这种高通量、遥测、全植物水关系重力表型方法可实现直接和同步的实时测量,以及分析动态植物与环境相互作用中涉及的多个产量相关生理特征。
不断增长的全球人口的粮食安全是一个主要关切问题。基因组工具提供的数据远远超过表型数据的供应量,造成了知识差距。为了迎接改善作物以养活不断增长的全球人口的挑战,必须弥合这一差距。
生理特征被认为是对环境条件反应或敏感性的关键功能特征。许多最近引进的高通量(HTP)表型技术都基于遥感或成像,能够直接测量形态特征,但主要间接测量生理参数。
本文介绍了一种直接生理表型方法,该方法对植物与环境相互作用的功能表型具有若干优点。它帮助用户克服在使用称重传感器重力系统和盆栽实验中遇到的许多挑战。建议的技术将使用户能够区分土壤重量、植物重量和土壤含水量,为连续和同时测量动态土壤、植物和大气条件以及测量关键生理特征提供方法。这种方法允许研究人员密切模拟场应力情景,同时考虑环境对植物生理的影响。此方法还最大限度地减少了锅效应,这是场前表型中的主要问题之一。它包括一个反馈式施肥系统,可在现场样植物密度下实现真正的随机实验设计。该系统可检测土壤-水含量限制阈值 (+),并允许使用实时分析工具和在线统计资源将数据转换为知识。这种方法用于快速和直接测量多种植物对动态环境的生理反应,在田前育种和作物改良的背景下,在筛选与非生物应激反应相关的有益特征方面有很大的潜力。
在日益恶化的环境条件下,确保全球不断增长的人口获得粮食安全,是目前农业研究1、2、3,的主要目标之一。新的分子工具的提供大大增强了作物改良计划。然而,虽然基因组工具提供了大量的数据,但对实际表型特征的有限理解造成了巨大的知识差距。弥合这一差距是现代植物科学4、5、6,面临的最大挑战之一。为了迎接作物改良过程中出现的挑战,尽量减少基因型-表型知识差距,我们必须平衡基因学方法与以现象为中心的方法,7,8。
最近,各种高通量表型(HTP)平台使大量植物群的无损表型成为可能,这些平台可能有助于我们缩小基因型-表型知识差距,6、8、9、10。89,106HTP 筛选技术允许在相对较短的时间内测量大量植物的特征,这要归功于用于移动植物或传感器的机器人和传送带或甘特瑞斯(分别),而不是基于气体交换或摄影的手工操作技术。然而,HTP系统产生的海量数据带来了额外的数据处理和分析挑战11,12。11,
这些HTP平台大部分涉及通过电子传感器或自动图像采集13,14评估表型特征。先进的场现象涉及在该领域的近近传感器和成像技术的部署,以及高分辨率,精确和大规模测量尺度15。传感器和图像数据需要与其他多组数据集成,以创建一个整体的,第二代现象方法16。然而,在数据采集、处理和处理方面的方法论进展正变得越来越重要,因为在植物现象学研究的第一年,将传感器信息转化为知识的挑战被严重低估了。然而,目前可用于动态基因型-环境相互作用和植物应激反应的深入表型成像技术的可靠性和准确性值得怀疑。,18此外,受控制环境的结果往往与在实地观察到的结果大不相同,特别是在干旱压力表型方面。这是因为由于干旱压力期间土壤水分下降,植物在土壤体积、土壤环境和机械阻抗方面的情况不同。因此,来自受控环境的结果很难推断到字段19。最后,基于图像的 HTP 系统的进入价格非常高,不仅由于传感器的价格,还由于机器人、传送带和甘特林,这还需要更高的增长设施基础设施和大量维护标准(许多移动部件在温室环境中工作)。
本文提出了一个旨在解决上述许多问题的HTP遥测表型平台。遥测技术能够自动测量数据,将数据从远程源传输至接收站进行记录和分析。在这里,我们演示一个无损的 HTP 遥测平台,该平台包括多个称重测光仪(重力系统)和环境传感器。该系统可用于收集和即时计算(不需要图像分析)各种数据,如全植物生物量增益、蒸腾速率、口腔电导、根通量和水利用效率(WUE)。对系统中从控制器直接输入到软件的大数据进行实时分析,是将数据转化为知识14 的重要一步,对实际决策具有重大价值,大大扩展了从受控环境表型实验,特别是干旱压力的温室研究中获得的知识。
遥测平台的其他优点是它的可扩展性和易于安装,以及其最小的增长设施基础设施要求(即,它可以轻松地安装在大多数增长设施中)。此外,由于此基于传感器的系统没有移动部件,维护成本相对较低,包括入门价格和长期维护成本。例如,20 单位重力系统的价格,包括每个工厂、气象站和软件的反馈热化系统,的价格将类似于领先品牌的便携式气体交换系统的价格。
水稻(Oryza sativa L.)被用作示范作物,干旱是经检查的治疗。稻米之所以被选中,是一种具有广泛遗传多样性的主要谷物作物,也是全世界20多人口的主要粮食。干旱是一个主要的环境非生物应激因素,可以影响植物的生长发育,导致作物减产21。此作物处理组合用于演示平台的功能以及可生成的数据量和质量。有关此方法的理论背景的信息,请参阅 22。
基因型-表型知识差距反映了基因型x环境相互作用的复杂性(由18,24,审查)。有可能通过高分辨率,HTP-遥测诊断和表型筛选平台,可用于研究全植物生理性能和水关系动力学8,9,,缩小这一差距。基因型 x 环境相互作用的复杂性使表型成为一项挑战,特别是考虑到植物对不断变化的环境的反应速度。虽然目前有各种表型系统,但大多数系统都基于遥感和先进的成像技术。虽然这些系统提供同步测量,但在某种程度上,它们的测量仅限于形态和间接生理特征25。生理特征在对环境条件的反应或敏感性方面非常重要。因此,以非常高的分辨率(例如,3 分钟的间隔)连续和同时进行的直接测量可以提供非常准确的植物生理行为描述。尽管重力系统具有这些重大优点,但也必须考虑到这一系统有一些潜在的缺点。主要缺点是需要使用锅和温室条件,这可能给治疗调节(特别是干旱治疗的调节)和实验可重复性带来重大挑战。
为了解决这些问题,应规范应用应力,建立真正随机的实验结构,最大限度地减少盆栽效应,并在短时间内比较植物在环境条件下变化的多种动态行为。本文中描述的 HTP 遥测功能表型方法解决了这些问题,如下所述。
为了将工厂的动态响应与动态环境关联,并捕获复杂植物与环境相互作用的完整、大局,必须连续测量环境条件(图4)和植物响应(补充图9B)。此方法能够测量盆栽介质和大气的物理变化,同时测量植物特性(土壤+植物-大气连续体,SPAC)。
为了最好地预测植物在野外的表现,重要的是在尽可能类似于田间18的条件下执行表型过程。我们在半受控条件下的温室中进行实验,以尽可能模拟野外条件。最重要的条件之一是生长或盆栽介质。为重力系统实验选择最合适的盆栽介质至关重要。建议选择快速排水的土壤介质,允许快速实现锅容量,并且具有高度稳定的锅容量,因为这些功能允许重力系统进行更精确的测量。此外,还必须考虑在实验中应用的不同治疗方法。例如,涉及盐、肥料或化学品的处理要求使用惰性灌装介质,最好是具有低阳离子交换能力的栽锅介质。适用于低蒸腾植物物种的干旱处理最好适用于VC水平相对较低的盆栽介质。相比之下,适用于高蒸腾植物的缓慢干旱处理最好适用于VC水平相对较高的盆栽介质。如果实验后分析需要根(例如根形态、干重等),则使用有机物含量相对较低的介质(即沙子、多孔陶瓷或石质)将更容易在不损坏根质的情况下清洗根部。对于将持续较长时间的实验,建议避免使用富含有机物的介质,因为有机物可能会随着时间而分解。有关此主题的更多详细信息,请参阅表 1和表 2。
场表型和温室表型(场前)有自己的目标,需要不同的实验设置。战前表型有助于选择在实地表现良好的有希望的候选基因型,帮助使现场试验更有重点,更具成本效益。然而,场前表型涉及一些限制(例如,盆效应),可能导致植物的表现不同于在场条件18,27。,27小锅大小,蒸发和加热水,是温室实验中可能导致锅效应的因素的例子。此处描述的方法旨在以以下方式最大程度地减小这些潜在影响:
(a) 锅的大小是根据要检查的基因型选择的。该系统能够支持各种盆型(高达25升)和灌溉处理,从而能够检查任何类型的作物植物。
(b) 锅和百尺秤是绝缘的,以防止热量被转移和锅的任何加热。
(c) 该系统涉及精心设计的灌溉和排水系统。
(d) 每个锅都有一个单独的控制器,通过自我灌溉和自我监测处理实现真正的随机化。
(e) 软件在计算树冠口腔电导时考虑到了工厂的本地 VPD。请参阅图 1J中的多个 VPD 站本地化。
该系统涉及在田间植物密度上进行直接的生理测量,无需在植物之间大空间或移动植物进行基于图像的表型。该系统包括实时数据分析,以及准确检测每个植物的生理应激点(+)的能力。这使得研究人员能够监测植物,并决定如何进行实验,以及如何在实验过程中收集任何样本。该系统简单明了的重量校准,便于高效校准。高通量系统产生海量数据,这带来了额外的数据处理和分析挑战11,12。11,对从控制器直接输入到软件的大数据的实时分析是将数据转化为知识14的重要一步,对实际决策具有重大价值。
这种HTP-遥测生理表型方法可能有助于在近场条件下进行温室实验。该系统能够测量和直接计算植物对动态环境的水相关生理反应,同时有效地克服了与盆栽效应相关的大多数问题。该系统的能力在场前表型阶段极为重要,因为它们提供了预测植物生长早期阶段产量损失的可能性。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了国际基金-国家自然科学基金联合研究方案(第2436/18号赠款)的支持,并部分得到以色列农业和农村发展部(Eugene Kandel知识中心)的支持,作为”问题的根源——利用现代农业的根区知识中心”的一部分。
Atmospheric Probes | SpectrumTech/Meter group | 3686WD | Watchdog 2475 |
40027 | VP4 | ||
Array Randomizer | None | The software “Array Randomizer” can be used for creating an experimental design of a randomized block design, or fully random design. It was developed to have better control over the random distribution of the experimental samples (plants) in order to normalize the atmospheric microvariation inside the greenhouse. | |
Free download and more information, please click on the following link: https://drive.google.com/open?id=1y4QbTpxRK5Lx430xzu1RFdrlcL8pz_1q | |||
Cavity trays | Danish size with curved rim for nursery | 30162 | 4X4X7 Cell, 84 cell per tray https://desch.nl/en/products/seed_propagation_trays/danish-size-with-curved-rim-for-nursery~p92 |
Coarse sand | Negev Industrial Minerals Ltd., Israel | ||
Compost | Tuff Marom Golan, Israel | ||
Data Analysis software | Plant-Ditech Ltd., Israel | SPAC Analytics | |
Drippers | Netafim | 21500-001520 | PCJ 8L/h |
Fine sand | Negev Industrial Minerals Ltd., Israel | ||
Loamy soil (natural soil) | |||
Nylon mesh | Not relevant (generic products) | ||
Operating software | Plant-Ditech Ltd., Israel | Plantarray Feedback Control (PFC) | |
Peat-based soil | Klasmann-Deilmann GmbH, Germany | ||
Perlite | Agrekal , Israel | ||
Plantarray 3.0 system | Plant-Ditech Ltd., Israel | SCA400s | Weighing lysimeters |
PLA300S | Planter unit container | ||
CON100 | Control unit | ||
part of the planter set | Fiberglass stick | ||
part of the planter set | Gasket ring | ||
Operating software | |||
SPAC Analytics software | |||
Porous, ceramic, mixed-sized medium | Greens Grade, PROFILE Products LLC., USA | ||
Porous, ceramic, small-sized medium | Greens Grade, PROFILE Products LLC., USA | ||
Pots | Not relevant (generic products) | ||
Soil | Bental 11 by Tuff Marom Golan | ||
Soil Probes | Meter group | 40567 | 5TE |
40636 | 5TM | ||
40478 | GS3 | ||
Vermiculite | Agrekal , Israel |