Denne høygjennomstrømming, telemetriske, helplantede vannrelasjonene gravimetrisk fenotypingsmetode muliggjør direkte og samtidige sanntidsmålinger, samt analyse av flere utbytterelaterte fysiologiske egenskaper involvert i dynamiske plantemiljøinteraksjoner.
Matsikkerhet for den voksende globale befolkningen er en stor bekymring. Dataene fra genomiske verktøy overskrider langt tilførselen av fenotypiske data, noe som skaper et kunnskapsgap. For å møte utfordringen med å forbedre avlinger for å mate den voksende globale befolkningen, må dette gapet bygges på.
Fysiologiske egenskaper anses som viktige funksjonelle egenskaper i sammenheng med respons eller følsomhet for miljøforhold. Mange nylig introdusert høy gjennomstrømning (HTP) fenotyping teknikker er basert på ekstern sensing eller bildebehandling og er i stand til å direkte måle morfologiske egenskaper, men måle fysiologiske parametere hovedsakelig indirekte.
Dette papiret beskriver en metode for direkte fysiologisk fenotyping som har flere fordeler for funksjonell fenotyping av plantemiljøinteraksjoner. Det hjelper brukerne med å overvinne de mange utfordringene som oppstår i bruk av lastcellegravimetriske systemer og poteksperimenter. De foreslåtte teknikkene vil gjøre det mulig for brukerne å skille mellom jordvekt, plantevekt og jordvanninnhold, og gir en metode for kontinuerlig og samtidig måling av dynamiske jord-, plante- og atmosfæreforhold, sammen med måling av viktige fysiologiske egenskaper. Denne metoden gjør det mulig for forskere å etterligne feltstressscenarier nøye mens de tar hensyn til miljøets effekter på plantens fysiologi. Denne metoden minimerer også potteeffekter, som er et av de store problemene i pre-field fenotyping. Det inkluderer et fôr-back fertigation system som muliggjør en virkelig randomisert eksperimentell design på en feltlignende plantetetthet. Dette systemet oppdager jord-vann-innhold begrense terskelen (θ) og gjør det mulig for oversettelse av data til kunnskap gjennom bruk av en sanntidanalytisk verktøy og en online statistisk ressurs. Denne metoden for rask og direkte måling av de fysiologiske reaksjonene til flere planter til et dynamisk miljø har stort potensial for bruk i screening for gunstige egenskaper forbundet med svar på abiotisk stress, i sammenheng med pre-field avl og avling forbedring.
Å sikre matsikkerhet for en voksende global befolkning under forverrede miljøforhold er i dag et av de store målene for landbruksforskning1,,2,,3. Tilgjengeligheten av nye molekylære verktøy har sterkt forbedret avlingsforbedringsprogrammer. Men mens genomiske verktøy gir en massiv mengde data, skaper den begrensede forståelsen av faktiske fenotypiske egenskaper et betydelig kunnskapsgap. Bygge bro over dette gapet er en av de største utfordringene som moderne plantevitenskap4,5,6. For å møte utfordringene som oppstår i prosessen med avlingsforbedring og minimere genotype-fenotype kunnskapsgapet, må vi balansere den genotypiske tilnærmingen med en fenocentrisken 7,8.
Nylig har ulike høygjennomstrømningsfenotyping (HTP) plattformer gjort mulig den ikke-destruktive fenotyping av store plantepopulasjoner over tid, og disse plattformene kan hjelpe oss med å redusere genotype-fenotype kunnskap gap6,8,9,10. HTP screening teknikker tillate måling av egenskaper i et massivt antall planter innen relativt kort tid, takket være robotikk og transportbånd eller gantries brukes til å flytte planter eller sensorer (henholdsvis), i motsetning til hånddrevne teknikker basert på gassutveksling eller fotografering. Likevel presenterer de massive mengdene data produsert av HTP-systemer ytterligere datahåndtering og analytiske utfordringer11,,12.
De fleste av disse HTP-plattformene innebærer vurdering av fenotypiske trekk gjennom elektroniske sensorer eller automatisert bildeoppkjøp13,,14. Avansert feltfennomi innebærer utplassering av proksimale sensorer og bildeteknologier i feltet, samt en høyoppløselig, presis og stor befolkningsskala for måling15. Sensor- og bildedata må integreres med andre multi-omics data for å skape en helhetlig, andre generasjonphenomisk tilnærming16. Metodiske fremskritt innen datainnsamling, håndtering og prosessering blir imidlertid stadig viktigere, da utfordringene med å oversette sensorinformasjon til kunnskap har blitt grovt undervurdert i løpet av de første årene av plantefennomiforskning13. Påliteligheten og nøyaktigheten til tilgjengelige bildeteknikker for grundig fenotyping av dynamiske genotype-miljøinteraksjoner og plantestressresponser ertvilsomme 17,,18. Videre er resultatene fra kontrollerte miljøer ofte svært forskjellige enn de som observeres i feltet, spesielt når det gjelder tørke-stress fenotyping. Dette skyldes forskjeller i situasjonen plantene opplever når det gjelder jordvolum, jordmiljø og mekanisk impedans på grunn av fallende jordfuktighet under tørkestress. Derfor er resultater fra kontrollerte miljøer vanskelig å ekstrapolere til feltet19. Til slutt er inngangsprisen på bildebaserte HTP-systemer svært høy, ikke bare på grunn av prisen på sensorer, men også på grunn av robotikk, transportbånd og gantries, som også krever høyere standarder for infrastruktur for vekstanlegg og betydelig vedlikehold (mange bevegelige deler som arbeider i et drivhusmiljø).
I dette papiret presenterer vi en HTP-telemetrisk fenotypingplattform designet for å løse mange av problemene nevnt ovenfor. Telemetriteknologi gjør det mulig å måle og overføre data automatisk fra eksterne kilde(er) til en mottakerstasjon for opptak og analyse. Her demonstrerer vi en ikke-destruktiv HTP-telemetrisk plattform som inkluderer flere veielysimametre (et gravimetrisk system) og miljøsensorer. Dette systemet kan brukes til innsamling og umiddelbar beregning (bildeanalyse er ikke nødvendig) av et bredt spekter av data, for eksempel helplantebiomassegevinst, transpirasjonsrater, stomatal ledning, rotflukser og vannbrukseffektivitet (WUE). Sanntidsanalysen av de store dataene som er direkte matet til programvaren fra kontrolleren i systemet representerer et viktig skritt i oversettelsen av data til kunnskap14 som har stor verdi for praktiske beslutninger, noe som i betydelig grad utvider kunnskapen som kan skaffes fra kontrollerte miljøfenotypingseksperimenter, generelt, og drivhusstudier av tørkestress, spesielt.
Andre fordeler med telemetriplattformen er skalerbarheten og enkel installasjon og dens minimale vekst-anlegget infrastruktur krav (det vil si, det vil si, det kan lett installeres i de fleste vekstanlegg). Videre, siden dette sensorbaserte systemet ikke har bevegelige deler, er vedlikeholdskostnadene relativt lave, inkludert både inngangsprisen og langsiktige vedlikeholdskostnader. For eksempel vil prisen på et 20-enhet gravimetrisk system, inkludert tilbakemeldings fertigation-systemet for hvert anlegg, meteorologisk stasjon og programvare, være lik prisen på ett bærbart gassutvekslingssystem av et ledende merke.
Rice (Oryza sativa L.) ble brukt som modell avling og tørke var undersøkt behandling. Ris ble valgt som det er en stor kornavling med bredt genetisk mangfold, og det er stiftmat for over halvparten av verdens befolkning20. Tørke er en stor miljømessig abiotisk stressfaktor som kan svekke plantevekst og utvikling, noe som fører til redusert avling21. Denne avlingsbehandlingskombinasjonen ble brukt til å demonstrere plattformens evner og mengden og kvaliteten på dataene den kan produsere. Hvis du vil ha mer informasjon om den teoretiske bakgrunnen for denne metoden, kan du se 22.
Kunnskapsgapet genotype–fenotype gjenspeiler kompleksiteten i genotype x miljøinteraksjoner (vurdert av18,24). Det kan være mulig å bygge bro over dette gapet gjennom bruk av høyoppløselige, HTP-telemetriske diagnostiske og fenotypiske screeningplattformer som kan brukes til å studere fysiologisk ytelse og vannrelasjonskinetikk8,,9. Kompleksiteten i genotype x miljøinteraksjoner gjør fenotyping til en utfordring, spesielt i lys av hvor raskt planter reagerer på deres skiftende miljøer. Selv om ulike fenotypingssystemer for øyeblikket er tilgjengelige, er de fleste av disse systemene basert på fjernmåling og avanserte bildeteknikker. Selv om disse systemene gir samtidige målinger, er deres målinger til en viss grad begrenset til morfologiske og indirekte fysiologiske egenskaper25. Fysiologiske egenskaper er svært viktige i sammenheng med respons eller følsomhet overfor miljøforhold26. Derfor kan direkte målinger tatt kontinuerlig og samtidig med svært høy oppløsning (f.eks. 3 min intervaller) gi en svært nøyaktig beskrivelse av plantens fysiologiske oppførsel. Til tross for de betydelige fordelene med det gravometriske systemet, må det faktum at dette systemet har noen potensielle ulemper også tas i betraktning. De største ulempene skyldes behovet for å arbeide med potter og i drivhusforhold, noe som kan by på store utfordringer for behandlingsregulering (spesielt regulering av tørkebehandlinger) og eksperimentell repeterbarhet.
For å løse disse problemene, bør man standardisere de anvendte påkjenningene, skape en virkelig randomisert eksperimentell struktur, minimere potteeffekter og sammenligne flere dynamiske atferd av planter under skiftende miljøforhold innen kort tid. HTP-telemetrisk funksjonell fenotyping tilnærming beskrevet i dette papiret løser disse problemene som nevnt nedenfor.
For å korrelere anleggets dynamiske respons med sitt dynamiske miljø og fange opp et komplett, stort bilde av komplekse anleggsmiljøinteraksjoner, må både miljøforhold (figur 4) og planteresponser (supplerende figur 9B) måles kontinuerlig. Denne metoden muliggjør måling av fysiske endringer i pottemediet og atmosfæren kontinuerlig og samtidig, sammen med plantetrekk (jord-plante-atmosfære kontinuum, SPAC).
For best å forutsi hvordan planter vil oppføre seg i feltet, er det viktig å utføre fenotypingsprosessen under forhold som er så like som mulig som de som finnesi feltet 18. Vi gjennomfører eksperimentene i et drivhus under halvkontrollerte forhold for å etterligne feltforhold så mye som mulig. En av de viktigste forholdene er det voksende eller pottemediet. Å velge det mest passende pottemediet for det gravometriske systemeksperimentet er avgjørende. Det anbefales å velge et jordmedium som drenerer raskt, gir rask oppnåelse av pottekapasitet og har en svært stabil pottekapasitet, da disse funksjonene gir mulighet for mer nøyaktige målinger av det gravometriske systemet. I tillegg må de ulike behandlingene som skal brukes i forsøket også vurderes. For eksempel krever behandlinger som involverer salter, gjødsel eller kjemikalier bruk av et inert pottemedi, helst en med lav kationutvekslingskapasitet. Tørkebehandlinger brukt på lavtransspiring plantearter ville fungere best med potting media med relativt lave VWC nivåer. I motsetning, langsom tørke behandlinger brukt på høy-transpiring planter ville fungere best med potting media med relativt høye VWC nivåer. Hvis røttene er nødvendig for analyse etter eksperimentering (f.eks. rotmorfologi, tørrvekt, etc.), vil bruk av et medium med relativt lavt organisk materialeinnhold (det vil si sand, porøs keramikk eller perlitt) gjøre det lettere å vaske røttene uten å skade dem. For eksperimenter som vil fortsette i lengre perioder, er det tilrådelig å unngå medier som er rike på organisk materiale, da det organiske materiale kan brytes ned med tiden. Se tabell 1 og tabell 2 for mer detaljert informasjon om dette emnet.
Feltfenotyping og drivhusfenotyping (pre-field) har sine egne mål og krever forskjellige eksperimentelle oppsett. Pre-field fenotyping bistår valg av lovende kandidat genotyper som har stor sannsynlighet for å gjøre det bra i feltet, for å bidra til å gjøre feltforsøk mer fokusert og kostnadseffektiv. Imidlertid innebærer pre-field fenotyping en rekke begrensninger (f.eks pot effekter) som kan føre til at planter til å utføre annerledes enn de ville under feltforhold18,27. Liten pottestørrelse, vanntap ved fordampning og oppvarming av lysimeterskalaene er eksempler på faktorer i drivhuseksperimenter som kan føre til potteeffekter18. Metoden som er beskrevet her er utformet for å minimere disse potensielle effektene på følgende måte:
(a) Pottestørrelsen velges basert på genotypen som skal undersøkes. Systemet er i stand til å støtte ulike pottestørrelser (opptil 25 L) og vanningsbehandlinger, noe som gjør det mulig å se ut av alle typer avlingsanlegg.
(b) Grytene og lysimeterskalaene isoleres for å hindre at varmen overføres og oppvarming av pottene.
(c) Dette systemet innebærer et nøye utformet vannings- og dreneringssystem.
(d) Det er en egen kontroller for hver pott, for å muliggjøre sann randomisering med selvvanning og selvmålte behandlinger.
(e) Programvaren tar hensyn til plantenes lokale VPD ved beregning av baldakin stomatal ledning. Vennligst se flere VPD stasjoner lokalisering i Figur 1J.
Dette systemet innebærer direkte fysiologiske målinger ved feltlignende plantetettheter, noe som eliminerer behovet for enten store mellomrom mellom plantene eller flytter plantene for bildebasert fenotyping. Dette systemet inkluderer sanntidsdataanalyse, samt muligheten til å nøyaktig oppdage det fysiologiske stresspunktet (θ) for hver plante. Dette gjør det mulig for forskeren å overvåke plantene og ta beslutninger om hvordan eksperimentet skal gjennomføres og hvordan eventuelle prøver skal samles inn i løpet av eksperimentet. Systemets enkle og enkle vektkalibrering forenkler effektiv kalibrering. Systemer med høy gjennomstrømming genererer enorme mengder data, som presenterer ytterligere datahåndterings- og analytiske utfordringer11,,12. Sanntidsanalysen av de store dataene som er direkte matet til programvaren fra den behandlingsansvarlige, er et viktig skritt i oversettelsen av data til kunnskap14 som har stor verdi for praktisk beslutningstaking.
Denne HTP-telemetriske fysiologiske fenotypingsmetoden kan være nyttig for å gjennomføre drivhuseksperimenter under nærfeltsforhold. Systemet er i stand til å måle og direkte beregne vannrelaterte fysiologiske responser av planter til deres dynamiske miljø, samtidig som det effektivt overvinner de fleste problemene forbundet med potteeffekten. Dette systemets evner er svært viktige i pre-feltet fenotyping scenen, som de tilbyr muligheten til å forutsi avkastning straffer i tidlige stadier av plantevekst.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av ISF-NSFC felles forskningsprogram (stipend nr. 2436/18) og ble også delvis støttet av Israel Landbruks- og distriktsdepartementet (Eugene Kandel Knowledge Centers) som en del av roten av saken – The Root Zone Knowledge Center for Utnytte moderne landbruk.
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 |