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CN101808507A - 具有填充材料的人造种子 - Google Patents

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Abstract

提供了人造种子。人造种子包含容纳营养介质的种壳，以及放置在种壳中的约束物。约束物包含腔。人造种子还包含放置在腔中的胚以及放置在腔中的填充材料。人造种子还包含放置在种壳上用于将胚密封在种壳中的密封物。

Description

具有填充材料的人造种子
发明背景
植物的无性繁殖，对于某些物种来说，已经被显示能够产生大量遗传一致的胚，每个胚都具有发育成正常植株的能力。这样的胚通常在实验室条件下进一步培养，直到它们达到自养的“秧苗”阶段，其特征是能够通过光合作用为它们自己生产食物，抗干燥，产生能够穿透土壤的根，以及抵挡土壤微生物。某些研究人员已经实验了生产被称为人造种子的人工种子，其中将个体植物的体细胞胚或合子胚包裹在种壳中。这样的人造种子的例子公开在授予Carlson等的美国专利No.5,701,699中，其公开内容被明确地引用并合并于此。
典型的人造种子包括种壳、合成的配子体和植物胚。不包含植物胚的人造种子在本技术领域中被称为“空种子(seed blank)”。空种子典型是圆柱形的囊，具有封闭的末端和开口的末端。合成的配子体放置在种壳中，基本上填满了种壳的内部。被称为子叶约束物的纵向延伸的硬的多孔插入物，可以居中位于种壳的一个末端中，被合成的配子体所包围，并包括位于中间的腔，该腔延伸部分地通过子叶约束物的长度。
腔的尺寸要在其中能够容纳植物胚。公知的植物胚包括胚根端和子叶端。植物胚被放置在子叶约束物的腔中，子叶端朝前。然后通过末端密封物将植物胚密封在空种子中。在末端密封物中存在一个弱化的位点，允许植物胚的胚根端穿透末端密封物。
本方法的发明人已经发现，来自这样的人造种子的胚的正常萌发率低得不可接受。他们的分析发现，在人造种子的研究组中，只有大约30％的胚产生了具有预期的根、子叶等的正常秧苗。本发明人观察到，当将胚插入到其直径大于胚自身的直径的子叶约束物的腔中时，导致子叶在体细胞胚的发育过程中弯折。这导致只有子叶的尖端与子叶约束物腔的壁相接触，而营养物质是通过该腔的壁从配子体输送到胚。本发明人提出理论，这造成了人造种子的低得不可接受的生产率。
因此，对于在人造种子中使用、改善人造种子生产率的材料的制备方法，存在着需求。
发明简述
本简述用于以简化的形式介绍筛选出来的并将在下面的详细描述中进一步描述的概念。本简述不打算鉴定所要求保护的主题的关键特点，也不打算用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
本发明提供了人造种子。人造种子包含容纳营养介质的种壳，以及放置在种壳中的约束物。约束物包含腔。人造种子还包含放置在腔中的胚以及放置在腔中的填充材料。人造种子还包含放置在种壳上用于将胚密封在种壳中的密封物。
附图说明
通过参考下面的详细描述，同时结合附图，本发明的上述方面以及许多伴随的优点将变得更好理解，在图中：
图1是符合本公开的某些方面的具有填充材料的人造种子的侧横截面平面图。
详细描述
通过参考图1，可以最好地理解符合本公开的某些方面的具有填充材料120的人造种子20。人造种子20包括端盖22，种壳24，营养介质26，例如配子体，以及封死(dead)的末端密封物28。种壳24由一段管状材料适当形成。在一个实施方案中，种壳24是分段的纤维材料材质的管例如分段的纸管。管的段可以在适合的涂层材料例如蜡中预处理。
在其他实施方案中，种壳24由一段管状的可生物降解的塑料材料形成。一种这样的材料是可利用的聚乳酸(“PLA”)，由加利福尼亚洛杉矶的NAT-UR销售。本公开的范围内的另一种材料是聚己酸内酯(“PCL”)混合物，例如含有1％Tegomer H SI6440增塑剂(DegussaGoldschmidt Chemical Corp，914East Randolph Road，Hopewell，VA23860)的Dow Tone P-787(Dow Chemical Co.，Midland，MI 48647)。
这样可生物降解的塑料管被分段成适合用作人造种子的长度。此外，这样的可生物降解的塑料管可以需要也可以不需要蜡涂层，因为这样的管已经对环境因素具有抗性。显然的是，尽管将管分段是优选的，但其他实施方案，例如获得适合用作人造种子的尺寸的管，也在本公开的范围内。
端盖(Cylcap)22，也被称为约束物，由硬度强得足以抵抗由萌发的胚引起的刺穿或断裂的多孔材料适当地制造，例如陶质或瓷制材料，并包括末端密封部分30和子叶约束物部分32。子叶约束物部分32可与末端密封部分30适当地整合形成为一个整体，或也可通过整体制造形成。端盖22还包含纵向延伸的腔34，腔34延伸通过末端密封部分30并部分通过子叶约束物部分32的一个末端。腔34的开放末端被称为子叶约束物开口36。腔34的尺寸被定为可在其中容纳植物胚42。
在某些实施方案中，当端盖22由多孔材料适当地制造时，可能需要用阻隔物材料对端盖22进行涂层，以降低水的损失率和限制或减少微生物的进入。这样的阻隔材料包括蜡、聚氨基甲酸酯、釉料、指甲油，以及由Minneapolis，MN的H.B.Fuller以产品名PD124销售的涂料。
末端密封部分30当在平面顶视图中观察时适合是圆形的，包含侧壁38。尽管圆形是末端密封部分30的优选实施方案，但其他实施方案和形状，例如多边形、正方形、三角形、椭圆形和其他形状，也在本公开的范围内。
在图1的实施方案中，侧壁38由末端密封部分30的厚度所确定，其直径基本上等于种壳24的内径。在某些实施方案中，端盖22通过热粘合在种壳24上。作为非限制性的例子，在制造过程中，端盖22可以被加热到预定的温度，使得当种壳24与端盖22被结合到一起时，端盖22与种壳24之间传导的热，导致种壳24或端盖22中的任何一个熔化或二者都熔化，从而将二者粘合在一起。在其他实施方案中，端盖22与初级末端密封物44被首先热焊接，然后在独立的步骤中将合并的初级末端密封物-cylcap重新加热，种壳24也被加热，并将二者结合。其他将端盖22粘合到种壳24的方法，例如蜡粘合或热胶熔化物，也在本公开的范围内。
侧壁38可以包含锥形部分40。锥形部分40可以是末端密封部分30的一个末端的斜切面。在制造过程中，锥形部分40帮助将端盖22装配到种壳24上。尽管锥形部分40是优选的，但其他实施方案，例如不包含锥形部分的端盖，也在本公开的范围内。胚42被放置在腔34中，并通过未封死的(live)末端密封物43适合地密封在其中。
未封死的末端密封物43包括初级末端密封物44和次级末端密封物21。初级末端密封物44由上述的PCL材料适当形成，并包含位于中心的开口50。开口50的尺寸定为对应于端盖22的腔34的直径，以允许萌发的胚42通过其中。初级末端密封物44通过各种不同的方法，包括胶粘或热粘合，适当连接到末端密封部分30上。
作为非限制性的例子，初级末端密封物44与预加热的端盖22匹配，使得开口50位于腔34的上方。热量将初级末端密封物44焊接或粘合到端盖22上。显然，初级末端密封物44可以在端盖22与种壳24连接之前或之后，连接到端盖22上。此外，如果种壳24由PCL构建，那么初级末端密封物44和种壳24的熔化温度相似是理想的，但不是必需的。
作为将初级末端密封物44连接到端盖22上的另一个非限制性的例子，包含了粘附性垫圈。在该例子中，初级末端密封物44被热密封或粘合到端盖22上，使得开口50与腔34共轴对齐。在该过程中，采用将初级末端密封物44的边缘绕着端盖22的末端密封部分30的周边弯曲这种形式。如果初级末端密封物44和种壳24的熔化温度不同，那么低白化(low bloom)的氰基丙烯酸酯被用作粘附性垫圈以粘合初级末端密封物44和种壳22。
在上胶后施加热，完成这步是为了通过熔化在制造种壳24和形成粘附性连接时通常出现的不一致处，使胶密封物变薄。随后，将包含初级末端密封物44的端盖22连接到种壳24上。正如前面指出的，本方法也适合于已经与种壳24相连的端盖22。最后，上述的将初级末端密封物44与种壳24连接的方法，可用于热焊接相容的或不相容的材料。
现在将更详细地描述次级末端密封物21。就此而言，次级末端密封物21由公知的密封材料例如
Figure GPA00001077238100051
适当地形成。形成了次级末端密封物21，并通过公知的方法连接到初级末端密封物44上，例如热粘合或胶粘。在某些实施方案中，密封蜡可用于促进PCL和Parafilm之间的粘合。次级末端密封物21也包含预定的抗爆裂强度，以允许萌发的胚42穿透过未封死的末端密封物44。
仍然参考图1，现在将更详细地描述第三级密封物60。第三级密封物60和未封死的末端密封物43，当用于本发明的实施方案中时，分别确定了外部密封层和内部密封层。尽管未封死的末端密封物43已经被描述为包括初级末端密封物44和次级末端密封物21，但显然，本公开不打算受限于此。作为非限制性的例子，未封死的末端密封物43可以只包含次级末端密封物21，因此，这样的实施方案也在本公开的范围内。
第三级密封物60和未封死的末端密封物43的组合产生了密封表面，其中由第三级密封物60限定的密封层由预定的材料制成，该材料在预定的环境因素的作用后结构完整性降低。第三级密封物60也用作抗微生物密封剂，当胚从种壳24中萌发和伸出时在胚的周围密封和保护，以及保护子叶约束物腔。适合用于制造第三级密封物60的材料包括水溶性材料、蜡、可环境降解的材料以及可生物降解的材料。因此，这样的材料以及在结构和性质上与其等同的材料，在本公开的范围内。
正如上面提到的，种壳24和初级末端密封物44由聚酯材料，例如可生物降解的塑料适当地形成。一种用于制造符合本公开的人造种子20的部件、例如种壳24和初级末端密封物44的材料的制备方法，包括获得材料的条，例如塑料条。这种在随附的权利要求书的范围内的塑料包括可生物降解的塑料，例如PCL。
材料的条使用公知的退火方法进行退火，以增加尺寸稳定性。在一个非限制性的例子中，PCL条在大约63℃的温度下退火，时间范围基本上在35分钟到90分钟之间。在一个实施方案中，PCL条退火45分钟。退火时间是足以在热焊接过程中赋予PCL条尺寸稳定性的时间。因此，显然退火所需的温度和时间是视材料而定的，并在本领域技术人员的知识范围内。此外，显然材料条不是必需经过退火的。这样的实施方案也在随附的权利要求书的范围内。
将材料条，不论它们是否退火过，进行热处理以除去毒素。在该过程中，对于PCL来说，将材料条放置在烤箱中，在大约55℃的温度下热处理8天的时间。显然，尽管材料的热处理在指定温度下进行特定的时间长度，但明显其它的温度和时间也在本公开的范围内。作为非限制性的例子，材料条可以在比材料的熔化温度低大约10％的温度下进行热处理。此外，热处理的时间可以短至几小时。因此，这样的时间和温度也在随附的权利要求书的范围内。
对于热处理过的材料条也要进行灭菌处理。在该过程中，将材料条在漂白剂混合物的消毒浴中浸泡一段时间以浸泡灭菌。一种漂白剂混合物是10％漂白剂和90％水的混合物。灭菌浸泡时间的范围基本上在10分钟到40分钟之间。在一个非限制性实施方案中，材料条在漂白剂混合物中浸泡30分钟的时间以灭菌。在浸泡灭菌的时间后，将材料条在去离子水中漂洗一段时间。漂洗时间可以持续下去并超过72小时。然后，将材料条在无菌空气中空气干燥以使液体蒸发。最后，对材料条进行加工，以制造人造种子20的各种部件，例如种壳24和初级末端密封物44。
仍然参考图l，现在将更详细描述填充材料120。优选填充材料120是吸附剂，例如活性炭、Dowex树脂、沸石、矾土、粘土、硅藻土(diatomaceous earth)、硅胶、和硅藻土(Kieselguhr)。在人造种子20的装配过程中，将填充材料120以本技术领域中已知的任何方式，包括通过人工操作，沉积在端盖22的腔34中。虽然不是必需，但填充材料120优选沉积在腔34中，并使得胚42基本上放置在腔34的中心。将胚42放置在腔34的中心，增加了胚42与营养介质26功能性接触的表面积。当在本详细说明和随附的权利要求书中使用时，术语“功能性接触”意指胚42位于可以从营养介质26吸收营养的位置上。
填充材料120围绕着胚42，从而增加了胚42与营养介质26功能性接触的表面积，并因此为营养物质从营养介质26通向胚42提供多个途径。尽管优选填充材料120将胚42基本上放置在腔34的中心，但胚42不是必需如此定位的。填充材料120只需要以任何方式将胚42定位在腔34中，以使胚42与营养介质26形成功能性接触。此外，填充材料120不是必需“围绕着”胚42。就此而论，填充材料120可以完全或部分围绕着胚42。在随附的权利要求书的范围内的其他实施方案中，填充材料120只需要完全或部分地填充胚42与腔34的壁之间的空间的一侧或两侧。
一种制备填入到腔34中的填充材料120的方法，包括将大约7.0g活性炭与246ml营养介质例如KE64培养基混合，以产生混合物。一种这样的KE64培养基的配方显示在表1中。
培养基成分 终浓度(mg/l)   终体积为300ml的培 养基中的添加量
  NH4NO3   301.1   2.2ml
培养基成分 终浓度(mg/l)   终体积为300ml的培 养基中的添加量
  H3BO3(NH4)2MoO4   10.00.06   0.75ml
  CaCl2-2H2O   299.2   1.00ml
  KH2PO4MgSO4-7H2O   1800.01000.0   7.5ml
  MnCl2.4H2OZnSO4-7H2OCuCl2-2H2O   6.00.80.5   0.75ml
  柠檬酸铁   60mg/l   0.75ml
表1
然后，向混合物中加入30ml 50％的蔗糖溶液和有机物母液。一种这样的有机物母液的配方显示在表2中。
培养基成分 终浓度mM 终浓度(mg/l)   终体积为300ml 的完全培养基中 的添加量
  肌醇盐酸硫胺素盐酸吡哆素烟酸核黄素泛酸钙生物素叶酸   0.55490.00300.00120.00810.00210.00030.8077   100.01.00.251.00.1250.500.00100.1250   3.0ml
  L-天冬酰胺L-谷氨酰胺L-赖氨酸-2HClDL-丝氨酸L-脯氨酸L-精氨酸-HCl尿素   1.82550.36460.76120.46311.53100.455213.3200   106.7266.753.38053.3266.7800   3.0ml
培养基成分 终浓度mM 终浓度(mg/l)   终体积为300ml 的完全培养基中 的添加量
  L-缬氨酸L-丙氨酸L-亮氨酸L-苏氨酸L-苯丙氨酸L-组氨酸L-色氨酸L-异亮氨酸L-甲硫氨酸L-甘氨酸   0.59830.22030.24480.32260.17200.13080.20351.29300.71000.0003   53.353.38026.753.326.726.726.726.753.3   3.0ml
  L-酪氨酸   0.2242   53.3   0.75ml
  L-半胱氨酸   0.6098   26.7   0.75ml
表2
然后，将混合物高温高压灭菌处理大约25分钟。将混合物通过公知的滤纸过滤，从滤纸上收获填充材料120(例如炭)。然后将收获的填充材料120干燥，直到它变成可流动的物质。
尽管已经图示和描述了说明性的实施方案，但应该认识到，这些实施方案可以存在各种不同的改变，而不背离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.人造种子，包含
(a)容纳营养介质的种壳；
(b)放置在种壳中的约束物，约束物具有腔；
(c)放置在腔中的胚；
(d)放置在腔中的填充材料；以及
(e)放置在种壳上用于将胚密封在种壳中的密封物。
2.权利要求1的人造种子，其中填充材料被放置在腔中，以将胚放置得与营养介质功能性接触。
3.权利要求2的人造种子，其中填充材料是吸附剂。
4.权利要求2的人造种子，其中填充材料是炭。
5.权利要求1的人造种子，其中填充材料是预先处理过的炭。
6.权利要求1的人造种子，其中填充材料是吸附剂。
7.权利要求1的人造种子，其中填充材料是炭。
8.权利要求1的人造种子，其中填充材料是预先处理过的炭。
9.权利要求1的人造种子，其中填充材料将胚基本上置于腔的中心。
10.权利要求1的人造种子，其中填充材料将胚基本上置于腔的中心，以增加与营养介质功能性接触的胚的表面积。
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