專利名稱：培育植物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及培育植物，特別是涉及培育過程中植物生長的條件。
植物培育一般以在給定物種的植物中形成基因型變異而開始?；蛐妥儺惖男纬梢蕾囉谶z傳改變的產(chǎn)生，所述遺傳改變可通過包括通過經(jīng)典雜交的重組、化學(xué)誘變、放射誘導(dǎo)的突變、體細胞雜交、種間雜交和基因工程的技術(shù)獲得?；蛐妥儺愋纬芍?，進行對那些具有最合乎需要的農(nóng)學(xué)表型的基因型的挑選。
植物培育中，挑選那些具有最合乎需要的農(nóng)學(xué)表型的基因型的過程，典型地是在如下的田地里進行該田地由幾小塊土地組成，每一小塊典型的是由至少幾平方米組成，或具有足以種植至少數(shù)十個植株的面積。以統(tǒng)計學(xué)上合理的方式對表型的評估需要每一基因型在幾個不同的(典型的是不少于三)小塊土地中種植，并評估其表型。甚至在田地實驗開始前，植物培育者需要充足的種子以種植出所需數(shù)目的進行實驗的植株。給定基因型的種子經(jīng)常只能獲得少量，因此實驗開始前經(jīng)常需要產(chǎn)生較多的種子。種子產(chǎn)生典型的是通過種植植物(有時是多代)以獲得需要的種子數(shù)量而完成田間規(guī)模的實驗。
為了培育的成功，必須檢測足夠數(shù)目的遺傳變異以確認龐大數(shù)目中的少部分是農(nóng)學(xué)上適合的。挑選基因型的方法必須對探測不同基因型之間的表型差異有充分識別力，并需要一套足夠詳細而能充分描述所觀察到的表型的參數(shù)作為基礎(chǔ)。
表型(基于例如生長習(xí)性、產(chǎn)量潛力和應(yīng)激抗性結(jié)果)是基因型本身(基因型相關(guān)的表型)和環(huán)境(環(huán)境相關(guān)表型)導(dǎo)致的結(jié)果。環(huán)境相關(guān)的表型受由諸如溫度、濕度、光照、營養(yǎng)和供應(yīng)的變化而引起的生長環(huán)境的變化的影響。使表型引導(dǎo)的對所需基因型的挑選變得模糊的重要因素是環(huán)境相關(guān)表型成分的改變。當(dāng)基于表型的培育在田間進行時，絕大多數(shù)環(huán)境變化來自植物生長的土壤的非統(tǒng)一性。土壤組成、土壤的物理性質(zhì)、營養(yǎng)的可利用性、水和微生物性土壤習(xí)居菌的存在可以在天然土壤的短距離間發(fā)生改變。避免緣于土壤異質(zhì)性的變化的一種方式是使植物生長在含有較好限定的基質(zhì)例如盆載土壤(potting soil)、蛭石或礦棉(rock wool)的容器(罐、盤等)中。植物在指定基質(zhì)上的生長通常在溫室中完成，以便給予植物的水和營養(yǎng)物的量可以控制。在這些條件下種植植物顯著減少了環(huán)境性的變化。然而，甚至當(dāng)植物生長在裝備有氣候控制系統(tǒng)(制熱、制冷、通風(fēng)、濕度控制系統(tǒng))和營養(yǎng)/水傳送系統(tǒng)的溫室中時，環(huán)境條件仍然根據(jù)溫室內(nèi)部的幾何位置而有變化。這一環(huán)境變化可緣于植物與用于氣候控制和營養(yǎng)/水傳送的裝置例如制熱元件、制冷元件、窗戶、門、噴霧裝置、通風(fēng)設(shè)備、水入口和水出口的位置遠近的差異。
生長在溫室中的植物可以自動化操作，因為它們通常生長在易于被從自動裝置上移來移去的罐中。
當(dāng)在溫室環(huán)境中培育開放傳粉植物如玉米時，限制環(huán)境內(nèi)部花粉的流動很重要。無法這樣做，會并非所愿地引起環(huán)境內(nèi)部出現(xiàn)的不同遺傳特征的混合。玉米，一種開放傳粉植物，在溫室環(huán)境中生長的傳統(tǒng)方式，涉及通過覆蓋植株的雌性部分而限制花粉流動的必要性。在玉米的情形中，每一雌性器官(具有延伸性穗絲的穗)被(紙)包覆蓋以防止花粉和這些部分的接觸。通過去掉這些包以暴露雌性部分，然后搖動鄰近雌性器官的穗(玉米植株的雄性器官)，而以可控方式進行授粉。這一過程產(chǎn)生了授粉效率的相當(dāng)大的可變性，不僅是因為所用的花粉的數(shù)量和質(zhì)量的變化，而且是因為有關(guān)確定授粉時間的困難，原因是雌性器官處于授粉最佳狀態(tài)的可利用時間很短。因此，關(guān)于在溫室環(huán)境中培育開放傳粉植物的傳統(tǒng)方法存在很大問題。
本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供培育植物的改進性方法。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供培育植物的改進性方法，其中植物培育可應(yīng)用比傳統(tǒng)培育方法更少的種子數(shù)量來進行。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)是克服部分上述問題和提供用于在溫室環(huán)境中培育開放傳粉植物的改進性方法。
我們目前已發(fā)現(xiàn)通過改變生長植株在溫室中的位置可顯著減少環(huán)境相關(guān)的表型對表型分型(phenotyping)結(jié)果的影響。環(huán)境相關(guān)的表型對表型分型結(jié)果的影響，可通過使植物在具有受控氣候條件和受控的營養(yǎng)和灌溉水供應(yīng)的環(huán)境中生長于相同特征的生長培養(yǎng)基上而進一步減少。
本發(fā)明因此在一個方面提供了培育植物的方法，包括在一定的環(huán)境中在盛有相同特征生長培養(yǎng)基的容器陣列中種植某一物種的植物，該環(huán)境為具有受控氣候條件和受控的營養(yǎng)物與灌溉水供應(yīng)，以及根據(jù)需要在該環(huán)境內(nèi)部改變?nèi)萜魑恢靡源_保將容器中的所有植物至少基本均一地暴露于該環(huán)境條件。根本本發(fā)明的方法優(yōu)選包括鑒別植物在生長周期中每隔一段時間的表型特征如生長、產(chǎn)量和對非生物性應(yīng)激的抗性的進一步的步驟。例如，植物可肉眼評估，或通過應(yīng)用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備而被評估。如果需要，可應(yīng)用算法選擇和評估信息并對結(jié)果進行統(tǒng)計學(xué)分析以鑒別性狀優(yōu)勢(trait leads)。也優(yōu)選通過比較植物的表型特征而挑選植株，用于進一步的培育或商業(yè)應(yīng)用。
本文中所用“包含”包含“包括”的意思和“基本由......組成”的意思。
根據(jù)本發(fā)明的方法中，容器的位置可連續(xù)或或每隔一段時間地改變。在優(yōu)選方法中，它們一定程度地以由操作者根據(jù)對植株生長特征的觀察而預(yù)設(shè)的時間間隔來改變。容器在環(huán)境內(nèi)部的位置可以最高至兩周的時間間隔而被改變，優(yōu)選六小時到兩周，更優(yōu)選一天到一周的時間間隔。優(yōu)選容器在環(huán)境內(nèi)部的位置自動改變。一種優(yōu)選的裝置支撐了含植株的罐的形式的容器陣列。雖然植株能以一個大罐，或在盤中，或在由物理相連的罐組成的盤中數(shù)個個體的方式種植，但優(yōu)選每一罐中種植一個植株。
適合在根據(jù)本發(fā)明的方法中應(yīng)用的設(shè)備優(yōu)選包括傳輸裝置，容器以水平放置的均一陣列而被支持于其上。傳輸裝置優(yōu)選地包含多個共同延伸的(co-extensive)儲存?zhèn)鬏敊C，其每一個都包含“U”型槽，槽底裝有平放的帶子，并包含轉(zhuǎn)運傳送裝置。優(yōu)選所述的帶子在槽中通過發(fā)動機如電發(fā)動機移動。在本文下面所描述的一種優(yōu)選設(shè)備中，提供了能在特定的槽前面自行定位的往復(fù)自動裝置(shuttle robot)，自動裝置中的發(fā)動機可被開啟以在槽中向前或向后拉動帶子，從而進行容器進出槽的運送。槽末端與轉(zhuǎn)運傳送器連通通，以便容器可進行槽到槽的前后運送以及到陣列中特定區(qū)域的前后運送。優(yōu)選地，使發(fā)動機連續(xù)或每隔一段時間移動，時間間隔例如從六小時到兩周，更優(yōu)選從一天到一周。因此，儲存?zhèn)鬏敊C可通過發(fā)動機裝置移動，以朝著第一轉(zhuǎn)移位置(transfer station)移動該儲存?zhèn)鬏敊C上支撐的一排容器，在第一轉(zhuǎn)移位置處，這一排容器最末端的一個被轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)運傳送裝置，操縱轉(zhuǎn)運傳送裝置以將其上支撐的容器移動到第二轉(zhuǎn)移位置，而操縱另一個儲存?zhèn)鬏敊C的發(fā)動機裝置來收集(colect)容器。
在某一優(yōu)選的安排中，轉(zhuǎn)運傳送裝置被安排以便容器以直線路徑從第一提到的儲存?zhèn)鬏敊C轉(zhuǎn)運到第二儲存?zhèn)鬏敊C。在另一安排中，轉(zhuǎn)運傳送裝置被安排以使容器以閉合路徑從第一提到的儲存?zhèn)鬏敊C轉(zhuǎn)運到第二儲存?zhèn)鬏敊C，例如可采用旋轉(zhuǎn)桌，而如果這樣，數(shù)個容器可被放于其上，并以隨機順序從那里被移去而被送到了第二儲存?zhèn)鬏敊C。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，容器根據(jù)容器中植株所占體積而被盡可能緊密地放置在一起。
根據(jù)本發(fā)明的方法具有多種優(yōu)勢。它使影響植株表型并因此干擾了對目的基因型相關(guān)表型的挑選的環(huán)境差異得到有效抑制。通過在植物的生命周期中改變其位置，它們在每一位置被暴露于稍有不同的環(huán)境設(shè)置中。當(dāng)培育群體中的所有植株的位移以充分高的頻率(例如每天一次或每周一次)發(fā)生時，對群體的空間效應(yīng)將會隨機化。培育過程中環(huán)境對植物表型影響的抑制使將被挑選出的目的基因型更加可靠。鑒別表型(它是如生長、產(chǎn)量或應(yīng)激抗性的特征)的步驟通過改變植株的位置而促進。例如，在植株表型通過合適的設(shè)備評估時，植株可以合適的時間間隔移動到評估設(shè)備所在的位置。被增強的生長植物的統(tǒng)一性也允許更小植物群體用于研究，其因此減少了成本。相對于要求較大的植物群體(典型的是在田間規(guī)模上)以精確評估與不同基因型相關(guān)的表型改變的傳統(tǒng)方法，這允許了應(yīng)用較小的植物群體(典型的是在溫室規(guī)模上)對多種農(nóng)學(xué)特征如產(chǎn)量的培育。該方法也給出了更有效率的植物培育，因為如果研究的固定數(shù)目的遺傳改變，所需有區(qū)別效率的固定水平(fixed level of required discriminativepower)，代表一定遺傳改變的群體的大小可被減小，造成在種子可用性有限(經(jīng)常是形成遺傳改變后的生產(chǎn)中的情形)的條件下可靠地建立表型的能力，而這樣就省略了對擴大種子繁育的需要和隨之發(fā)生的時間喪失。
在培育轉(zhuǎn)基因植物以得到多種目的表型特征(特性)的情形中，能以盡可能較小的種子數(shù)目進行培育過程的優(yōu)勢特別有意義。
培育轉(zhuǎn)基因植物包括將至少一種核酸引入單個植株。不同植株可具有相同或不同的引入的核酸。植株然后進行生長，并被評估以鑒定帶有目的特性的植株。帶有這類目的特性的植株可在田間環(huán)境中被進一步評估，或可與同一農(nóng)作物品種的不同種自交系回交，或可被用于產(chǎn)生或測試雜交體，或被用作種子的生產(chǎn)，也許是商業(yè)用途。
有利的是，任何植物都可進行本發(fā)明的培育方法。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，進行該培育方法的植物是自花傳粉植物，例如稻。自花傳粉植物是在正常條件下，其中任一給定植物物種的雌性器官被同一植物物種的雄性器官產(chǎn)生的花粉所授粉的植物。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，進行該培育方法的植物是開放傳粉植物物種，例如玉米。開放傳粉植物物種是基本非自花傳粉植物物種的植物。
本發(fā)明也提供了在溫室環(huán)境中培育開放傳粉植物物種的方法?？蓱?yīng)用于開放傳粉植物的本方法優(yōu)選與本文中上述的培育植物的方法聯(lián)合應(yīng)用。有利的是，培育開放傳粉植物的方法消除了與用于在溫室環(huán)境中培育開放傳粉植物例如玉米的傳統(tǒng)方法相關(guān)的授粉效率的可變性。此方法進一步的優(yōu)點是與傳統(tǒng)方法相關(guān)的基因型混合的問題得到了避免。
因此根據(jù)本發(fā)明，提供了在溫室環(huán)境中培育開放傳粉植物的方法，包含的步驟有(i)提供雄性不育的開放傳粉植物(ii)將雄性不育的植物與花粉接觸；和任選地(iii)挑選具有目的表型的植物前述方法尤其可應(yīng)用于培育開放傳粉植物，特別是玉米。在本發(fā)明的方法中，通過使進行培育方法的植物為雄性不育，使授粉更加有效，而基因型的混合也得以避免。這基本消除了任何可能發(fā)生的自花傳粉，并進一步基本消除了植物群體內(nèi)部的基因型混合。使植物雄性不育的方法在本領(lǐng)域中眾所周知，包括化學(xué)或機械的方法。使植物雄性不育的機械方法的實例簡單地包括物理去除雄性部分(去雄)。使植物雄性不育的化學(xué)方法的實例包括化學(xué)雜交劑或CHAs的應(yīng)用。
本方法包括將雄性不育植株與花粉接觸的進一步的步驟。這通過將雄性不育植株引入到授粉間(pollination chamber)而進行，雄性不育植株在授粉間中生長一段時間，時間范圍從約2天到約3周，優(yōu)選從約3天到約10天之間。將雄性不育植株引入到授粉間，與雌性致育時段相吻合。本領(lǐng)域技術(shù)人員易于識別雌性致育時段，因此將很清楚地知道及時將雄性不育植株引入到授粉間的時間點和需要在授粉間內(nèi)保持雄性不育植株的時間。授粉間包含大量授粉者(脫落花粉)植株。通過引入到授粉間，雄性不育植株與同一物種(優(yōu)選與雄性不育植物同一品種)的單個品種的授粉者植株一起生長一段時間。為了使花粉與雄性不育植株的接觸最優(yōu)化，授粉者植株散布在雄性不育植株間。在一種安排中，提供一排授粉者植株后面跟著一排雄性不育植株，后面再跟著另一排授粉者植株，如此下去?；蛘?，一個授粉者植株可被安置成緊鄰雄性不育植株以便以交叉形式填滿所有排。授粉間可能被安排使其與種植在雄性致育之外的雄性不育植物的位置在物理上或空間上分離的。授粉間裝備了受控的環(huán)境條件(氣候或其它)，其最適于授粉且依賴于方法所應(yīng)用于的交叉授粉物種的需要。例如，對于玉米，受控的氣候條件包含介于大約20℃和大約35℃之間的溫度，優(yōu)選介于大約24℃和大約30℃之間，和介于約70％到約90％之間的相對濕度。此外，因為玉米主要通過風(fēng)的幫助而授粉，授粉間裝備了促進空氣循環(huán)從而促進花粉遍布隔間內(nèi)的裝置。通過提供面積足以創(chuàng)造足夠的花粉濃度以促進受育(fertilisation)的授粉間，植株受育進一步得到協(xié)助。
本方法任選地包括挑選具有任何給定特征的植株的進一步的步驟。這可基于特定表型的存在的挑選，或可對具有恰當(dāng)?shù)某叨纫赃m合傳輸機裝置或者具有恰當(dāng)?shù)母叨纫赃m合溫室環(huán)境(例如考慮植株與光的親近度等)的植株的挑選。關(guān)于玉米，應(yīng)用相對較小或較矮而具有相對較短的生命周期(優(yōu)選約4個月或更短)的植株有許多與其相關(guān)的優(yōu)點。這些植株也許是不同品種，雜種，自交或種群，例如Gaspe或任何源自Gaspe的自交系例如經(jīng)過許多代自交得到的品系。
為了本發(fā)明的內(nèi)容更清晰，下文為用于本發(fā)明的優(yōu)選方法的設(shè)備的附圖描述，只用于例證說明本發(fā)明。在附圖中，


圖1是例證性設(shè)備的傳輸機裝置的示意圖；和圖2是溝道件(channel member)和支撐植株罐的傳輸機裝置的傳送帶的透視圖。
例證性設(shè)備適合用于與多個植株罐(10)形式的容器的連接(圖2)，罐中在選用于某目的的生長基中種植一株或多株植物。
該設(shè)備包含傳輸機裝置(20)，罐子通過它們得到支撐，并按照需要移動。傳輸機裝置(20)包含多個共同延伸(co-extensive)儲存?zhèn)鬏敊C(22)，每一個為一排數(shù)個罐子提供支撐，儲存?zhèn)鬏敊C互相鄰近放置以支持水平放置的陣列的一排排的罐子。每一儲存?zhèn)鬏敊C(22)包含通過(鄰近槽保證是平行關(guān)系的)剛性的“U”形槽(24)而提供的溝道件(channel menuber)。環(huán)狀(endless)的帶(26)在每一槽中運行(圖2)，位于槽上表面并被安排成沿著它而拖動。每一帶(26)支撐一排緊密排列的罐子(10)。槽(24)被設(shè)置成其末端與相對于槽(24)橫向的轉(zhuǎn)運傳送器裝置(28)的皮帶傳送器(30)非常接近。
電操縱的往復(fù)自動裝置(32，34)被用于驅(qū)使槽(24)中帶(26)的移動。移動使得罐子由帶傳送器(30)來回傳輸。提供發(fā)動機裝置來連續(xù)移動帶傳送器(30)。當(dāng)帶(26)在其槽中以一個方向移動時，那條帶上支撐的一排罐子朝著轉(zhuǎn)移位置(該排最末端的罐子在此處被轉(zhuǎn)移到帶傳送器(30))移動。當(dāng)以另一方向移動時，帶(26)將其支撐的一排罐子從帶傳送器(30)移開，允許在該排末端引入一個罐子的空間。每一往復(fù)自動裝置(32，34)被安排成沿著帶傳送器(30)移動，以便它可分別地按照需要與槽交流。它們具有類似構(gòu)造，并包含引導(dǎo)件(guide members)(未顯示)用于引導(dǎo)罐子沿著帶傳送器(30)移動?？諝庾饔眠\行的活塞和汽缸裝置(未顯示)的汽缸安裝在往復(fù)自動裝置上引導(dǎo)件之間，其活塞被設(shè)置成水平橫跨帶傳送器(30)之上移動。在其余位置，活塞用作捕獲從槽中通過其帶(26)傳送來的罐子。當(dāng)期望從帶傳送器(30)移動一個罐子時，驅(qū)動活塞推動罐子并促使它進入選定的槽(22)中。
與肥料有關(guān)的歷史數(shù)據(jù)和灌溉數(shù)據(jù)使設(shè)備操作者明了陣列中的每一單獨植株的營養(yǎng)方案。該信息也使操作者能以最有效的方式確定所有植物移動的時間。
此設(shè)備被設(shè)置成便于響應(yīng)于保存在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)驅(qū)動往復(fù)自動裝置，從而將罐子從一個位置移到另一位置。
權(quán)利要求
1.培育植物的方法，包括在一定的環(huán)境中在盛有同樣特征的生長培養(yǎng)基的容器陣列中種植某一物種的植物，該環(huán)境為具有受控的營養(yǎng)物與灌溉水供應(yīng)的受控氣候條件，以及根據(jù)需要在該環(huán)境內(nèi)部改變?nèi)萜魑恢靡源_保將容器中的所有植物至少基本同樣地暴露于該環(huán)境條件，此方法進一步包含通過比較植物的表型特征而挑選植物用于進一步培育或用于商業(yè)應(yīng)用的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中至少一個容器的位置被以6小時到兩周的時間間隔改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中容器位置的改變是程序化的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任何一項的方法，其中環(huán)境內(nèi)部容器位置是自動改變的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一項的方法，包含鑒別植物在生長周期中每隔一段時間的表型特征的進一步的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任何一項的方法，其中容器以水平放置的均一陣列而被支持于傳輸機裝置上，所述的傳輸機裝置包含多個共同延伸的儲存?zhèn)鬏敊C。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中與傳輸機裝置相關(guān)的發(fā)動機裝置被驅(qū)動來以預(yù)先確定的距離移動容器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中儲存?zhèn)鬏敊C被其發(fā)動機裝置移動，以朝著第一轉(zhuǎn)移位置移動該儲存?zhèn)鬏敊C上支撐的一排容器，在第一轉(zhuǎn)移位置處，這一排容器最末端的容器被轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)運傳送裝置，操縱轉(zhuǎn)運傳送裝置將其上支撐的容器移動到第二轉(zhuǎn)移位置，并操縱第二儲存?zhèn)鬏敊C的發(fā)動機裝置收集容器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中容器以直線路徑從第一提到的儲存?zhèn)鬏敊C帶到第二儲存?zhèn)鬏敊C。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中容器以閉合路徑從第一提到的儲存?zhèn)鬏敊C帶到第二儲存?zhèn)鬏敊C。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10中任何一項的方法，其中每一容器含有單個植物。
12.用于表型分型(基于表型評分挑選最需要的基因型)的改善植物生長的方法，該方法由在其生長周期中將植物自動移位組成，以便避免長期地暴露于特定微環(huán)境中，從而減少了微環(huán)境差異對植物表型的影響。
13.根據(jù)權(quán)利要求1到12中任何一項的方法，其中所述植物是開放傳粉植物或自花傳粉植物。
14.在溫室環(huán)境中培育開放傳粉植物的方法，包括步驟(i)提供雄性不育的開放傳粉植物(ii)將該雄性不育的植物與花粉接觸；和任選地(iii)挑選具有目的表型的植物。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述接觸包括將所述雄性不育植物引入到授粉間，所述雄性不育植物在所述授粉間中生長約2天到約3周的一段時間，優(yōu)選約3天到約10天的一段時間。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15的方法，其中所述開放傳粉植物是玉米。
全文摘要
培育植物的方法，包括在盛有同樣特征生長基的容器陣列中種植某一物種的植物，其環(huán)境條件為具有受控氣候條件和受控的營養(yǎng)物與灌溉水供應(yīng)，以及根據(jù)需要在該環(huán)境內(nèi)部改變?nèi)萜魑恢靡源_保將容器中的所有植物至少充分均一地暴露于該環(huán)境。也提供了在溫室環(huán)境中培育開放傳粉植物的方法。
文檔編號A01G31/04GK1747649SQ200480003671
公開日2006年3月15日 申請日期2004年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月5日
發(fā)明者W·迪倫, P·勒瓊, W·布羅克特, F·萊恩斯 申請人:作物培植股份有限公司