Eine telemetrische, gravimetrische Plattform für die physiologische Phänotypisierung von Pflanzen-Umwelt-Interaktionen in Echtzeit

Pflanzen reagieren auf sehr komplexe Weise auf die Umwelt. Physiologische Eigenschaften gehören zu den schnellsten, die reagieren. In der Regel können viel früher als morphologische Unterschiede festgestellt werden.

Diese hochauflösende funktionelle Phänotypisierungsmethode ermöglicht es, die Wechselwirkungen der Pflanze in der Umgebung kontinuierlich und zerstörerisch unter vielen Behandlungen zu quantifizieren. Dieses System kann für Echtzeitmessungen einer Vielzahl physiologischer Merkmale an vielen Pflanzen gleichzeitig ohne größere Analyse verwendet werden, während die Bedingungen für jede Pflanze in der Umgebung kontrolliert werden. Hier zeigen wir das detaillierteste Protokoll.

Wir empfehlen jedoch, dass Benutzer zum ersten Mal mit einem vereinfachten Protokoll beginnen, das es einfacher macht, sich mit den wichtigsten experimentellen Verfahren, Hardware und Software vertraut zu machen. Demonstriert wird das Verfahren durch Itamar Shenhar, ein Meisterschüler von MyLab Begin, indem er den Bodenfilter in den Topf einfügt. Verteilen Sie das Nylon-Mesh auf den gesamten Topf und legen Sie den Netzhalter auf das Netz.

Dann schieben Sie langsam den Netzhalter auf halbem Weg nach unten die Innenseite des gesamten Topfes, um sicherzustellen, dass das Netz gleichmäßig verteilt bleibt, wie es zwischen den beiden Töpfen gedrückt wird. Legen Sie den Fiberglas-Stick zwischen die beiden Töpfe und schieben Sie es den ganzen Weg nach unten auf den Boden des gesamten Topfes. Stellen Sie sicher, dass es auf der Außenseite des Netzes ist und drückt nicht das Netz.

Bevor Sie den Netzhalter ganz nach unten drücken, drücken Sie das Netz von Hand aus dem Topf nach unten und stellen Sie es so ein, dass es gleichmäßig und fest über den Boden verteilt ist, was eine ordnungsgemäße Drainage gewährleistet. Schieben Sie den Dichtungsring von der Unterseite des Topfes stellen Sie ein Drittel des Weges auf der Seite des Topfes, um sicherzustellen, dass diese Deckel im Ring in Richtung der Unterseite des Topfes öffnen. Beschriften Sie die Töpfe nach ihren Standorten im Array im Gewächshaus.

Um die Pflanzen anzubauen, keimen sie die Samen in Hohlraumschalen mit dem gewünschten Topfmedium. Starten Sie das Experiment, wenn die Pflanze etwa 10% der maximalen Topfwasserkapazität ausläuft. Lassen Sie ein paar Hohlräume ohne Sämlinge für Bodengewichtsmessungen, oder Details, folgen Sie dem Textmanuskript.

Bevor Sie ein neues Experiment starten, nivellieren und kalibrieren Sie die Lysimeter mit einem Spirituosenlevel und Standardgewichten. Führen Sie die Gewichtskalibrierung durch, während der grüne Behälter, einschließlich aller Stecker, sich in der Wägezelle befindet, den Schritten aus dem Textmanuskript folgt. Um ein neues Experiment zu starten, öffnen Sie die Bediensoftware und öffnen Sie dann die Registerkarte Experimente im Menü auf der linken Seite des Bildschirms.

Klicken Sie auf Neu erstellen. Benennen Sie das Experiment, und klicken Sie auf OK. Öffnen Sie das neue Experiment. Öffnen Sie dann Pflanzen und klicken Sie auf Neu erstellen.

Ändern Sie im Fenster den Namen der Pflanze, die Position, das Reißgewicht und den Bodentyp. Klicken Sie dann auf Übernehmen. Klicken Sie erneut auf Pflanzen, und die Tabelle wird auf dem Bildschirm angezeigt.

Exportieren Sie die Tabelle, indem Sie auf Pflanzen exportieren in der unteren linken Ecke der Tabelle klicken. Öffnen Sie dann die gespeicherte Excel-Datei. Ändern Sie die Parameter nach Bedarf und speichern Sie sie.

Klicken Sie unten links in der Tabelle auf Pflanzen importieren. Wenn ein kleines Fenster auftaucht, das sagt, dass erfolgreich importierte Pflanzen erfolgreich importiert wurden, klicken Sie auf OK. Überprüfen Sie, ob die Änderungen, die Sie in der Excel-Datei vorgenommen haben, erfolgreich importiert wurden. Klicken Sie im angezeigten Fenster auf das neue Experiment und auf Experiment starten.

Klicken Sie schließlich auf OK, um mit der Aufzeichnung von Daten aus diesem Experiment zu beginnen. Wiegen Sie die vorgefertigten leeren Töpfe. Wenn Sie Teile verwenden, die einander ähneln, reicht das durchschnittliche Gewicht von 10 aus.

Mischen Sie das Topfmedium gründlich mit viel Wasser, es sei denn, Sand oder andere homogene Bodenmedien werden verwendet. Und alle vorgefertigten leeren Töpfe gleichmäßig füllen. Tippen Sie ein paar Mal auf den Boden, um sicherzustellen, dass das Topfmedium gut verteilt ist.

Legen Sie einen Guss einer Hohlraumform, die in Form und Größe dem Wurzelbodenstecker der Sämlinge ähnelt, in die Mitte des Vergussmediums ein. Und schieben Sie es vollständig ein. Gießen Sie die Töpfe gut und spülen Sie die Außenseite der Töpfe ab.

Dann lassen Sie sie für 30 Minuten abtropfen, bevor Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren. Legen Sie alle Feldtöpfe auf dem Lysimeter-Array in den grünen Behältern nach dem experimentellen Design. Sicherstellen, dass die Stecker der grünen Behälter an der richtigen Stelle sind und dass die grünen Behälter richtig in der Nut positioniert sind.

Öffnen Sie in der Bediensoftware die Registerkarte Experiment und klicken Sie auf die Registerkarte Komponenten messen unter dem neuen Experiment. Bestätigen Sie die neue Messung ab der Zeit, die oben auf dem Bildschirm angegeben wurde, da die vorherige Stichprobe eingeschaltet war. Klicken Sie auf Measure Object.

Klicken Sie auf Weiter, wenn die Datensatzgewichtungen und Delta-Tag-Fenster angezeigt werden. Benennen Sie im Tag Record-Fenster das neue Meta-Tag als erste Messung, und klicken Sie auf Fertig stellen. Wenn das aufgezeichnete Fenster der Gewichtung erfolgreich angezeigt wird, klicken Sie auf OK. Legen Sie die Multi-Outlet-Bewässerungstropfen und Topfabdeckungen auf jeden Topf in das Lysimeter.

Bestätigen Sie die neue Messung, und klicken Sie erneut auf Measure Object. Klicken Sie auf Weiter, wenn die Datensatzgewichtungen angezeigt werden. Wählen Sie im Delta-Tag-Fenster die erste Messung im Abschnitt Meta-Tags aus, um den Abschnitt zu subtrahieren, und klicken Sie auf Weiter.

Benennen Sie im Tag-Datensatzfenster die neuen Meta-Tags als statische Komponenten, und klicken Sie auf Fertig stellen. Wenn das aufgezeichnete Fenster der Gewichtung erfolgreich angezeigt wird, klicken Sie auf OK. Klicken Sie auf Pflanzen auf der linken Seite, und stellen Sie sicher, dass die Werte aktualisiert werden. Öffnen Sie dann unter dem neuen Experiment die Registerkarte Behandlungsszenarien, und klicken Sie auf Neu erstellen.

Klicken Sie unter Plan auf den Neuen Schritt. Wählen Sie in der Mitte des Bildschirms den angegebenen Testnamen für die Behandlung aus und bestätigen Sie, indem Sie auf OK klicken. Wählen Sie nie für die Kündigung und klicken Sie auf Bewerben. Öffnen Sie die Bewässerungsbehandlungen auf der linken Seite des gewählten Testnamens.

Klicken Sie auf den Neuen Schritt. Ändern Sie in der Mitte des Bildschirms die Öffnungszeit des Ventils einige Minuten vor der aktuellen Zeit, zusammen mit anderen Parametern, wie im Experiment erforderlich, und klicken Sie auf Anwenden. Öffnen Sie die Pflanzen unter dem neuen Experiment und klicken Sie auf den neuen Pflanzennamen.

Ändern Sie in der Mitte des Bildschirms den Behandlungsplan in Plan. Ein Fenster wird angezeigt, klicken Sie auf OK, um dies zu bestätigen. Überprüfen Sie, ob der Schritt denselben Namen wie der Bewässerungstestname hat.

Klicken Sie dann auf Übernehmen. Überprüfen Sie visuell, ob alle Töpfe bewässert sind und dass überschüssige Bewässerungsflüssigkeit aus dem perforierten Abflussstopfen des grünen Behälters tropft. Entfernen Sie den ungelochten Stecker aus dem grünen Behälter und lassen Sie das Wasser vollständig abfließen.

Dann den Stecker austauschen. Öffnen Sie die Registerkarte "Experiment", und klicken Sie unter dem neuen Experiment auf Komponenten messen. Nachdem Sie die Messung bestätigt haben, klicken Sie unter Messen der Anlagenparameter auf Objekt messen.

Nachdem Sie durch die Datensatzgewichte und Delta-Tag-Fenster geklickt haben, benennen Sie die neuen Meta-Tags als cast-pre, und klicken Sie auf Fertig stellen. Klicken Sie auf OK, wenn das aufgezeichnete Fenster der Gewichtung erfolgreich angezeigt wird. Nehmen Sie die Abgüsse vorsichtig aus den Töpfen.

Klicken Sie auf Komponenten messen und bestätigen Sie dann die Messung wie zuvor. Klicken Sie unter Measureplanparameter auf Objekt messen. Klicken Sie auf Weiter, wenn das Fenster "Datensatzgewichtungen" angezeigt wird.

Wählen Sie cast-pre im Meta-Tags aus, um den Abschnitt zu subtrahieren, und klicken Sie auf Weiter. Benennen Sie im Tag-Datensatzfenster das neue Meta-Tag als Cast-Post, und klicken Sie auf Fertig stellen. Klicken Sie auf Pflanzen auf der linken Seite und stellen Sie sicher, dass die Werte aktualisiert werden.

Aktualisieren Sie in der Tabelle der Anlage manuell das Reißgewicht mit dem Gewicht der vorgefertigten leeren Töpfe, die manuell entnommen wurden. Klicken Sie auf Komponenten messen, und bestätigen Sie die Messung. Klicken Sie unter Parameter des Messplans auf Bodenfeuchtgewicht messen.

Klicken Sie auf OK, wenn ein kleines Fenster zur Bestätigung angezeigt wird. Klicken Sie auf Pflanzen und überprüfen Sie, ob die Werte aktualisiert werden. Messen Sie manuell das durchschnittliche Gewicht von fünf bis zehn hohl gefüllten Böden, die gut bewässert und ohne Sämlinge gut durchlässig sind.

Klicken Sie erneut auf Komponenten messen, und bestätigen Sie die Messung. Klicken Sie auf Set Seedlings Bulk Bodengewicht. Wenn ein kleines Fenster erscheint, geben Sie das durchschnittliche Gewicht der Bodenmasse ein und klicken Sie auf OK. Klicken Sie auf Pflanzen und überprüfen Sie, ob die Werte aktualisiert werden.

Kehren Sie zurück, um Anlagenparameter zu messen, und klicken Sie auf Anlagenanfangsgewicht messen. Wählen Sie im Tag-Datensatzfenster einen neuen Datensatz als Referenzpunkt für das Anlagengewicht auf, und klicken Sie auf Fertig stellen. Klicken Sie auf OK, wenn das aufgezeichnete Fenster der Gewichtung angezeigt wird, klicken Sie auf Pflanzen und überprüfen Sie, ob die Werte aktualisiert werden.

Achten Sie darauf, dass die Sämlinge in den Hohlraumschalen gut bewässert sind, ziehen Sie die Sämlinge mit ihren Wurzeln Bodenstopfen vorsichtig aus den Hohlräumen und achten Sie darauf, sie nicht zu verletzen. Und legen Sie sie sorgfältig in die Hohlräume von Gussausgüssen in den Töpfen gemacht. Wiederholen Sie die Messung des Pflanzlichen Nettogewichts, wie in der Meta-Tags-Messung zuvor beschrieben.

Um Reservewasser im grünen Behälter zu berücksichtigen, folgen Sie den Anweisungen im Textmanuskript, um sicherzustellen, dass der Getreidebehälter voll ist. Kehren Sie zur Messung der Planparameter zurück, und klicken Sie auf Wassergewicht reservieren. Klicken Sie auf OK, wenn die Reservewassergewicht- und Erfolgsfenster angezeigt werden.

Klicken Sie auf Pflanzen und exportieren Sie die Tabelle, indem Sie in der unteren linken Ecke der Tabelle auf Pflanzen exportieren klicken. Öffnen Sie die Excel-Datei, und subtrahieren Sie das gemessene Pflanzennettogewicht und säen Sie das Massenbodengewicht von der reservierten Wassergewichtsmessung, und speichern Sie es. Klicken Sie auf Pflanzen aktualisieren in der unteren linken Ecke der Tabelle.

Wählen Sie die Excel-Datei aus, und klicken Sie auf Öffnen, um sie zu aktualisieren. Wenn das Fenster "Updates" angezeigt wird, klicken Sie auf OK. Überprüfen Sie, ob die Werte aktualisiert werden. Klicken Sie unter Anlagenparameter messen auf Bodentrockengewicht berechnen.

Wenn das Fenster aufspringt, legen Sie das Nassgewicht des Bodens und das Trockengewicht des Bodens ein, oder fügen Sie manuell berechneten Bodenwassergehalt ein. Klicken Sie auf Übernehmen, und klicken Sie dann auf Fertig stellen. Wenn ein Fenster geöffnet wird, klicken Sie auf OK, um dies zu bestätigen.

Folgen Sie dem Textmanuskript, um diesen Wert für den Bodenwassergehalt zu berechnen. Öffnen Sie Bewässerungsbehandlungen und klicken Sie auf Neu erstellen und setzen Sie den Namen und klicken Sie auf OK. Öffnen Sie den neuen Bewässerungsnamen und klicken Sie auf Neu erstellen. Öffnen Sie dann den Standardbehandlungsplan, legen Sie die Ventilöffnungszeit und andere Parameter nach Bedarf fest und klicken Sie auf Anwenden.

Dies zeigt ein dynamisches und modulierendes Bewässerungsbehandlungsszenario für den gesamten Versuchszeitraum basierend auf den Vorlieben der Anwender. Öffnen Sie Behandlungsszenarien, öffnen Sie den Plan und klicken Sie auf den Standardplannamen. Wählen Sie einen Behandlungsnamen aus der Liste aus, und klicken Sie auf OK, um dies zu bestätigen.

Wählen Sie die entsprechenden Bedingungen für die Kündigung aus und klicken Sie auf Anwenden. Alle Möglichkeiten beinhalten eine Timeout-Option, die den Hahn schließt, auch wenn die eingestellten Bedingungen nicht erreicht werden. Folgen Sie schließlich den Anweisungen des Manuskripts, um die Tabelle des Plans zu vervollständigen.

Öffnen Sie die Datenanalysesoftware und melden Sie sich mit Ihrem Benutzernamen und Passwort an. Klicken Sie auf Experimentieren auswählen und dann auf Daseinssel-Kontrollsystem und experiment auswählen. Klicken Sie in der linken Spalte des Bildschirms auf Experimente, und geben Sie den Namen des Experiments in die Namensleiste unter dem Suchabschnitt ein.

Der Name des Experiments wird dann unter dem Suchabschnitt im Experimentabschnitt angezeigt. Klicken Sie auf den Versuchsnamen, um die Info- und Pflanzenabschnitte zu öffnen. Bearbeiten Sie im Info-Bereich die WUE-Start- und WUE-Enddaten für den Zeitraum von mindestens drei Tagen vor Beginn der Dürrebehandlung.

Klicken Sie dann auf Aktualisieren. Der WUE- und der R-Quadratwert für jeden Topf werden im Werksabschnitt angezeigt oder aktualisiert. Wählen oder schließen Sie im Pflanzenteil eine Pflanze oder einen Topf mit einem negativen WUE-Wert oder einem R-Quadratwert von weniger als 0,5 aus.

Durch Anklicken des Augensymbols unter der aktiven Spalte, die dann rot wird. Die WUE-Daten können als Excel-Datei exportiert werden, indem Sie im Werksabschnitt auf Daten exportieren klicken. Die Umweltbedingungen wurden während des gesamten Experiments von einer atmosphärischen Sonde überwacht.

Die gesammelten Daten zeigen photosynthetisch aktive Strahlung und Dampfdruckdefizit für verschiedene Tage. Und das im Laufe des Tages. Der volumetrische Wassergehalt der mit Trockenheit behandelten Töpfe wurde während des gesamten Versuchszeitraums mit Bodensonden gemessen.

Daten, die von einer trockenbehandelten Indica-Pflanze gesammelt wurden, werden hier gezeigt. Der durchschnittliche berechnete Pflanzengewichtsanstieg sowohl bei der Karla-Kontrolle als auch bei den Karla-Dürrebehandlungen während der ersten Phase des Experiments, als alle Pflanzen eine ähnliche Bewässerung erhielten. Als die Trockenheitsbehandlung auf die Karla-Pflanzen angewendet wurde, hörten diese Pflanzen auf, gewicht zu gewinnen, und gewannen erst in der Erholungsphase wieder an Gewicht.

Zu diesem Zeitpunkt gab es eine Gewichtszunahme, die langsamer voranging als das, was bei den Kontrollen beobachtet wurde. Im Gegensatz dazu stiegen die Gewichte der Karla-Kontrollanlagen während des gesamten Versuchszeitraums kontinuierlich an. Andere Methoden wie die Probenentnahme für Genexpression, Mineralgehalt und photosynthetische Aktivität können während dieser Experimente mit einem präzisen Verweis auf das Verhalten und die Umgebungsbedingungen der Pflanze durchgeführt werden.

Funktionelle Phänotypisierung ist eine praktische Charakterisierungsmethode für Wechselwirkungen in Pflanzenumgebungen, die dem Anwender ein gutes Werkzeug zum Vergleich verschiedener Anlagenreaktionsprofile unter verschiedenen Umgebungsbedingungen bietet. Jedes spezifische Profil könnte für tiefere Studien oder als Quelle für vorteilhafte physiologische Eigenschaften für Zuchtprogramme ausgewählt werden.