以色列Plant-DiTech根系生理表型测量系统介绍

Plantarray是一款基于称重的高通量、多传感器生理表型平台以及植物逆境生物学研究通用平台，也可用于根系生理表型测量。该系统可持续、实时测量位于不同环境条件下、阵列中每个植株的土壤-植物-空气（SPAC）中的即时水流动。直接测量根系和茎叶系统水平衡和生物量增加，计算植物生理参数以及植物对动态环境的反馈。系统以有效、易用、无损的方式针对植物对不同处理的反应、预测植物生长和生产力进行定量比较，广泛应用于生物胁迫和非生物胁迫以及植物栽培加速育种研究等，胁迫研究涵盖干旱胁迫、盐胁迫、重金属胁迫、热、冷胁迫、光胁迫以及灌溉/养分、CO2指示、植物健康等领域的研究。

主要优势

加速农业研究、缩短新产品推向市场时间

定量、确定、可信结果

全植株、根系、枝叶系统、

提升科研水平环境测量

多种产品和环境检测验证

聚焦田间实验

持续、实时生物反馈

模块设计、分步预算

无需基础设施投资

主要特征

以色列Plant-DiTech根系生理表型测量系统技术参数

测量单元配有3个数字通道、1个模拟通道、1个称重式蒸渗仪通道，所有的传感器可以同时连续工作；

高精度称重模块，最大测重量达50kg（测量范围依具体配置而定），测量精确度±0.02%称重量；

植物生长容器满足多种植物的生长需求，容积2-60L，采用防漏水、溅水设计；

可根据植物生长时间或生长容器重量选择灌溉模式，灌溉系统采用精准的滴灌控制，能够精确的控制浇水、施肥或施用生物激素的量；

多种土壤类、气象类高精度传感器备选，用于测量土壤含水量、温度、电导率，空气温湿度、PAR、气压、NDVI等参数；

直接测量参数：

重量、空气湿度、空气温度、气压、辐射（PAR）、土壤水分、土壤电导率、土壤温度、日蒸腾

计算参数：

植物生物量增益、日蒸腾、水分利用效率、气孔导度、抗胁迫因子、水分相对含量、 根穿透力、根系水通量、VPD。

根系生理表型测量

根在水吸收中的作用非常重要，但是，因根位于地下，要想持续对其进行监控非常具有挑战性，特别是采用无损监测方法。

使用嵌入土壤的传感器，可测量土壤湿度、温度以及电导率，同时测量其它环境信号和生理参数，Plantarray可对多个功能性状进行定量评估，例如流入根的水分-土壤传感器可持续、精确测量水流入每株植株的速率。

干旱临界点

植物土壤水流入以及流出的即时平衡（蒸腾）提供了不同研究植物和处理条件下的冠层相对水含量（RWC）和其变异。植物RWC认为是植物胁迫状态的比较参照点。

图1.干旱点测量模型：在土壤高水量条件下，水并非限制因子，因此植物1(P1) 和植物2 (P2)并未限制其冠层对水的需求。在水缺乏情况下，植物根很难获得水，因此P1植物比P2更快受到水限制。Gosa et al., Plant Science (2018)

今天，多数根胁迫相关特征是形态学上的。但是，可在胁迫下鉴别并比较植物根系的生理特征系统更有价值。 

为何如此重要?

界定干旱的一个农艺指标是土壤水含量变成植物蒸腾的限制节点。干旱起始点与根利用任何可获取水的能力高度相关。因此，具有更好根系性能的植物可能是由于根结构、解剖形态结构、生物化学或物理机制所致，干旱点值会较低（见图2），韧性更佳（再次浇水后蒸腾恢复速率）。

另外的根性能功能表型鉴定基于根日常流动速率，据报道，具有高导水率的根在良好灌溉和盐条件下具有更高的蒸腾速率，从而增强光合作用以及增加产量。 

近年来，科研主要研究精力都投入到植物胁迫反应上面。但是，尽管基因工具有了可观的改进，在研究投资和实际耐胁迫作物市场投放之间还有巨大的鸿沟。主流观点接受根在植物胁迫反应中扮演了重要角色。除了经典的根表型研究方法（主要基于根形态学），鉴别根生理标记在有效过程中很重要，也便利了胁迫理想型植物的培育。

图2.全部期间2种西红柿栽培种的全植物蒸腾-土壤水含量的函数： (a) 夏天和(b) 冬天干旱实验。在两个栽培种之间和不同环境条件中发现了显著差异干旱关键点(Ɵcrit) 。Halperin et al., The Plant J. 2016

2016年出版的一篇文章(Halperin et al., The Plant J. 2016) 介绍了Plantarray功能生理表型方法如何在鉴别关键点 (Ɵcrit)，土壤水含量在胁迫下，成为植物蒸腾的限制因子。研究使用了土壤湿度探针持续、精确测量究竟何种水流入单株植物的根部(Jr) 。同时进行流速、其它环境信号以及生理参数测量，允许对不同功能性状包括Ɵcrit进行比较。该方法为用户提供了选择性能佳的根系的能力，特别是干旱条件下，按照生理性状进行比较。