光照，从而实现节约能源的效果。然而，该技术方案仅根据叶绿素的含量来对led光源的光照强度进行控制，即根据叶绿素的实际水平来对光照条件进行控制，以提供与叶绿素含量水平相匹配的光照水平，以防止过度光照所带来的能源浪费。此种设置方式忽略了植物在实际生长过程中的叶绿素水平控制要求，无法使得植物的生长状态变化与实际的生长条件控制要求相匹配，尤其是培育特殊生长状态植株的生长条件控制要求，更无法确保例如黄化状态或白化状态的植物生长符合预期培养状态。此外，该技术方案主要通过光束的发射与接收过程来测定植物的叶绿素含量，由于特定类型的光线发出后，难以避免会受到实际环境的干扰(吸收或折射等)，进而导致其所获取的叶绿素含量水平与植物实际叶绿素含量存在较大误差，从而导致光照条件的控制准确性降低。

3、针对现有技术之不足，本发明提供了应用于特殊生长状态植株的培育系统，所述系统包含用于获取所述植物的作为给所述植物初始生长条件的依据的叶片信息的采集模块，用于获取供给所述植物的营养物质的信息的检测模块，以及控制模块，所述控制模块基于所述检测模块获取的营养物质信息确认所述植物的光合作用强度，从而达到基于植物的光合作用强度调节为植物提供光照的照明模块的光照强度和/或光照周期的目的，其中，所述叶片信息为叶片可光合面积的占比，所述营养物质信息指为植物提供的营养物质的浓度的变化信息。

4、与现有技术不同的是，本发明针对需要进行特殊生长条件控制的植物培养过程，首先根据采集模块所获取的叶片信息生成植物初始生长条件，同时通过控制模块基于检测模块获取供应给植物的营养物质信息确定植物的实际光合作用强度，并基于该光合作用强度对植物实际光照参数进行调整。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何在叶绿素含量无法反映植物实际生长状态的情况下对植物的实际生长状态进行检测，并根据检测结果调整相应的培育条件，以使得植物的生长状态符合预期的要求。具体地，对于特殊生长的植物来说，例如黄化植物、白化植物等，由于叶绿素的缺乏，该类型植物实际的叶绿素含量无法反映植物实际的生长状态，如果仅根据所检测到的叶绿素水平对植物生长条件进行控制，例如上述现有技术指出的，根据叶绿素水平调整实际的光照参数，此时低叶绿素水平对应着低的光照参数，进而导致该特殊类型的植物的生长状态更加显著落后于预期的培育要求。基于此，本发明通过采集培育植物的叶片信息以获取可光合面积的占比，进而判断植物的光合能力，并将获取的叶片可光合面积作为初始培育植物时营养物质和光照条件的设置依据。由于初始培育植物时，并不能准确获知植物的生长特征，根据经验设置的培育条件可能导致培育的植物偏离预期生长状态，因此，首先获取植物叶片的可光合面积的占比判断其光合能力，再给定初始的光照条件和营养条件。培育过程中，通过检测植物消耗营养物质的强度判断植物实际的生长状态，再对给定的初始光照条件进行调整，以使得光照条件能够符合植物生长的实际需求。进一步地，本发明提供的系统适用于特殊生长的植物，例如，黄化植物、白化植物等。特殊生长的植物的生长条件相比于正常生长的植物的生长条件更严格，尤其是针对具体的培育目的/试验目的培育植物时，其生长条件需要严格控制，例如，试验需要保证植物正常生长，并且植物的叶绿素含量少，本发明提供的系统通过检测营养物质的消耗速度判断植物实际生长状态，在保证植物能够正常的情况下改变其生长条件，以降低或增加叶绿素含量，并通过采集模块确认植物的叶片的可光合面积的占比判断植物的叶绿素含量是否达到要求。

5、优选地，初始生长条件包括初始培育植物时提供营养物质的浓度、光照强度、光照周期。特殊植物生长过程中，光照条件和营养物质条件是主要的影响因素，光照条件直接影响植物的光合作用，而对光合作用具有重要作用的金属离子，如，镁、铁、铜、锌等，来源于提供的营养物质，二者关系密切，相互影响，因此植物培育过程中通过改变营养物质的浓度、光照强度、光照周期等条件以控制植物的生长状态。

6、优选地，控制模块被配置为：

7、当叶片的可光合面积的占比低于参考区间的下限时，以第一供应模式为植物提供初始生长条件，第一供应模式优选为以第一浓度的营养物质、第一光照强度、第一光照时长培育植物；

8、当叶片可光合面积的占比处于参考区间内时，以第二供应模式为植物提供初始生长条件，第二供应模式以第二浓度的营养物质、第二光照强度、第二光照时长培育植物；

9、当叶片可光合面积的占比超过参考区间的上限时，以第三供应模式为植物提供初始生长条件，第三供应模式以第三浓度的营养物质、第三光照强度、第三光照时长培育植物；其中，

10、第一浓度<第二浓度<第三浓度，

11、第一光照强度<第二光照强度<第三光照强度，

12、第一光照时长<第二光照时长<第三光照时长。

13、与现有技术不同的是，本发明的控制模块能够根据所检测到的叶片可光合面积的占比差异调整相应的植物初始生长条件供应模式。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何根据植物初始生长状态的差异调整初始生长条件的设置参数，以提高特殊类型植物生长过程中的资源利用率。具体地，本发明通过叶片可光合面积的占比判断植物的黄化程度。相比于正常植物的可光合面积，黄化植物的可光合面积占比减小，植株进行光合作用的强度随之减小，即，黄化植物的光合作用减缓，若此时以正常植物生长的标准为黄化植物设置环境参数，一方面，培育系统本身能源消耗大，提供的光照强度强、光照时间过长造成能源浪费，加重培育系统的负荷；另一方面，植株本身的生长会受到阻碍，这是因为植物具有一定的光照接收能力，而该能力被限制在一定范围，可体现在新陈代谢速度方面，当外界提供的光照强度超过了植物能够接受的范围时，会抑制植物的生长，例如，叶片脱水干枯，严重时会导致植物枯萎死亡；对于黄化植物而言，不合适的光照条件超过其接收能力，加重了植物的生长负担。尤其地，光照时间过长，容易引起植物徒长。因此在提供初始生长条件时以不同的供应模式培育植物。

14、优选地，所述控制模块被配置为，当营养物质的消耗速度超过预设范围的上限，增加营养物质的浓度、降低光照强度和/或减少光照时长。植物在该光照条件下说明光合作用旺盛，当光合作用强度较大时，植物消耗营养物质的速度也较快，对于设置好的营养物质供应间隔时间或更换时间的培育系统而言，可能还未到营养物质补充的时间，其营养物质就会供应不足，进而导致植物生长受阻。因此，需要降低光照强度和/或减少光照时长，减慢营养物质的消耗。

15、优选地，营养物质的消耗速度指在间断时间内营养物质的浓度的降低的速度。

16、优选地，预设范围指植物在适宜的环境条件下消耗营养物质的速度的变化范围。

17、优选地，所述控制模块被配置为，当营养物质的消耗速度低于预设范围的下限，降低营养物质的浓度、增加光照强度和/或光照时长。当光合作用强度较小时，植物消耗营养物质的速度慢。光合作用的强度和养分吸收速率具有显著联系，若养分未被吸收而累积在栽培池中，可能出现外界环境的渗透压高于根部，使得根部吸收养分减慢或不能吸收养分，阻碍植物的生长，因此，增加光照强度和/或光照时长以加快消耗营养物质，并保证植物的正常生长能力。

18、优选地，所述控制模块被配置为：当植物在第二供应模式下生长并检测到营养物质的消耗速度低于所述预设范围的下限而能够维持植物继续生长的第一范围时，调整为第一供应模式对植物进行培育，以降低植物的叶绿素含量。初始生长条件为第二供应模式，待植物适应一段时间后再以第一供应模式培育植物。基于上述与现有技术的区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何避免植物在由叶片可光合面积的占比确定的初始给定条件不足以维持植物生长的情况下提高其成活率。具体地，这样设置的目的是，给植物缓冲适应的时间，若在初始给定的条件下即降低过多的营养物质的浓度、光照强度、光照时长，植物可能会死亡，因此，在植物适应第二供应模式后再以第一供应模式培育植物。

19、优选地，所述控制模块被配置为：当植物在第一供应模式下生长并检测到营养物质的消耗速度低于所述第一范围的下限时，调整为第二供应模式对植物进行培育，以维持植物正常生长。植物在第一供应模式下生长时的消耗速度低于所述第一范围的下限时，植物吸收营养物质的能力下降，说明植物的生长受限，系统提供的生长条件限制植物生长，因此，需要增加光照强度、光照时长、营养物质的浓度，以促进植物生长，进而保证植物恢复正常生长状况。

20、本发明还提供应用于特殊生长状态植株的培育方法，包括如下步骤：

21、获取植物的叶片可光合面积的占比以作为给所述植物初始生长条件的依据；

22、获取供给所述植物的营养物质的信息以确认所述植物的光合作用强度；

23、基于植物的光合作用强度调节营养物质的浓度、光照强度和/或光照周期。

24、优选地，所述营养物质信息指为植物提供的营养物质的浓度的变化信息。

25、优选地，根据植物的叶片可光合面积的占比来判断植物的黄化程度。

26、优选地，控制模块被配置为：当叶片可光合面积的占比低于参考区间的下限，判断植物为一级黄化植物。具体地，参考区间的下限为0.5。优选地，一级黄化植物表示植株黄化症状严重，其叶绿素含量远低于正常植物的叶绿素含量。

27、优选地，控制模块被配置为：当叶片可光合面积的占比处于参考区间内，判断植物为二级黄化植物。优选地，二级黄化植物表示植株黄化症状处于中等，其叶绿素含量低于正常植物的叶绿素含量。

28、优选地，控制模块被配置为：当叶片可光合面积的占比超过参考区间的上限，判断植物为三级黄化植物。具体地，参考区间的上限为0.75。优选地，三级黄化植物表示植株黄化症状处于轻微，其叶绿素含量略低于正常植物的叶绿素含量。

29、优选地，第一供应模式优选为正常的同种植物生长所需的营养物质的浓度、光照强度、光照时长的30％～50％。

30、第二供应模式优选为正常的同种植物生长所需的营养物质的浓度、光照强度、光照时长的60％～80％。

31、第三供应模式优选为正常的同种植物生长所需的营养物质的浓度、光照强度、光照时长的80％～90％。

32、优选地，叶片可光合面积的占比的参考区间用于为初始培育植物时提供营养物质和光照条件的设置依据。

33、优选地，植物的营养物质的消耗速度由培育过程中营养物质的浓度变化体现。具体地，营养物质的浓度的降低速度越快，植物的营养物质的消耗速度越快。

34、与现有技术不同的是，本发明的控制模块能够根据植物的叶片可光合面积的占比情况确定植物的黄化程度，并能够根据所确定的植物的黄化程度确定相应的植物生长条件供应参数。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何确定植物的黄化程度，并根据植物的不同黄化程度提供与其相适配的生长条件控制参数，以在提高资源利用率的同时，提高特殊植物类型的存活率。具体地，本发明的有益效果：

35、本发明首先通过采集培育植物的叶片信息以获取可光合面积的占比，初步判断植物的光合能力，并将获取的叶片可光合面积作为初始培育植物时营养物质和光照条件的设置依据。由于初始培育植物时，并不能准确获知植物的生长特征，与传统方法相比，本发明的好处在于：对于特殊生长状态的植物，如黄化、白化植物，植物本身比较脆弱，虽然现有技术能够直接检测叶绿素含量，但其通常做法为将仪器夹在植物叶片上进行检测，或者，通过摘取叶片进行试验检测以获得植物叶绿素含量。传统技术的弊端在于：特殊生长的植物(黄化或白化植物)相比于正常生长的植物是比较脆弱的，采用夹叶片或摘取叶片检测叶绿素会损伤植物，提高植物的死亡概率，并且，传统方法检测植物叶绿素含量会花费大量时间，浪费大量人力。本发明采用图像采集模式，通过叶片的颜色判断叶绿素含量，能够实现快速获取检测结果，该方法适用于不同规模的培育系统，尤其是规模较大的培育系统，采用本发明的方法可在很大程度上节约时间、减少人力浪费。

36、本发明通过叶片可光合面积的占比判断植物的黄化程度。相比于正常植物的可光合面积，黄化植物的可光合面积占比减小，植株进行光合作用的强度随之减小，即，黄化植物的光合作用减缓，若此时以正常植物生长的标准为黄化植物设置环境参数，一方面，培育系统本身能源消耗大，提供的光照强度强、光照时间过长造成能源浪费，加重培育系统的负荷；另一方面，植株本身的生长会受到阻碍，这是因为植物具有一定的光照接收能力，而该能力被限制在一定范围，可体现在新陈代谢速度方面，当外界提供的光照强度超过了植物能够接受的范围时，会抑制植物的生长，例如，叶片脱水干枯，严重时会导致植物枯萎死亡；对于黄化植物而言，不合适的光照条件超过其接收能力，加重了植物的生长负担。尤其地，光照时间过长，容易引起植物徒长。因此需要根据植物实际生长状况提供光照条件。

37、在培育过程中，检测植物的营养物质的消耗速度可以判断其进行光合作用的强度，以调整植物的生长环境条件。当营养物质的消耗速度超过预设范围的上限，降低光照强度和/或减少光照时长，植物在该光照条件下说明光合作用旺盛，当光合作用强度较大时，植物消耗营养物质的速度也较快，对于设置好的营养物质供应间隔时间或更换时间的培育系统而言，可能还未到营养物质补充的时间，其营养物质就会供应不足，进而导致植物生长受阻。因此，需要降低光照强度和/或减少光照时长，减慢营养物质的消耗。当营养物质的浓度的消耗速度低于预设范围的下限，增加光照强度和/或光照时长，植物在该光照条件下光合作用缓慢，当光合作用强度较小时，植物消耗营养物质的速度慢。光合作用的强度和养分吸收速率具有显著联系，若养分未被吸收而累积在栽培池中，可能出现外界环境的渗透压高于根部，使得根部吸收养分减慢或不能吸收养分，阻碍植物的生长，因此，增加光照强度和/或光照时长以加快消耗营养物质。

38、尤其地，对于特殊需求的植物而言，例如，提取线粒体dna的试验，需要降低叶片中的叶绿体含量，以减少对试验结果的干扰。本发明提供的培育系统基于叶片可光合面积给定初始的光照条件和营养物质浓度，将植物的生长条件控制在适合于当前黄化植物的状态，若给定的光照强度和营养物质浓度过多，可能引起植物生长受限，或者，叶绿体含量增加，使得培养出的植物不符合试验要求。本发明根据植物实际生长情况来控制生长条件，保证获得的试验植株的可用性，而传统的培育方法无法达到这样的目的，例如，光照强度、光照时间未控制到适宜程度导致植物的叶绿素含量发生显著改变，对于科研项目的要求而言，每一阶段的进展都有严格要求，传统的培育方法根据理论值设置植物的环境条件，但是理论上适宜的条件并不等于植物实际需要的环境条件，通常是培育进行到一定阶段后才发现设置的条件不合适，当发现在该条件下培育出的试验植株不能用于科研，会造成极大的科研浪费，因此，本发明相较于传统的培育方法具有显著的优越性。