以色列Plant-DiTech根系生理表型測(cè)量系統(tǒng)介紹

Plantarray是一款基于稱重的高通量、多傳感器生理表型平臺(tái)以及植物逆境生物學(xué)研究通用平臺(tái)，也可用于根系生理表型測(cè)量。該系統(tǒng)可持續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量位于不同環(huán)境條件下、陣列中每個(gè)植株的土壤-植物-空氣（SPAC）中的即時(shí)水流動(dòng)。直接測(cè)量根系和莖葉系統(tǒng)水平衡和生物量增加，計(jì)算植物生理參數(shù)以及植物對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的反饋。系統(tǒng)以有效、易用、無(wú)損的方式針對(duì)植物對(duì)不同處理的反應(yīng)、預(yù)測(cè)植物生長(zhǎng)和生產(chǎn)力進(jìn)行定量比較，廣泛應(yīng)用于生物脅迫和非生物脅迫以及植物栽培加速育種研究等，脅迫研究涵蓋干旱脅迫、鹽脅迫、重金屬脅迫、熱、冷脅迫、光脅迫以及灌溉/養(yǎng)分、CO2指示、植物健康等領(lǐng)域的研究。

主要優(yōu)勢(shì)

加速農(nóng)業(yè)研究、縮短新產(chǎn)品推向市場(chǎng)時(shí)間

定量、確定、可信結(jié)果

全植株、根系、枝葉系統(tǒng)、

提升科研水平環(huán)境測(cè)量

多種產(chǎn)品和環(huán)境檢測(cè)驗(yàn)證

聚焦田間實(shí)驗(yàn)

持續(xù)、實(shí)時(shí)生物反饋

模塊設(shè)計(jì)、分步預(yù)算

無(wú)需基礎(chǔ)設(shè)施投資

主要特征

以色列Plant-DiTech根系生理表型測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

測(cè)量單元配有3個(gè)數(shù)字通道、1個(gè)模擬通道、1個(gè)稱重式蒸滲儀通道，所有的傳感器可以同時(shí)連續(xù)工作；

高精度稱重模塊，最大測(cè)重量達(dá)50kg（測(cè)量范圍依具體配置而定），測(cè)量精確度±0.02%稱重量；

植物生長(zhǎng)容器滿足多種植物的生長(zhǎng)需求，容積2-60L，采用防漏水、濺水設(shè)計(jì)；

可根據(jù)植物生長(zhǎng)時(shí)間或生長(zhǎng)容器重量選擇灌溉模式，灌溉系統(tǒng)采用精準(zhǔn)的滴灌控制，能夠精確的控制澆水、施肥或施用生物激素的量；

多種土壤類、氣象類高精度傳感器備選，用于測(cè)量土壤含水量、溫度、電導(dǎo)率，空氣溫濕度、PAR、氣壓、NDVI等參數(shù)；

直接測(cè)量參數(shù)：

重量、空氣濕度、空氣溫度、氣壓、輻射（PAR）、土壤水分、土壤電導(dǎo)率、土壤溫度、日蒸騰

計(jì)算參數(shù)：

植物生物量增益、日蒸騰、水分利用效率、氣孔導(dǎo)度、抗脅迫因子、水分相對(duì)含量、 根穿透力、根系水通量、VPD。

根系生理表型測(cè)量

根在水吸收中的作用非常重要，但是，因根位于地下，要想持續(xù)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控非常具有挑戰(zhàn)性，特別是采用無(wú)損監(jiān)測(cè)方法。

使用嵌入土壤的傳感器，可測(cè)量土壤濕度、溫度以及電導(dǎo)率，同時(shí)測(cè)量其它環(huán)境信號(hào)和生理參數(shù)，Plantarray可對(duì)多個(gè)功能性狀進(jìn)行定量評(píng)估，例如流入根的水分-土壤傳感器可持續(xù)、精確測(cè)量水流入每株植株的速率。

干旱臨界點(diǎn)

植物土壤水流入以及流出的即時(shí)平衡（蒸騰）提供了不同研究植物和處理?xiàng)l件下的冠層相對(duì)水含量（RWC）和其變異。植物RWC認(rèn)為是植物脅迫狀態(tài)的比較參照點(diǎn)。

圖1.干旱點(diǎn)測(cè)量模型：在土壤高水量條件下，水并非限制因子，因此植物1(P1) 和植物2 (P2)并未限制其冠層對(duì)水的需求。在水缺乏情況下，植物根很難獲得水，因此P1植物比P2更快受到水限制。Gosa et al., Plant Science (2018)

今天，多數(shù)根脅迫相關(guān)特征是形態(tài)學(xué)上的。但是，可在脅迫下鑒別并比較植物根系的生理特征系統(tǒng)更有價(jià)值。 

為何如此重要?

界定干旱的一個(gè)農(nóng)藝指標(biāo)是土壤水含量變成植物蒸騰的限制節(jié)點(diǎn)。干旱起始點(diǎn)與根利用任何可獲取水的能力高度相關(guān)。因此，具有更好根系性能的植物可能是由于根結(jié)構(gòu)、解剖形態(tài)結(jié)構(gòu)、生物化學(xué)或物理機(jī)制所致，干旱點(diǎn)值會(huì)較低（見(jiàn)圖2），韌性更佳（再次澆水后蒸騰恢復(fù)速率）。

另外的根性能功能表型鑒定基于根日常流動(dòng)速率，據(jù)報(bào)道，具有高導(dǎo)水率的根在良好灌溉和鹽條件下具有更高的蒸騰速率，從而增強(qiáng)光合作用以及增加產(chǎn)量。 

近年來(lái)，科研主要研究精力都投入到植物脅迫反應(yīng)上面。但是，盡管基因工具有了可觀的改進(jìn)，在研究投資和實(shí)際耐脅迫作物市場(chǎng)投放之間還有巨大的鴻溝。主流觀點(diǎn)接受根在植物脅迫反應(yīng)中扮演了重要角色。除了經(jīng)典的根表型研究方法（主要基于根形態(tài)學(xué)），鑒別根生理標(biāo)記在有效過(guò)程中很重要，也便利了脅迫理想型植物的培育。

圖2.全部期間2種西紅柿栽培種的全植物蒸騰-土壤水含量的函數(shù)： (a) 夏天和(b) 冬天干旱實(shí)驗(yàn)。在兩個(gè)栽培種之間和不同環(huán)境條件中發(fā)現(xiàn)了顯著差異干旱關(guān)鍵點(diǎn)(?crit) 。Halperin et al., The Plant J. 2016

2016年出版的一篇文章(Halperin et al., The Plant J. 2016) 介紹了Plantarray功能生理表型方法如何在鑒別關(guān)鍵點(diǎn) (?crit)，土壤水含量在脅迫下，成為植物蒸騰的限制因子。研究使用了土壤濕度探針持續(xù)、精確測(cè)量究竟何種水流入單株植物的根部(Jr) 。同時(shí)進(jìn)行流速、其它環(huán)境信號(hào)以及生理參數(shù)測(cè)量，允許對(duì)不同功能性狀包括?crit進(jìn)行比較。該方法為用戶提供了選擇性能佳的根系的能力，特別是干旱條件下，按照生理性狀進(jìn)行比較。