Denne high-throughput, telemetriske, hele anlægget vand relationer gravimetrisk fænotypebestemmelse metode muliggør direkte og samtidige real-time målinger, samt analyse af flere udbytte-relaterede fysiologiske træk involveret i dynamiske plante-miljø interaktioner.
Fødevaresikkerhed for den voksende globale befolkning er et stort problem. Dataene fra genomiske værktøjer overstiger langt udbuddet af fænotopyske data, hvilket skaber et vidensgab. For at tage udfordringen med at forbedre afgrøderne op for at brødføde den voksende globale befolkning skal denne kløft udlignes.
Fysiologiske træk betragtes som vigtige funktionelle træk i forbindelse med lydhørhed eller følsomhed over for miljømæssige forhold. Mange nyligt indførte høj-throughput (HTP) fænotypebestemmelse teknikker er baseret på telemåling eller billeddannelse og er i stand til direkte at måle morfologiske træk, men måle fysiologiske parametre hovedsagelig indirekte.
Dette papir beskriver en metode til direkte fysiologisk fænotypebestemmelse, der har flere fordele for den funktionelle fænotypebestemmelse af plante-miljø interaktioner. Det hjælper brugerne med at overvinde de mange udfordringer, der opstår i brugen af indtrykscellestingimetriske systemer og potteforsøg. De foreslåede teknikker vil gøre det muligt for brugerne at skelne mellem jordvægt, plantevægt og jordvandsindhold, hvilket giver en metode til kontinuerlig og samtidig måling af dynamiske jord-, plante- og atmosfæreforhold sammen med måling af vigtige fysiologiske træk. Denne metode giver forskerne mulighed for nøje at efterligne felt stress scenarier og samtidig tage hensyn til miljøets virkninger på planternes fysiologi. Denne metode minimerer også pot effekter, som er et af de største problemer i pre-field fænotypebestemmelse. Det omfatter en feed-back fertigation system, der muliggør en virkelig randomiseret eksperimentelt design på et felt-lignende plantetæthed. Dette system registrerer grænseværdien for jord- og vandindhold (θ) og gør det muligt at omsætte data til viden ved hjælp af et analyseværktøj i realtid og en online statistisk ressource. Denne metode til hurtig og direkte måling af flere planters fysiologiske reaktioner på et dynamisk miljø har et stort potentiale for brug i screening for gavnlige egenskaber forbundet med reaktioner på abiotisk stress i forbindelse med præfeltavl og afgrødeforbedring.
Sikring af fødevaresikkerheden for en voksende global befolkning under forværrede miljøforhold er i øjeblikket et af de vigtigste mål for landbrugsforskning1,2,3. Tilgængeligheden af nye molekylære værktøjer har i høj grad forbedret afgrøde-forbedring programmer. Men mens genomiske værktøjer giver en massiv mængde data, skaber den begrænsede forståelse af faktiske fænotopypiske træk en betydelig videnskløft. At bygge bro over denne kløft er en af de største udfordringer , som moderne plantevidenskabstår over for 4,5,6. For at imødekomme de udfordringer, der opstår i processen med afgrøde forbedring og minimere genotype-fænotype viden hul, må vi afbalancere genotypiske tilgang med en fænocentrisk en7,8.
For nylig har forskellige high-throughput fænotype (HTP) platforme gjort det muligt at ikke-ødelæggende fænotype af store plantepopulationer over tid, og disse platforme kan hjælpe os med at reducere genotype-fænotype viden hul6,8,9,10. HTP screening teknikker tillader måling af træk i massivt antal planter inden for en relativt kort periode, takket være robotteknologi og transportbånd eller gantries bruges til at flytte planter eller sensorer (henholdsvis), i modsætning til hånd-drevne teknikker baseret på gas udveksling eller fotografering. Ikke desto mindre giver de massive mængder data, der produceres af HTP-systemer, yderligere datahåndterings- og analytiskeudfordringer 11,12.
De fleste af disse HTP-platforme omfatter vurdering af fænoyptiske træk via elektroniske sensorer eller automatiseretbilledopkøb 13,14. Avancerede feltphenomics indebærer indsættelse af proksimale sensorer og billeddannelsesteknologier på området samt en højopløsningsskala, præcis og stor befolkningsskala for måling15. Sensor- og billeddata skal integreres med andre multiomics-data for at skabe en holistisk andengenerations fænomic tilgang16. Metodologiske fremskridt inden for dataindsamling, -håndtering og -behandling bliver imidlertid stadig vigtigere, da udfordringerne i forbindelse med omregning af sensoroplysninger til viden er blevet kraftigt undervurderet i de første år af plantephenomicsforskning13. Men pålideligheden og nøjagtigheden af de aktuelt tilgængelige billeddannelsesteknikker til dybdegående fænotype-miljøinteraktioner og plantestressreaktioner er tvivlsom17,18. Desuden er resultaterne fra kontrollerede miljøer ofte meget anderledes end dem, der observeres i marken, især når det kommer til tørke-stress fænotypebestemmelse. Dette skyldes forskelle i situationen planterne oplever med hensyn til jordvolumen, jordbundsmiljø og mekanisk impedans på grund af faldende jordfugtighed under tørkestress. Derfor er det vanskeligt at ekstrapolere resultater fra kontrollerede miljøer til feltet19. Endelig er indgangsprisen på billedbaserede HTP-systemer meget høj, ikke kun på grund af prisen på sensorer, men også på grund af robotteknologi, transportbånd og portaler, som også kræver højere standarder for vækstfacilitetsinfrastruktur og betydelig vedligeholdelse (mange bevægelige dele, der arbejder i et drivhusmiljø).
I dette papir præsenterer vi en HTP-telemetrisk fænotypebestemmelsesplatform, der er designet til at løse mange af de problemer, der er nævnt ovenfor. Telemetriteknologi muliggør automatisk måling og overførsel af data fra fjernkilde(er) til en modtagestation til registrering og analyse. Her demonstrerer vi en ikke-ødelæggende HTP-telemetrisk platform, der omfatter flere vejelysimetre (et gravimetrisk system) og miljøsensorer. Dette system kan anvendes til indsamling og øjeblikkelig beregning (billedanalyse er ikke nødvendig) af en bred vifte af data, såsom hele anlæg biomasse gevinst, transpiration satser, stmatal ledningsevne, rodfæser og vand-brug effektivitet (WUE). Realtidsanalysen af de big data, der føres direkte til softwaren fra den dataansvarlige i systemet, udgør et vigtigt skridt i oversættelsen af data til viden14, der har stor værdi for den praktiske beslutningstagning, hvilket i væsentlig grad udvider den viden, der kan erhverves fra kontrollerede miljøfektpingforsøg, i almindelighed, og drivhusundersøgelser af tørkestress i særdeleshed.
Andre fordele ved telemetriplatformen er dens skalerbarhed og nem installation og dens minimale vækstfacilitetsinfrastrukturkrav (dvs. det kan nemt installeres i de fleste vækstfaciliteter). Da dette sensorbaserede system desuden ikke har nogen bevægelige dele, er vedligeholdelsesomkostningerne relativt lave, herunder både indgangsprisen og de langsigtede vedligeholdelsesomkostninger. For eksempel vil prisen på et gravimetrisk system med 20 enheder, herunder feedback-fertigationssystemet for hvert anlæg, meteorologisk station og software, svare til prisen på et bærbart gasudvekslingssystem for et førende mærke.
Ris(Oryza sativa L.) blev brugt som en model afgrøde og tørke var den undersøgte behandling. Ris blev valgt, da det er en stor kornafgrøde med bred genetisk mangfoldighed, og det er basisfødevarer til over halvdelen af verdens befolkning20. Tørke er en vigtig miljømæssig abiotisk stressfaktor, der kan forringe plantevækst og -udvikling, hvilket fører til nedsat høstudbytte21. Denne kombination af afgrødebehandling blev brugt til at demonstrere platformens evner og mængden og kvaliteten af de data, den kan producere. Yderligere oplysninger om den teoretiske baggrund for denne metode finder du i 22.
Den genotype-fænotype viden hul afspejler kompleksiteten af genotype x miljø interaktioner (gennemgået af18,,24). Det kan være muligt at bygge bro over denne kløft ved hjælp af højopløsnings-, HTP-telemetriske diagnostiske og fænotopiske screeningsplatforme, der kan bruges til at studere hele plantens fysiologiske ydeevne og vandrelationskinetik8,9. Kompleksiteten af genotype x miljø interaktioner gør fænotype en udfordring, især i lyset af hvor hurtigt planter reagerer på deres skiftende miljøer. Selv om forskellige fænotypesystemer er tilgængelige i øjeblikket, er de fleste af disse systemer baseret på telemåling og avancerede billedbehandlingsteknikker. Selv om disse systemer giver samtidige målinger, er deres målinger til en vis grad begrænset til morfologiske og indirekte fysiologiske træk25. Fysiologiske træk er meget vigtige i forbindelse med lydhørhed eller følsomhed over for miljøforhold26. Derfor kan direkte målinger, der foretages kontinuerligt og samtidigt med en meget høj opløsning (f.eks. 3 min intervaller), give en meget nøjagtig beskrivelse af en plantes fysiologiske adfærd. På trods af disse betydelige fordele ved gravimetriske system skal der også tages hensyn til, at dette system har visse potentielle ulemper. De største ulemper skyldes behovet for at arbejde med potter og drivhusforhold, som kan udgøre store udfordringer for behandlingsregulering (især regulering af tørkebehandlinger) og eksperimentel repeterbarhed.
For at løse disse problemer, bør man standardisere de anvendte belastninger, skabe en virkelig randomiseret eksperimentel struktur, minimere pot effekter og sammenligne flere dynamiske adfærd af planter under skiftende miljøforhold inden for en kort periode. HTP-telemetriske funktionelle fænotypebestemmelse, der er beskrevet i dette dokument, omhandler disse spørgsmål som nævnt nedenfor.
For at korrelere anlæggets dynamiske respons med dets dynamiske miljø og tage et fuldstændigt, stort billede af komplekse vekselvirkninger mellem anlæg og miljø skal både miljøforhold (figur 4) og planteresponser (supplerende figur 9B) måles kontinuerligt. Denne metode gør det muligt at måle fysiske ændringer i potteplanter medium og atmosfære kontinuerligt og samtidig, sammen med plantetræk (jord-plante-atmosfære kontinuum, SPAC).
For bedst at forudsige, hvordan planter vil opføre sig i marken, er det vigtigt at udføre fænotypebestemmelsesprocessen under forhold, der er så lignende som muligt som dem, der findes imarken 18. Vi udfører eksperimenterne i et drivhus under halvstyrede forhold for at efterligne feltforholdene så meget som muligt. En af de vigtigste betingelser er den voksende eller potning medium. Det er afgørende at vælge det bedst egnede pottemedie til gravimetrisk systemeksperiment. Det er tilrådeligt at vælge en jord medium, der dræner hurtigt, giver mulighed for hurtig opnåelse af pot kapacitet og har en meget stabil pot kapacitet, da disse funktioner giver mulighed for mere præcise målinger af gravimetriske system. Desuden skal de forskellige behandlinger, der skal anvendes i forsøget, også overvejes. F.eks. kræver behandlinger, der involverer salte, gødningsstoffer eller kemikalier, anvendelse af et inert pottefrugtmedie, helst et med en lav kationbytningskapacitet. Tørke behandlinger anvendes på lav-transpiring plantearter ville fungere bedst med potning medier med relativt lave VWC niveauer. I modsætning hertil ville langsomme tørke behandlinger anvendes på høj-transpiring planter ville fungere bedst med potning medier med relativt høje VWC niveauer. Hvis rødderne er nødvendige til analyse efter forsøget (f.eks. rodmorfologi, tørvægt osv.), vil brugen af et medium med relativt lavt indhold af organisk materiale (dvs. sand, porøs keramik eller perlite) gøre det lettere at vaske rødderne uden at beskadige dem. For eksperimenter, der vil fortsætte i længere perioder, er det tilrådeligt at undgå medier, der er rige på organisk materiale, da organisk materiale kan nedbrydes med tiden. Se tabel 1 og tabel 2 for mere detaljerede oplysninger om dette emne.
Feltfædning og drivhusfjedning (præfelt) har deres egne mål og kræver forskellige eksperimentelle set-ups. Pre-field fænotypebestemmelse hjælper udvælgelsen af lovende kandidat genotyper, der har en høj sandsynlighed for at klare sig godt i marken, for at bidrage til at gøre feltforsøg mere fokuseret og omkostningseffektiv. Præfeltfædning indebærer imidlertid en række begrænsninger (f.eks. potteeffekter), der kan få planter til at præstere anderledes, end de ville gøre underfeltbetingelserne 18,27. Lille pot størrelse, vandtab ved fordampning og opvarmning af lysimeter skalaer er eksempler på faktorer i drivhus eksperimenter, der kan føre til pot effekter18. Den metode, der er beskrevet her, er designet til at minimere disse potentielle virkninger på følgende måde:
a) Grydestørrelsen vælges på grundlag af den genotype, der skal undersøges. Systemet er i stand til at understøtte forskellige pot størrelser (op til 25 L) og kunstvanding behandlinger, som gør det muligt at undersøge enhver form for afgrøde plante.
b) Gryderne og lysimeterskalaerne er isoleret for at forhindre, at der overføres varme, og at gryderne opvarmes.
c) Dette system indebærer et omhyggeligt udformet vandings- og afløbssystem.
(d) Der er en separat controller for hver pot, for at muliggøre ægte randomisering med selvvanding og selvovervågede behandlinger.
e) Softwaren tager hensyn til planternes lokale VPD ved beregningen af den baldakineformatiske ledningsevne. Se lokaliseringen af flere VPD-stationer i figur 1J.
Dette system indebærer direkte fysiologiske målinger ved feltlignende plantetætheder, hvilket eliminerer behovet for enten store mellemrum mellem planterne eller flytning af planterne til billedbaseret fænotypebestemmelse. Dette system omfatter dataanalyse i realtid samt evnen til præcist at detektere det fysiologiske stresspunkt (θ) for hver plante. Dette gør det muligt for forskeren at overvåge planterne og træffe beslutninger om, hvordan eksperimentet skal udføres, og hvordan eventuelle prøver skal indsamles i løbet af forsøget. Systemets nemme og enkle vægtkalibrering muliggør effektiv kalibrering. Systemer med høj kapacitet genererer enorme mængder data, som giver yderligere datahåndterings- og analytiske udfordringer11,12. Realtidsanalysen af de big data, der føres direkte til softwaren fra den dataansvarlige, er et vigtigt skridt i oversættelsen af data til viden14, der har stor værdi for den praktiske beslutningstagning.
Denne HTP-telemetriske fysiologiske fænotypebestemmelsesmetode kan være nyttig til udførelse af drivhusforsøg under tæt på feltforhold. Systemet er i stand til at måle og direkte beregne vand-relaterede fysiologiske reaktioner af planter til deres dynamiske miljø, mens effektivt at overvinde de fleste af de problemer, der er forbundet med potten effekt. Dette system evner er yderst vigtige i pre-field fænotypebestemmelse fase, da de giver mulighed for at forudsige udbytte sanktioner i de tidlige stadier af plantevækst.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af ISF-NSFC fælles forskningsprogram (tilskud Nr. 2436/18) og blev også delvist støttet af Israel Ministeriet for Landbrug og Udvikling af Landdistrikter (Eugene Kandel Knowledge Centers) som en del af roden af sagen – The Root Zone Knowledge Center for udnyttelse af moderne landbrug.
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 |