Denna hög-genomströmning, telemetriska, hela anläggningen vattenrelationer gravimetric fenotypning metod möjliggör direkta och samtidiga realtidsmätningar, samt analys av flera avkastning-relaterade fysiologiska drag som är involverade i dynamisk växt–miljö interaktioner.
Livsmedelsförsörjningen för den växande globala befolkningen är ett stort bekymmer. De data som genomiska verktyg långt överstiger utbudet av fenotypiska data, vilket skapar en kunskapslucka. För att möta utmaningen att förbättra grödorna för att föda den växande globala befolkningen måste denna klyfta överbryggas.
Fysiologiska egenskaper anses vara viktiga funktionella egenskaper i samband med lyhördhet eller känslighet för miljöförhållanden. Många nyligen infört hög genomströmning (HTP) fenotypning tekniker är baserade på fjärranalys eller avbildning och kan direkt mäta morfologiska drag, men mäter fysiologiska parametrar främst indirekt.
Detta dokument beskriver en metod för direkt fysiologisk fenotypning som har flera fördelar för den funktionella fenotypning av växt–miljö interaktioner. Det hjälper användare att övervinna de många utmaningar som uppstått i användningen av last-cell gravimetric system och pot experiment. De föreslagna teknikerna kommer att göra det möjligt för användare att skilja mellan markvikt, växtvikt och markvattenhalt, vilket ger en metod för kontinuerlig och samtidig mätning av dynamiska jord-, växt- och atmosfärförhållanden, vid sidan av mätning av viktiga fysiologiska egenskaper. Denna metod gör det möjligt för forskare att noggrant efterlikna fältstress scenarier samtidigt som hänsyn tas till miljöns effekter på växternas fysiologi. Denna metod minimerar också potten effekter, som är en av de stora problemen i pre-field fenotypning. Den innehåller ett fertigationsystem som gör det möjligt att få en verkligt randomiserad experimentell design vid en fältliknande växttäthet. Detta system detekterar tröskelvärdet för begränsning av mark-vatten-innehåll (θ) och möjliggör översättning av data till kunskap genom användning av ett analysverktyg i realtid och en statistikresurs online. Denna metod för snabb och direkt mätning av de fysiologiska svaren av flera växter till en dynamisk miljö har stor potential för användning vid screening för positiva egenskaper i samband med svar på abiotisk stress, i samband med pre-field avel och gröda förbättring.
Att garantera livsmedelsförsörjningen för en växande global befolkning under försämrade miljöförhållanden är för närvarande ett av de stora målen förjordbruksforskningen 1,2,3. Tillgången på nya molekylära verktyg har kraftigt förbättrat gröda-förbättring program. Men medan genomiska verktyg ger en massiv mängd data, skapar den begränsade förståelsen av faktiska fenotypiska drag en betydande kunskapslucka. Att överbrygga denna klyfta är en av de största utmaningarna för modern växtvetenskap4,5,6. För att möta de utmaningar som uppstår i processen för gröda förbättring och minimera genotypen–fenotyp kunskapsgapet, måste vi balansera genotypiska tillvägagångssätt med en fenocentrisken 7,8.
Nyligen har olika hög genomströmning fenotypning (HTP) plattformar gjort möjligt den ickeförstörande fenotypning av stora växtpopulationer över tiden och dessa plattformar kan hjälpa oss att minska den genotyp–fenotyp kunskapsgapet6,8,9,10. HTP screening tekniker tillåter mätning av egenskaper i massivt antal växter inom en relativt kort tid, tack vare robotteknik och transportband eller gantries används för att flytta växter eller sensorer (respektive), i motsats till handdrivna tekniker baserade på gasutbyte eller fotografering. Trots detta presenterar de enorma mängder data som HTP-system producerar ytterligare datahanterings- och analytiskautmaningar 11,12.
De flesta av dessa HTP-plattformar innebär bedömning av fenotypiska drag genom elektroniska sensorer eller automatiserad bild förvärv13,14. Avancerad fältomografi innebär spridning av proximala sensorer och bildteknik inom området, samt en högupplöst, exakt och storskalig skala av mätning15. Sensor- och bilddata behöver integreras med andra multiomikdata för att skapa ett holistiskt, andra generationens fenomeniskt tillvägagångssätt16. Metodologiska framsteg inom dataanskaffning, hantering och bearbetning blir dock allt viktigare, eftersom utmaningarna med att översätta sensorinformation till kunskap har underskattats grovt under de första åren av växtomomikforskning13. Tillförlitligheten och noggrannheten hos för närvarande tillgängliga avbildningstekniker för djup fenotypning av dynamiska genotyp–miljöinteraktioner och växtstresssvar är docktveksamma 17,18. Dessutom är resultaten från kontrollerade miljöer ofta mycket annorlunda än de som observerats i fält, särskilt när det gäller torka-stress fenotypning. Detta beror på skillnader i situationen växterna erfarenhet i termer av markvolym, jordmiljö och mekanisk impedans på grund av sjunkande markfuktighet under torka stress. Därför är resultat från kontrollerade miljöer svåra att extrapolera till fältet19. Slutligen är ingångspriset för bildbaserade HTP-system mycket hög, inte bara på grund av priset på sensorer, men också på grund av robotteknik, transportband och gantries, som också kräver högre standarder för tillväxt-anläggning infrastruktur och betydande underhåll (många rörliga delar som arbetar i en växthus miljö).
I detta papper presenterar vi en HTP-telemetrisk fenotypning plattform som syftar till att lösa många av de problem som nämns ovan. Telemetritekniken möjliggör automatisk mätning och överföring av data från fjärrkälla(er) till en mottagande station för registrering och analys. Här demonstrerar vi en ickeförstörande HTP-telemetrisk plattform som innehåller flera vägningslysimetrar (ett gravimetriskt system) och miljösensorer. Detta system kan användas för insamling och omedelbar beräkning (bild-analys behövs inte) av ett brett spektrum av data, såsom hela anläggningens biomassa vinst, transpiration priser, stomatal conductance, rot fluss och vatten-användning effektivitet (WUE). Den realtidsanalys av stordata som direkt matas till programvaran från den registeransvarige i systemet utgör ett viktigt steg i översättningen av data till kunskap14 som har stort värde för det praktiska beslutsfattandet, vilket väsentligt utvidgar den kunskap som kan förvärvas från kontrollerade miljö fenotypningsexperiment, i allmänhet, och växthusstudier av torkans stress, i synnerhet.
Andra fördelar med telemetriplattformen är dess skalbarhet och enkel installation och dess minimala tillväxt-anläggning infrastrukturkrav (dvs. det kan enkelt installeras i de flesta tillväxtanläggningar). Eftersom detta sensorbaserade system dessutom saknar rörliga delar är underhållskostnaderna relativt låga, inklusive både ingångspriset och de långsiktiga underhållskostnaderna. Till exempel kommer priset på ett 20-enhets gravimetriskt system, inklusive feedback fertigation systemet för varje anläggning, meteorologiska station och programvara, likna priset på en bärbar gas-utbyte system av ett ledande varumärke.
Ris (Oryza sativa L.) användes som en modell gröda och torka var den undersökta behandlingen. Ris valdes eftersom det är en stor spannmålsgröda med bred genetisk mångfald och det är basföda för över hälften av världens befolkning20. Torka är en stor miljö abiotisk stressfaktor som kan försämra växternas tillväxt och utveckling, vilket leder till minskad skördar21. Denna gröda–behandlingskombination användes för att demonstrera plattformens kapacitet och mängden och kvaliteten på data som den kan ta fram. För mer information angående den teoretiska bakgrunden för denna metod, se 22.
Kunskapsgapet genotyp–fenotyp återspeglar komplexiteten hos genotyp x-miljöinteraktioner (granskas av18,24). Det kan vara möjligt att överbrygga denna klyfta genom användning av högupplösta, HTP-telemetriska diagnostiska och fenotypiska screening plattformar som kan användas för att studera hela anläggningen fysiologiska prestanda och vatten-relation kinetik8,9. Komplexiteten i genotyp x miljö interaktioner gör fenotypning en utmaning, särskilt mot bakgrund av hur snabbt växter reagerar på deras föränderliga miljöer. Även om olika fenotypning system finns för närvarande tillgängliga, de flesta av dessa system är baserade på fjärranalys och avancerade tekniker bildframställning. Även om dessa system ger samtidiga mätningar, i viss mån, är deras mätningar begränsade till morfologiska och indirekta fysiologiska egenskaper25. Fysiologiska egenskaper är mycket viktiga i samband med lyhördhet eller känslighet för miljöförhållanden26. Därför kan direkta mätningar som tas kontinuerligt och samtidigt med en mycket hög upplösning (t.ex. 3 min intervall) ge en mycket noggrann beskrivning av en växt fysiologiska beteende. Trots dessa väsentliga fördelar med det gravimetriska systemet måste även det faktum att detta system har vissa potentiella nackdelar beaktas. De största nackdelarna beror på behovet av att arbeta med krukor och i växthusförhållanden, vilket kan innebära stora utmaningar för behandling-reglering (särskilt reglering av torka behandlingar) och experimentell-repeterbarhet.
För att ta itu med dessa frågor, bör man standardisera de tillämpade påfrestningar, skapa en verkligt randomiserad experimentell struktur, minimera kruka effekter och jämföra flera dynamiska beteenden av växter under förändrade miljöförhållanden inom en kort tidsperiod. HTP-telemetriska funktionella fenotypning tillvägagångssätt som beskrivs i detta dokument behandlar dessa frågor som noterats nedan.
För att korrelera anläggningens dynamiska respons med dess dynamiska miljö och fånga upp en fullständig, stor bild av komplexa växt–miljöinteraktioner, måste både miljöförhållanden (figur 4) och växtsvar (Supplementary Figure 9B) mätas kontinuerligt. Denna metod möjliggör mätning av fysiska förändringar i krukväxtmediet och atmosfären kontinuerligt och samtidigt, vid sidan av växtdrag (jord–växt–atmosfär kontinuum, SPAC).
För att bäst förutsäga hur växter kommer att bete sig i fält, är det viktigt att utföra fenotypningsprocessen under förhållanden som är så lika som möjligt de som finns i fältet18. Vi utför experimenten i ett växthus under halvkontrollerade förhållanden för att efterlikna fältförhållanden så mycket som möjligt. En av de viktigaste villkoren är den växande eller krukväxt medium. Att välja det mest lämpliga krukmediet för det gravimetriska-systemet experimentet är avgörande. Det är lämpligt att välja ett jordmedium som rinner snabbt, möjliggör snabb uppnåendet av pottkapacitet och har en mycket stabil pottkapacitet, eftersom de funktionerna möjliggör mer exakta mätningar av det gravimetriska systemet. Dessutom måste även de olika behandlingar som ska tillämpas i försöket övervägas. Till exempel, behandlingar med salter, gödningsmedel eller kemikalier kräver användning av en inert krukväxt medium, helst en med en låg katjon-utbyte kapacitet. Torka behandlingar tillämpas på låg-transpiring växtarter skulle fungera bäst med krukväxt media med relativt låga VWC nivåer. Däremot skulle långsam torka behandlingar tillämpas på hög transpiring växter fungerar bäst med krukväxt media med relativt höga VWC nivåer. Om rötterna krävs för analys efter experimentet (t.ex. rotmorfologi, torrvikt etc.), kommer användningen av ett medium med relativt låg halt av organiskt material (dvs. sand, porös keramik eller perlit) att göra det lättare att tvätta rötterna utan att skada dem. För experiment som kommer att fortsätta under längre perioder är det lämpligt att undvika media som är rika på organiskt material, eftersom det organiska ämnet kan sönderdelas med tiden. Vänligen se tabell 1 och tabell 2 för mer detaljerad information om detta ämne.
Fält fenotypning och växthus fenotypning (pre-field) har sina egna mål och kräver olika experimentella set-ups. Pre-field fenotypning hjälper valet av lovande kandidat genotyper som har en hög sannolikhet att göra bra i fältet, för att göra fältförsök mer fokuserad och kostnadseffektiv. Emellertid, pre-field fenotypning innebär ett antal begränsningar (t.ex. pot effekter) som kan orsaka växter att utföra annorlunda än de skulle under fältförhållanden18,27. Liten kruka storlek, vattenförlust genom avdunstning och uppvärmning av lysimetern skalor är exempel på faktorer i växthus experiment som kan leda till krukaeffekter 18. Den metod som beskrivs här är utformad för att minimera dessa potentiella effekter på följande sätt:
a) Krukstorleken väljs utifrån den genotyp som skall undersökas. Systemet klarar av att stödja olika krukstorlekar (upp till 25 L) och bevattningsbehandlingar, vilket möjliggör undersökning av alla typer av grödor.
b Krukorna och lysimetrarfjällarna är isolerade för att förhindra att värme överförs och eventuell uppvärmning av krukorna.
c) Detta system innebär ett noggrant utformat bevattnings- och dräneringssystem.
(d) Det finns en separat styrenhet för varje pott, för att möjliggöra sann randomisering med självbevattande och självövervakande behandlingar.
(e) Programvaran tar hänsyn till växternas lokala VPD vid beräkningen av trädkronorna stomatal conductance. Vänligen se flera VPD stationer lokalisering i figur 1J.
Detta system innebär direkta fysiologiska mätningar vid fältliknande växttätheter, vilket eliminerar behovet av antingen stora utrymmen mellan växterna eller flytta växterna för bildbaserad fenotypning. Detta system omfattar dataanalys i realtid, samt möjligheten att exakt upptäcka den fysiologiska stresspunkten (θ) för varje planta. Detta gör det möjligt för forskaren att övervaka växterna och fatta beslut om hur experimentet ska genomföras och hur eventuella prover ska samlas in under experimentets gång. Systemets enkla och enkla viktkalibrering underlättar effektiv kalibrering. System med hög genomströmning genererar enorma mängder data, som presenterar ytterligare datahantering och analytiska utmaningar11,12. Den realtidsanalys av stordata som direkt matas till programvaran från den registeransvarige är ett viktigt steg i översättningen av data till kunskap14 som har stort värde för det praktiska beslutsfattandet.
Denna HTP-telemetric fysiologiska fenotypning metod kan vara till hjälp för att genomföra växthus experiment under nära fält villkor. Systemet kan mäta och direkt beräkna vattenrelaterade fysiologiska reaktioner av växter till deras dynamiska miljö, samtidigt som effektivt övervinna de flesta av de problem som är förknippade med potten effekt. Detta system förmågor är oerhört viktigt i pre-field fenotypning skede, eftersom de erbjuder möjligheten att förutsäga avkastning påföljder under tidiga stadier av växttillväxt.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av ISF-NSFC gemensamma forskningsprogram (bevilja nr 2436/18) och var också delvis stöds av Israel ministeriet för jordbruk och landsbygdsutveckling (Eugene Kandel Knowledge Centers) som en del av Roten av saken – The Root Zone Knowledge Center för att utnyttja modernt jordbruk.
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 |