Telemetryczna, grawimetryczna platforma do fizjologicznego fenotypowania interakcji między roślinami a środowiskiem w czasie rzeczywistym

Rośliny reagują na środowisko w bardzo złożony sposób. Cechy fizjologiczne są jednymi z najszybciej reagujących. Zwykle można wykryć znacznie wcześniej niż różnice morfologiczne.

Ta metoda fenotypowania funkcjonalnego o wysokiej rozdzielczości umożliwia ilościowe określenie interakcji środowiskowych rośliny w sposób ciągły i destrukcyjny przy wielu zabiegach. System ten może być wykorzystywany do pomiarów w czasie rzeczywistym szerokiego zakresu cech fizjologicznych, na wielu roślinach jednocześnie, bez większej analizy, przy jednoczesnej kontroli warunków dla każdej rośliny na obszarze. Tutaj pokazujemy najbardziej szczegółowy protokół.

Zalecamy jednak, aby początkujący użytkownicy zaczęli od uproszczonego protokołu, który ułatwia zapoznanie się z najważniejszymi procedurami eksperymentalnymi, sprzętem i oprogramowaniem. Procedurę zademonstruje Itamar Shenhar, mistrz z MyLab Begin poprzez włożenie filtra gleby do doniczki. Rozłóż nylonową siatkę na wierzchu całej doniczki i umieść uchwyt siatki na siatce.

Następnie powoli wepchnij uchwyt siatki do połowy wnętrza całej doniczki, upewniając się, że siatka pozostaje równomiernie rozłożona, gdy jest wciskana między dwie doniczki. Włóż patyczek z włókna szklanego między dwie doniczki i wepchnij go aż do dna całej doniczki. Upewnij się, że znajduje się po zewnętrznej stronie siatki i nie popycha siatki.

Przed wciśnięciem uchwytu siatki do samego dołu, należy ręcznie wepchnąć siatkę z wnętrza garnka i wyregulować ją tak, aby była równomiernie i szczelnie rozłożona na dnie, co zapewni prawidłowy drenaż. Przesuń pierścień uszczelniający od dna garnka do jednej trzeciej wysokości boku garnka, upewniając się, że pokrywki w pierścieniu otwierają się w kierunku dna garnka. Oznacz doniczki zgodnie z ich położeniem w tablicy wewnątrz szklarni.

Aby wyhodować rośliny, wykiełkuj nasiona w tacach z pożądanym podłożem doniczkowym. Rozpocznij eksperyment, gdy roślina przetranspirauje około 10% maksymalnej pojemności wodnej doniczki. Pozostaw kilka wgłębień bez sadzonek do pomiaru masy gleby lub szczegółów, postępuj zgodnie z rękopisem tekstowym.

Przed rozpoczęciem nowego eksperymentu wypoziomuj i skalibruj lizymetry za pomocą poziomicy i wzorcowych wzorców. Wykonaj kalibrację masy, gdy zielony pojemnik, łącznie ze wszystkimi wtyczkami, znajduje się w ogniwie obciążnikowym, postępując zgodnie z instrukcjami z rękopisu tekstowego. Aby rozpocząć nowy eksperyment, otwórz oprogramowanie operacyjne, a następnie otwórz zakładkę eksperymenty w menu po lewej stronie ekranu.

Kliknij Utwórz nowy. Nazwij eksperyment i kliknij przycisk OK. Otwórz nowy eksperyment. Następnie otwórz rośliny i kliknij Utwórz nowe.

W oknie zmień nazwę rośliny, pozycję, ciężar rozdarcia i rodzaj gleby. Następnie kliknij przycisk Zastosuj. Kliknij ponownie Rośliny, a na ekranie pojawi się tabela.

Wyeksportuj tabelę, klikając Eksportuj rośliny w lewym dolnym rogu tabeli. Następnie otwórz zapisany plik Excel. Zmień parametry zgodnie z wymaganiami i zapisz.

Kliknij przycisk Importuj rośliny w lewym dolnym rogu tabeli. Gdy pojawi się małe okno z informacją, że rośliny zostały pomyślnie zaimportowane, kliknij OK. I sprawdź, czy zmiany wprowadzone w pliku Excel zostały pomyślnie zaimportowane. Kliknij Nowy eksperyment i Rozpocznij eksperyment w wyświetlonym oknie.

Na koniec kliknij OK, aby rozpocząć rejestrowanie danych z tego eksperymentu. Zważ przygotowane wcześniej puste garnki. W przypadku korzystania z części, które są do siebie podobne, wystarczy średnia waga 10 z nich.

Podłoże doniczkowe dokładnie wymieszać z dużą ilością wody, chyba że używa się piasku lub innego jednorodnego podłoża glebowego. I równomiernie napełnij wszystkie wcześniej przygotowane puste garnki. Postukaj dnem doniczki o podłogę kilka razy, aby upewnić się, że podłoże doniczkowe jest dobrze rozprowadzone.

Włóż odlew formy wnękowej, która ma kształt i rozmiar podobny do korka glebowego sadzonek do środka podłoża doniczkowego. I wepchnij go całkowicie. Dobrze podlej doniczki i spłucz zewnętrzną część doniczek.

Następnie pozwól im odsączyć się przez 30 minut, zanim przejdziesz do następnego kroku. Umieść wszystkie doniczki polowe na tablicy lizymetrycznej w zielonych pojemnikach zgodnie z projektem eksperymentalnym. Upewnij się, że zaślepki zielonych pojemników są we właściwym miejscu i że zielone pojemniki są prawidłowo umieszczone w rowku.

W oprogramowaniu operacyjnym otwórz kartę eksperymentu i kliknij zakładkę Zmierz składniki pod nowym eksperymentem. Potwierdź nowy pomiar od czasu podanego w górnej części ekranu, tak jak poprzednia próbka była włączona. Kliknij Zmierz obiekt.

Kliknij przycisk Dalej, gdy pojawią się okna rekordów wag i tagów delta. W oknie Rekord znacznika nazwij nowy metaznacznik jako pierwszy pomiar i kliknij przycisk Zakończ. Gdy pojawi się okno pomyślnie zarejestrowanej wagi, kliknij przycisk OK. Umieść kroplowniki irygacyjne z wieloma wylotami i pokrywy doniczek na każdej doniczce w lizymetrze.

Potwierdź nowy pomiar i ponownie kliknij Zmierz obiekt. Kliknij Dalej, gdy pojawi się rekord wag. W oknie Znacznik delta wybierz pierwszy pomiar w sekcji meta-tagów do odjęcia i kliknij przycisk Dalej.

W oknie rekordu znacznika nazwij nowe meta-tagi jako komponenty statyczne i kliknij przycisk Zakończ. Gdy pojawi się okno pomyślnie zarejestrowanej wagi, kliknij przycisk OK. Kliknij Rośliny po lewej stronie i upewnij się, że wartości są zaktualizowane. Następnie w nowym eksperymencie otwórz zakładkę scenariusze leczenia i kliknij Utwórz nowy.

W obszarze plan kliknij Nowy krok. Na środku ekranu wybierz nazwę wyznaczonych badań do leczenia i potwierdź klikając OK. Wybierz opcję Nigdy dla usunięcia i kliknij przycisk Zastosuj. Otwórz zabiegi irygacyjne po lewej stronie nazwy wybranego testu.

Kliknij Nowy krok. Na środku ekranu zmień czas otwarcia zaworu na kilka minut przed bieżącym czasem wraz z innymi parametrami wymaganymi przez eksperyment, a następnie kliknij przycisk Zastosuj. Otwórz rośliny w nowym eksperymencie i kliknij nową nazwę rośliny.

Na środku ekranu zmień plan leczenia na planowany. Pojawi się okno, kliknij OK, aby potwierdzić. Sprawdź, czy krok ma taką samą nazwę jak nazwa testu nawadniania.

Następnie kliknij przycisk Zastosuj. Sprawdź wzrokowo, czy wszystkie doniczki są nawodnione i czy nadmiar płynu do nawadniania kapie z perforowanego korka spustowego zielonego pojemnika. Wyjmij nieperforowany korek z zielonego pojemnika i pozwól, aby woda całkowicie spłynęła.

Następnie wymień wtyczkę. Otwórz kartę eksperymentu i kliknij pozycję Zmierz składniki w nowym eksperymencie. Po potwierdzeniu pomiaru kliknij na Obiekt pomiarowy pod parametrami pomiaru instalacji.

Po kliknięciu w okna wag rekordów i tagów delta, nazwij nowe meta-tagi jako cast-pre i kliknij przycisk Zakończ. Kliknij OK, gdy pojawi się okno pomyślnie zarejestrowanej wagi. Delikatnie wyjmij odlewy z doniczek.

Kliknij Zmierz komponenty, a następnie potwierdź pomiar jak poprzednio. W obszarze Parametry planu miar kliknij opcję Obiekt miary. Kliknij przycisk Dalej, gdy pojawi się okno rekordowych wag.

Wybierz cast-pre w sekcji meta-tagów do odjęcia i kliknij Dalej. W oknie rekordu tagu nazwij nowy meta-tag jako cast-post i kliknij przycisk Zakończ. Kliknij rośliny po lewej stronie i upewnij się, że wartości są zaktualizowane.

W tabeli rośliny ręcznie zaktualizuj ciężar łzy o wagę wstępnie przygotowanych pustych doniczek pobranych ręcznie. Kliknij przycisk Zmierz komponenty i potwierdź pomiar. W obszarze Parametry planu pomiaru kliknij opcję Zmierz mokrą masę gleby.

Kliknij OK, gdy pojawi się małe okno z prośbą o potwierdzenie. Kliknij Rośliny i sprawdź, czy wartości są zaktualizowane. Ręcznie zmierz średnią wagę od pięciu do 10 wypełnionych ubytkami gleby, które są dobrze nawodnione i dobrze przepuszczalne bez sadzonek.

Ponownie kliknij przycisk Zmierz komponenty i potwierdź pomiar. Kliknij Ustaw masową masę gleby sadzonek. Gdy pojawi się małe okno, wprowadź średnią wagę masy gleby i kliknij OK. Kliknij Rośliny i sprawdź, czy wartości są zaktualizowane.

Wróć do pomiaru parametrów zakładu i kliknij opcję Zmierz początkową masę netto zakładu. W oknie rekordu znacznika wybierz ustaw nowy rekord jako punkt odniesienia masy netto zakładu i kliknij przycisk Zakończ. Kliknij OK, gdy pojawi się okno pomyślnie zarejestrowanej wagi, kliknij Rośliny i sprawdź, czy wartości zostały zaktualizowane.

Upewnij się, że sadzonki w tacach wnękowych są dobrze nawodnione, delikatnie wyciągnij sadzonki z korzeniami korek glebowy z jam, uważając, aby ich nie uszkodzić. I ostrożnie umieść je w wgłębieniach wykonanych przez odlewy w doniczkach. Powtórz pomiar masy netto rośliny, jak opisano wcześniej w pomiarze meta-tagów.

Aby rozważyć rezerwę wody w zielonym pojemniku, postępuj zgodnie ze wskazówkami zawartymi w rękopisie tekstowym, aby upewnić się, że pojemnik na ziarno jest pełny. Wróć do parametrów planu pomiaru i kliknij przycisk Zmierz rezerwę masy wody. Kliknij przycisk OK, gdy pojawią się okna rezerwowania masy wody i powodzenia.

Kliknij Rośliny i wyeksportuj tabelę, klikając Eksportuj rośliny w lewym dolnym rogu tabeli. Otwórz plik Excel i odejmij zmierzoną masę netto rośliny oraz masę gleby luzem wysiewu od zarezerwowanego pomiaru masy wody i zapisz. Kliknij Aktualizuj rośliny w lewym dolnym rogu tabeli.

Wybierz plik Excel i kliknij przycisk Otwórz, aby zaktualizować. Gdy pojawi się okno aktualizacji roślin, kliknij OK. Sprawdź, czy wartości zostały zaktualizowane. W obszarze Zmierz parametry rośliny kliknij Oblicz suchą masę gleby.

Gdy okno się podniesie, wstaw mokrą masę gleby i suchą masę gleby lub wprowadź ręcznie obliczoną zawartość wody w glebie. Kliknij przycisk Zastosuj, a następnie kliknij przycisk Zakończ. Gdy pojawi się okno, kliknij OK, aby potwierdzić.

Postępuj zgodnie z tekstem, aby obliczyć tę wartość zawartości wody w glebie. Otwórz zabiegi nawadniania i kliknij Utwórz nowy, a następnie wprowadź nazwę i kliknij OK. Otwórz nową nazwę nawadniania i kliknij Utwórz nowe. Następnie otwórz domyślny plan leczenia, ustaw czas otwarcia zaworu i inne parametry zgodnie z wymaganiami, a następnie kliknij Zastosuj.

Pokazuje to dynamiczny i modulujący scenariusz nawadniania dla całego okresu eksperymentalnego w oparciu o preferencje użytkownika. Otwórz scenariusze leczenia, otwórz plan i kliknij domyślną nazwę planu. Wybierz nazwę zabiegu z listy i kliknij OK, aby potwierdzić.

Wybierz odpowiednie warunki zakończenia i kliknij przycisk Zastosuj. Wszystkie możliwości obejmują opcję limitu czasu, która zamknie kran, nawet jeśli ustawione warunki nie zostaną osiągnięte. Na koniec postępuj zgodnie ze wskazówkami rękopisu, aby uzupełnić tabelę planu.

Otwórz oprogramowanie do analizy danych i zaloguj się za pomocą swojej nazwy użytkownika i hasła. Kliknij Wybierz eksperyment, a następnie wybierz system sterowania i wybierz eksperyment. W lewej kolumnie ekranu kliknij Eksperymenty i wpisz nazwę eksperymentu w pasku nazwy w sekcji wyszukiwania.

Nazwa eksperymentu pojawi się pod sekcją wyszukiwania w sekcji eksperymentu. Kliknij nazwę eksperymentu, aby otworzyć sekcje informacyjne i dotyczące rośliny. W sekcji informacyjnej edytuj daty rozpoczęcia i zakończenia UEW dla okresu co najmniej trzech dni przed rozpoczęciem leczenia suszy.

Następnie kliknij przycisk Aktualizuj. Wartość WUE i R kwadrat dla każdej doniczki pojawi się lub zostanie zaktualizowana w sekcji roślin. W sekcji roślin wybierz lub wyklucz dowolną roślinę lub doniczkę o ujemnej wartości WUE lub wartości R kwadrat mniejszej niż 0,5.

Klikając na symbol oczu pod aktywną kolumną, która zmieni kolor na czerwony. Dane WUE można wyeksportować jako plik Excel, klikając Eksportuj dane w sekcji zakładu. Warunki środowiskowe były monitorowane przez cały czas trwania eksperymentu za pomocą sondy atmosferycznej.

Zebrane dane pokazują promieniowanie aktywne fotosyntetycznie i deficyt prężności par dla różnych dni. I to przez cały dzień. Objętościową zawartość wody w doniczkach poddanych działaniu suszy mierzono za pomocą sond glebowych przez cały okres doświadczalny.

Dane zebrane z jednej rośliny indica poddanej działaniu suszy przedstawiono tutaj. Średni obliczony wzrost masy rośliny konsekwentnie zarówno w przypadku kontroli karla, jak i zabiegów suszy karla podczas pierwszego etapu eksperymentu, kiedy wszystkie rośliny otrzymały podobne nawadnianie. Po zastosowaniu leczenia suszy na roślinach karla, rośliny te przestały przybierać na wadze, a nie wznowiły przybierania na wadze aż do etapu regeneracji.

W tym momencie nastąpił wzrost masy, który postępował wolniej niż to, co zaobserwowano w przypadku grupy kontrolnej. W przeciwieństwie do tego, waga roślin kontrolnych karla rosła w sposób ciągły przez cały okres doświadczalny. Inne metody, takie jak pobieranie próbek do ekspresji genów, zawartości minerałów i aktywności fotosyntetycznej, można przeprowadzić podczas tych eksperymentów z precyzyjnym odniesieniem do zachowania rośliny i warunków środowiskowych.

Fenotypowanie funkcjonalne to praktyczna metoda charakteryzowania interakcji środowiska roślinnego, która daje użytkownikowi dobre narzędzie do porównywania różnych profili reakcji roślin w różnych warunkach otoczenia. Każdy konkretny profil może być wybrany do głębszych badań lub jako źródło korzystnych cech fizjologicznych dla programów hodowlanych.