一种轻柔触动力加载装置由人发刷、机械臂和控制器构成。装置上的机械臂驱动发刷，使其周期性运动，对植物施加触动力。该机械装置产生的发刷触动力与人工施加的触动力相当。
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摘要
摘要
植物在响应细胞内和细胞外的机械刺激（或力信号）时会产生特殊的形态变化，这一过程称为接触形态发生（thigmomorphogenesis）。在过去几十年中，已有多个信号组分被鉴定并报道参与了机械信号转导过程（例如钙离子结合蛋白和茉莉酸生物合成酶）。然而，力信号或接触形态发生研究进展相对缓慢，主要原因有两个：一是诱导接触形态发生依赖费力的人工手动触摸操作，二是人为触摸施加的力强度存在误差。为了提高对植物施加外力的效率，研究人员研制了一种自动触发力加载装置。该装置由机械臂驱动毛刷进行接触操作，可实现省力、易于重复的触发力模拟，支持无限次重复触摸，并可调节触摸强度。这种毛发触发力加载装置既可用于大规模筛选触发力信号突变体，也可用于植物接触形态发生的表型组学研究。此外，触摸材料（如人发）可替换为其他天然材料，例如动物毛发、丝线和棉纤维。该装置上的自动化移动臂还可配备喷水喷嘴和吹风装置，分别模拟自然条件下的雨滴和风力。通过将这种自动毛发触发力加载装置与手动棉签触摸相结合，我们研究了两个力信号突变体MAP KINASE KINASE 1（MKK1）和MKK2植株的触碰响应。对施加触发力后的野生型植株及两种突变体的表型组进行了统计学评估，结果显示它们在触碰响应方面表现出显著差异。
引言
植物感震形态建成（thigmomorphogenesis）这一术语由 Jaffe, MJ 于1973年提出1。它属于植物向性运动的一种，但不同于由阳光或重力刺激引起的常见向光性或向重力性2,3。该过程描述了植物在周期性机械刺激下发生的表型变化，此类现象早先已被植物学家多次观察到4,5。雨滴、风力、植物、动物和人类的接触，甚至动物啃咬，均被视为可触发植物中力信号传导的不同类型机械刺激4,5。植物感震形态建成的特征包括抽薹延迟、草本植物茎秆变短、莲座叶或叶片尺寸减小，以及木本植物茎秆增粗6,7,8。这与含羞草（Mimosa）或其他对机械刺激敏感的藤本植物中常见的感震运动（thigmonastic）或向触性（thigmotropic）反应不同，后者的快速触碰反应更容易被观察到1,
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方案
1. 种子准备
注意：所使用的野生型（Col-0）以及 mkk1 和 mkk2 功能缺失突变体的拟南芥种子均购自拟南芥生物资源中心（ABRC，https://www.arabidopsis.org，美国俄亥俄州哥伦布市）。
- 计算每种基因型需要使用的植物个体数量，以确保统计分析的可靠性。根据每个品系的发芽率，准备足够数量的种子，通常为实验所需数量的4-5倍。确保能够获得足够数量的健康且大小均一的植株用于触觉反应检测。根据本方案，每种基因型通常使用300-500粒种子，以获得80-90株大小相近的植株。
- 将种子浸入冷水中，并在4 °C条件下避光（用铝箔包裹）放置，以促进吸胀。吸胀处理5-7天后播种。
2. 植物生长
- 选择适合植物生长的土壤（参见材料表）。避免使用大块土团，并将其均匀混合。
- 准备24个塑料杯：每个杯子的容积为207 mL，上口直径为7.4 cm。在每个杯子底部钻三个圆形小孔，用于灌溉。
- 将混合好的土壤填入这些塑料杯中。使土壤堆积高度高出杯口1–2 cm，然后轻轻抚平土壤表面。
- 将24个杯子放入一个塑料托盘中（21英寸 × 10.8英寸 × 2.5英寸），并将托盘置于恒定光照条件下（见下....
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结果
自动毛刷触力加载装置
为了观察植物形态变化，可重复的生长条件和处理方法是获得可重复结果的关键。本研究通过新构建的毛刷触力加载装置（型号K1）实现了高通量、自动化的触力信号突变体筛选（图1，图2）。该装置的毛刷可同时接触最多4个植物培养托盘。每个托盘放置24个育苗杯，每组使用12个育苗杯的植株，分别作为对照组和处理组（图2C,D）。每个育苗杯种植4株植物，同一毛刷可接触48株或更少的植株个体，以确保后续统计分析有足够的样本量。一台型号K1触力装置可同时对最多4种基因型的植物进行触力处理。其中关键的一点是触力装置机械臂/毛刷高度的设定，因为感震形态建成具有剂量依赖性6,21。毛刷相对于植株莲座叶位置的不同高度会产生不同的触力，可能导致完全不同的感震形态建成结果。在本实验中，.......
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讨论
接触形态发生（thigmomorphogenesis）是植物对机械扰动产生的一种复杂生长反应，涉及细胞信号网络及植物激素的作用，是植物为适应不利环境条件而进化出的适应性结果25,26。在以往的接触形态发生研究中，通常选择机械接触方式，特别是人类手指接触和手持棉签接触，以研究此类形态变化14,20。这种简化的触发力加载方式更易于控制和实施。此外，此类触发力加载方法在一定程度上可模拟自然环境中风力和雨滴刺激所产生的力信号19。触发力能够引发钙离子振荡，诱导蛋白质磷酸化14，并激活介导接触反应的下游基因表达19。类似地，安装在自动移动臂上的人类毛发刷也可通过模拟人工手动接触来诱导植物接触反应。为进一步丰富施力方式，还可将喷水喷嘴和/或吹风机安装于机器的机械臂上，用于开展.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究得到以下基金资助：31370315、31570187、31870231（国家自然科学基金）、16100318、661613、16101114、16103615、16103817、AoE/M-403/16（香港研究资助局）。作者谨此感谢居丰精密自动化科技有限公司（中国深圳）提供 图1 中展示的若干示意图。
作者还要感谢 S. K. Cheung 和 W. C. Lee 在触力加载装置开发过程中所做的贡献。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 4 把毛刷 | 定制 | ||
| 带一个夹持器的 4 个机械臂 | 定制 | 1000 mm 长的夹持器和 560 mm 长的机械臂 | |
| 57 步进电机 | 57HS22-A | ||
| 通用型盆栽土 | Plantmate，中国香港 | ||
| 拟南芥植物种子 | 拟南芥生物资源中心，美国俄亥俄州哥伦布市 | 用于购买拟南芥种子 | |
| BIO-MIX 盆栽基质 | Jiffy Products International BV，荷兰 | 1000682050 | 将两种土壤混合用于拟南芥种植，通用型盆栽土与 BIO-MIX 的混合比例为 1:2 |
| IL 1700 研究用辐射计 | International Light，美国马萨诸塞州纽伯里波特 | 可测量全波长光强和光合有效辐射强度 | |
| ImageJ | https://imagej.nih.gov/ij/download.html | 可免费下载的软件 | |
| 巨丰精密与自动化科技有限公司 | 中国深圳 | 用于购买同步带驱动的直线执行器及其他机械模块 | |
| 滑块连接板 | 用于将 Y 轴导轨模块或 Y 轴辅助梁固定在滑块背面 | ||
| X 轴模块连接板 | 定制 | 用于连接 X 轴导轨模块和 X 轴辅助梁 | |
| 滑块 | |||
| WDT4045 X 轴导轨模块 | 843 mm，定制 | 预装有两个滑块和一个 57 步进电机 | |
| WDT4045 Y 轴导轨模块 | 1038 mm，定制 | 预装有两个滑块和一个 57 步进电机 | |
| X 轴辅助梁 | 843 mm，定制 | 预装有两个滑块 | |
| Y 轴辅助梁 | 1038 mm，定制 | 预装有两个滑块 |
参考文献
- Jaffe, M. J. Thigmomorphogenesis: the response of plant growth and development to mechanical stimulation with special reference to Bryonia dioica. Planta. 114, 143-157 (1973).
- Vandenbrink, J. P., Kiss, J. Z., Herranz, R., Medina, F. J.
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重印与许可
