High-throughput physiological phenotyping and screening system for the characterization of plant–environment interactions

用于表征植物-環境相互作用的高通量生理表型和篩選系統

本文提出了一個簡單有效的高通量實驗平臺，用于同時和連續在動態環境條件下監測眾多植物的土壤-植物-大氣連續體中的水分關系。該系統在正常、脅迫和恢復條件以及任意物候階段，可以在幾分鐘到整個生長季節的時間段內為陣列中的每株植物提供同步測量的詳細生理響應概況。陣列中每個盆的三個探針和專門設計的算法能夠對全植物蒸騰作用、生物量增益、氣孔導度和根通量進行詳細的水分關系表征。它們還可以在動態土壤和大氣條件下以高分辨率定量計算整個植物的水分利用效率和相對含水量。該系統沒有移動部件，可以適應許多生長環境。本文使用該系統和傳統的氣體交換工具篩選了與栽培番茄 (S.lycopersicum) 雜交的野生番茄物種 (Solanum pennellii) 的 65 個基因滲入系，證實了該系統的準確性及其診斷能力。鑒于我們對整株性能的遺傳調控的理解存在差距，特別是在非生物脅迫下，討論了這種高通量診斷篩選方法的使用。

圖1.蒸滲儀系統

圖2.栽培番茄(M82)和綠果野生型S.pennellii(Penelli)番茄全株干旱反應的比較

在灌溉良好的條件下，M82的生長速度和蒸騰速率均高于Penelli。在干旱條件下，M82植物的生長速率和累積蒸騰量下降速度比 Penelli 植物快得多（圖 2a、b）。當植物暴露于干旱時，與含有 Penelli 植物的盆栽相比，M82 較高的蒸騰速率導致 SWC 減少得更快（圖 2c）。與 Penelli 相比，M82 較高的蒸騰速率和生物量增加導致用水分利用效率（WUE）顯著降低（圖 2d）。M82更高的蒸騰速率不僅與其較大的尺寸有關，還與每單位葉面積的更多蒸騰量有關，因為在對照和干旱條件下，標準化為葉面積(E)的蒸騰速率也高于Penelli 植物。在類似的SWC條件下，Penelli 植物對干旱的響應比 M82 植物更急劇地減少 E（圖 2e）。當植物的蒸騰速率以及整個冠層氣孔導度 gsc 標準化為植物的重量時，獲得了類似的相對行為。與 Penelli 植物相比，M82 植物更大的冒險行為（即氣孔響應對 SWC 減少的敏感性較低）產生較低的抗旱指數（DRI）（圖 2f）。當植物達到所需的SWC 時，所有測量都需要大約 2-3 小時。在圖 2(e) 中，M82 和 Penelli 的數據平均如下：M82 和 Penelli 在種植后 29天（即預處理的最后一天）取 80% SWC（盆栽容量）；由于 M82 和 Penelli 在不同時間達到 45% SWC，我們在每個植株達到 SWC 目標時進行測量。

圖3.番茄種群生理特征排序圖

比較第一個和第二個板塊之間每條線的相對位置交換（分別如圖3a、b所示）提供其相對WUE。因此，WUE水平較高的植物在生長速率板塊上的具有較高的位置（圖3a），而在累積蒸騰板塊上的位置相對較低（圖3b；e、例如，行MP1），反之亦然（例如IL5-5）。另一個定性參數可以從第二個和第三個板塊之間的相對位置移動中得出[即整個植物蒸騰量（圖3b）與其在蒸騰作用標準化葉面積圖（gsc，圖3c）上的相對位置之間的位置互換]。而IL6-2和IL6-2-2從圖3（b）的右端到圖3（c）的左端急劇向右移動，可能表明氣孔控制出現問題。事實上，兩個遺傳相似的品系都具有很低的DRI（圖3d）和很強的萎蔫表型，但并非所有遺傳相似的IL植物都表現出相似的表型。

圖4.M82和MP1全株不同參數的變化

測量的全株蒸騰速率(E)和冠層蒸汽傳導率(gsc)在廣泛的SWC值（圖4）下產生的MP1與M82的值始終較高。在冬季重復實驗[溫室中的蒸汽壓差(VPD)類似，但由于自然光條件導致輻射減少約30%]，最大E和gsc的值較低，具有類似的行為植物之間的模式以及植物對不同環境條件的反應。冠層氣孔導度的每日峰值gsc（圖4e）早于VPD的每日峰值（圖4a）。

圖5.不同土壤含水量(SWC)水平下的每日水分流入和流出以及全株水分平衡

當前篩選系統的另一個重要特征是通過同時測量流入根部（Jr）和流出樹冠（ET）的水流量來評估連續的全株水分平衡表型；圖5）。Jr通過連續測量SWC（使用土壤探針）進行評估，ET通過蒸滲儀連續測定的重量進行評估。ET和Jr的連續測量提供了兩種通量之間的時間差異以及其隨時間變化的視圖。進水量和出水量之間的差異被視為衡量整個植株相對含水量（RWC）變化的指標。兩個通量之間的差異表明RWC正在減少或增加（圖5c和實驗程序）。一般而言，兩條線路在清晨時段的出水量均高于入水量。流入和流出在上午晚些時候達到平衡并持續到中午時段。 在下午時間段中，進水量高于出水量。MP1和M82植物的每日RWC模式之間的比較表明，在40-50% SWC時MP1的每日RWC增益更大（圖5c）。然而，在嚴重脅迫下MP1植物比M82植物經歷了更嚴重的RWC損失。這些觀察結果與手動測量葉片的RWC以及生長速率模式一致。