一种省力且可重复的触发力信号突变体筛选方案，用于模式植物 Arabidopsis thaliana 触发形态建成的研究

我们构建了一台自动触发力装置，用于观察植物信号的形态发生。我在机械臂上安装了人发刷，以对植物施加轻柔的触发力。与人工手指触摸相比，这种自动人发触碰装置能够更加省力，并提供均匀一致的触发力加载。

完成一轮力刺激所需的时间可控制在几分钟之内。与持续数小时的手指触碰和棉签触碰相比，该机器人装置可显著提升植物触觉响应研究的效率。通过提高处理植物的效率和数量，我们预期这种自动触碰装置将被应用于四条信号通路的突变体筛选，以及动植物中的触觉响应研究。

首先，在MS培养基的8%琼脂平板上培养种子七天后，检测每种基因型的种子萌发率。根据萌发率，准备所需植株数量四到五倍的种子。将种子浸入1.5毫升塑料离心管的冷水中，并用铝箔包裹以避光保存。

将种子在 4°C 条件下进行吸胀处理。吸胀后 5 至 7 天，选择适宜的土壤用于植物生长。避免使用大块土团，应用叉子将其均匀混合。

准备24个容量为207毫升、上口直径为7.4厘米的塑料杯。在杯底钻三个圆孔，用于灌溉。将混合土壤装入这些塑料杯中。

使土壤堆积至高出杯口约一厘米，然后用直尺轻轻刮平堆起的土壤表面。将24个杯子转移至一个塑料托盘中。将生长室的光照强度设置在每秒每平方米180至240微爱因斯坦之间，此值高于植物快速生长所需的光合有效辐射。

将光照条件设置为连续24小时。将生长室的温度设置为23.5 ± 1.5摄氏度，湿度控制在35%至45%之间。每个托盘中加入2.5升水，使土壤从杯底的孔洞中吸收水分，并等待土壤表面下降至与杯口齐平。

两小时后，将三到四粒种子播种于杯内同一位置，以及四个均匀分布的位置。在每个育苗盘上方覆盖透明塑料盖，让种子萌发一周。随后取下覆盖物，使幼苗继续生长一周。

种子萌发后，每隔一天用1.5升水灌溉植物。播种后9至10天，通过间苗去除多余的嫩芽。使用微型剪刀剪除嫩芽，避免直接将整株植物从土壤中拔出。

每个杯子中放置三到四株大小相近的植物个体。将触碰毛刷安装到机械臂上时，首先使用胶水将一层人类毛发均匀地固定在一根330毫米长的钢尺上，毛发长度为126毫米。

使用两个金属夹子将钢尺固定在机械臂上。在控制面板中，通过按 Jog F 加号键升高、Jog R 减号键降低机械臂和刷子，以调节机械臂在垂直方向上的高度。保持毛刷尖端低于杯口 5 厘米。

按下增幅键（Inc F）或减幅键（R minus），使机器预运行一到两个周期，以确保所有植株个体均被触碰。在正式实验前，使用电子天平测量触碰力，并调节机械臂的高度，使触碰力保持在1至2毫牛顿之间。

接下来，手动设置机械臂在水平方向上的起始位置。让毛刷悬挂在每个托盘的边缘。按下 Jog F 加号或 Jog R 减号，逐步水平移动机械臂，确保在接触实验开始前没有任何植株被触碰。

通过按下行程按钮，将毛刷在水平方向上的移动距离设置为365毫米。按下Inc F（正向）或R minus（负向）以移动机械臂，确保达到完整的行程距离，并使所有处理的植株均被触碰到。然后，按下自动速度按钮，将机械臂沿X轴的移动速度设置为5000毫米每分钟。

按下小周期按钮，将触碰时间设置为20次试验，即每轮40次触碰。通过按下大周期按钮，将触碰轮次的重复间隔设置为每天480分钟，从而使毛刷每天对植物进行三轮触碰，每轮间隔八小时。当倒计时归零时，机器将自动开始新一轮的触碰。

将主循环设置为12次试验，使机器在四天内对植物进行12轮触碰。按下启动按钮以启动预设程序。在整个触碰期间，每天调节并校准刷子和毛刷尖端至相同高度。

为了在接触实验中记录每株植物的抽薹时间，每天观察每株植物的第一个花序茎。当花序茎长度达到1厘米时，测量其长度并记录生长时间，这表示植株已从营养生长期过渡到生殖生长期。测量莲座叶丛半径时，从顶部拍摄整个培养皿的照片。

使用图像处理软件，以杯口边缘作为标尺，测量莲座丛中心到最长叶片尖端的距离。为测量莲座丛面积，首先去除花序，同时不干扰莲座丛的其他器官。将标尺与每株植物并排放置，从顶部拍摄植株照片。

在图像处理软件中，测量莲座叶的水平二维表面积。本实验将棉签手动触碰处理与机械驱动毛发触碰处理在野生型对照哥伦比亚零号植株上的效果进行了比较。持续棉签触碰处理使抽薹延迟了1.7天。

同样，在自动机械驱动的触碰处理下，也观察到开花延迟现象。单变量Cox风险分析显示，与对照组植物相比，触碰组植物的开花风险分别为31%和52%。然而，在tDNA插入突变体NKK one和NKK two中，未观察到这种开花延迟现象。

单变量Cox比例风险模型显示，仅野生型Columbia零号植株在对照组与触碰组之间表现出显著差异，其估计的风险比（HR）为41。在形态学变化方面，经过三天持续且重复的自动机械驱动毛发触碰后，野生型Columbia零号植株的莲座叶半径显著减小，叶片长度显著缩短。经过13天触碰后，莲座叶的投影面积从20平方厘米变为16平方厘米。

为确保施加的触碰力不会造成损伤，需谨慎设置适当的触碰力。需要提供一组合适的生长条件，以培养出适用于触碰反应检测的拟南芥植株。例如，需在180至240微爱因斯坦每平方米每秒的光照强度下持续光照24小时，以观察信号形态发生过程。

为了扩展到其他形式的机械力加载，未来还可以对设备进行改造，增加喷水喷嘴或鼓风机，以分别模拟降雨或风的影响。