利用Plantarray高通量植物生理表型平臺研究干旱脅迫下的辣椒植株

在非生物脅迫下提高作物生產(chǎn)力是農(nóng)業(yè)科學界面臨的最大挑戰(zhàn)之一。盡管進行了廣泛的研究，但對非生物抗逆作物商業(yè)轉(zhuǎn)移率的研究產(chǎn)出很低。這主要是由于基因型×環(huán)境相互作用的復雜性，特別是能夠量化植物對動態(tài)環(huán)境的動態(tài)生理反應能力。大多數(shù)現(xiàn)有的表型分析設備使用機器人和自動圖像采集和分析來收集信息。然而，它們直接測量整株植物生理特性的能力是有限的。我們展示了一種高通量功能表型系統(tǒng) (HFPS)，該系統(tǒng)能夠比較植物在動態(tài)環(huán)境中對不同環(huán)境條件的動態(tài)響應，因為它可以直接和同時測量幾種處理下與植物的產(chǎn)量相關生理性狀。該系統(tǒng)被設計為一對一 (1:1) 的植物單元[傳感器+控制器]，即每個單獨的植株都有自己的個性化傳感器、控制器和灌溉閥，能夠（i）以高時空分辨率監(jiān)測每株植物的水關系動力學——以及植株整個生命周期內(nèi)的環(huán)境響應，（ii）由于每株植物的多個獨立處理方案，采用了真正的隨機實驗設計，以及（iii）由于植物或其他物體的靜止性而減少人為環(huán)境干擾。此外，我們提出了兩個新的彈性量化相關性狀，也可以使用 HFPS 進行表型分析：蒸騰恢復率和夜間水分重吸收。我們使用HFPS篩選了兩種商業(yè)生物刺激劑（海藻提取物-ICL-SW和代謝物配方-ICL-NewFo1）在不同灌溉制度下對辣椒生長的影響。生物刺激劑被認為是提高作物生產(chǎn)力的一種替代方法。然而，它們復雜的作用模式需要具有成本效益的田間表型鑒定。兩種處理方式（生物刺激劑和干旱）的組合使我們能夠評估系統(tǒng)在研究生物刺激劑對耐旱性影響方面的精度和分辨率。我們分析和討論植物在不同階段的行為特征，并評估生產(chǎn)力和恢復力之間的懲罰和權衡。在這個測試案例中，我們提出了一個篩選生物刺激劑生理作用機制的方案。

圖1.實驗裝置

(A) 隨機實驗裝置陣列視圖，由 72 個裝有辣椒植株的測量單元組成。

(B) 系統(tǒng)框圖。實心圓圈 - 灌溉良好的植株；空心圓圈 - 干旱恢復條件下的植株。綠色 - ICL-SW 處理過的植株，橙色 - ICL NewFo1 處理過的植株，藍色 - 對照（無生物刺激劑）植株。所有盆栽表面都被覆蓋以減少蒸發(fā)，灌溉通過多出口滴頭注入土壤，以確保灌溉施肥和生物刺激素的均勻分布。

圖2.在整個實驗過程中，大氣條件和實驗進度以系統(tǒng)相對重量表示

采用隨機實驗設計，定量比較兩種生物刺激劑（海藻提取物ICL-SW和代謝物配方ICL-NewFo1）對植物關鍵生理特性的影響。在兩種灌溉條件下下，比較了兩種生物刺激劑與對照（無生物刺激劑）的效果：（i）灌溉良好，和（ii）干旱脅迫，從灌溉良好時期開始，然后是控制干旱期和連續(xù)恢復期（圖2B）。

圖3.生物刺激劑對植物蒸騰作用的影響

在良好灌溉期間，所有六組的日蒸騰量均逐漸增加（圖3A）。而在實驗第13天開始的干旱處理期間，植株的日蒸騰量和VWC逐漸減少（圖3A、B）。在實驗第31天（恢復期）恢復灌溉后，日蒸騰量和VWC快速增加（圖3A、B）。干旱臨界值（定義為開始限制蒸騰速率的土壤VWC值 [臨界VWC，(θc)]）是為遭受干旱的植物確定的（圖3C）。對照組和兩種生物刺激劑處理VWC值為θc = 0.15，但由于ICL SW處理的植物與其他兩組相比VWC下降的模式不同（圖3B），二者在不同的時間達到了θc，對照和ICL-NewFo1處理的植株在第22.5天達到θc，ICL-SW處理植物在第21天達到θc（圖3B、C）。在第27-29天干旱對處理和未處理植株每日蒸騰速率模式的影響（相對于三個充分灌溉組的蒸騰速率模式）如圖3D所示，這表明ICL SW處理的植株在干旱條件下午間（1200至1400小時）的蒸騰速率顯著降低，但在充分灌溉條件下達到了明顯較高的蒸騰速率（圖3E）。在充足的灌溉條件下，ICL-NewFo1處理的植株蒸騰速率介于對照和ICL-SW處理之間，并且在干旱條件下蒸騰速率也有類似的降低（圖3E)。

圖4.在整個試驗期間，平均值±SE計算的整株重量

通過使用所有六組在整個試驗期間（36天）計算的植物重量，將蒸騰作用標準化為生物量（圖4A）。六個組在充分灌溉期間的植株增重率相似，并且三個干旱脅迫組在干旱期間下降。在恢復期，后兩組的重量增加率再次開始增加（圖4A）。然而在試驗結(jié)束時，ICL SW處理的植株在后一階段的增重率較高，導致干枝生物量顯著高于對照，這可能是由于這種趨勢的累積效應（圖4B）。對于灌溉良好和缺水的植物，地上部分的干生物量與累積日蒸騰量（即與干重相關的WUE）之間的相關性相對較高（R2>0.8）（圖4C）。盡管ICL SW處理的植株蒸騰速率較高，但其蒸騰作用歸一化為植株重量E（圖4D），與對照在充分灌溉條件下的蒸騰作用相似。同樣，ICL SW處理的植株在干旱條件下表現(xiàn)出的午間蒸騰速率（圖3E）。在充分灌溉條件下，與對照相比，生物刺激劑處理的植株測得的蒸騰速率（圖3E）和干枝生物量（圖4B）較高，表明與鮮重相關的水分利用效率有所提高。然而，這種改善（增加～ICL SW治療和～ICL-NewFo1處理過的植物的14%）不顯著（圖4E）。

圖5.生物刺激劑對植物恢復力的影響

估測植物從干旱脅迫中恢復需要考慮兩個特征：（i）全株蒸騰恢復：恢復灌溉后日蒸騰增加的速率與干旱期間日蒸騰減少的速率相比較。圖5A顯示了這兩種速率的數(shù)據(jù)點，表明與對照和ICL-NewFo1處理的植株相比，ICL-SW降低了植株的恢復力（圖5B）(ii）夜間水分再吸收（即恢復白天損失的水），分別如圖5C-F所示。與對照組相比，生物刺激劑處理的植株在預處理期間的夜間水分重吸收顯著更高，用ICL-NewFo1處理植株的夜間水分重吸收值最高（圖5C）。干旱脅迫降低了三組恢復期夜間水分的再吸收能力。然而，與對照組相比，生物刺激劑提高了恢復期間的再吸收能力，ICL-NewFo1處理的植株再吸收能力最高（圖5E）。當夜間水分重吸收標準化為植物重量時，觀察到類似的趨勢，與對照相比，ICL-NewFo1處理過植株的重吸收能力明顯是最高的（圖5D，F(xiàn)）。