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

用于表征植物-环境相互作用的高通量生理表型和筛选系统

本文提出了一个简单有效的高通量实验平台，用于同时和连续在动态环境条件下监测众多植物的土壤-植物-大气连续体中的水分关系。该系统在正常、胁迫和恢复条件以及任意物候阶段，可以在几分钟到整个生长季节的时间段内为阵列中的每株植物提供同步测量的详细生理响应概况。阵列中每个盆的三个探针和专门设计的算法能够对全植物蒸腾作用、生物量增益、气孔导度和根通量进行详细的水分关系表征。它们还可以在动态土壤和大气条件下以高分辨率定量计算整个植物的水分利用效率和相对含水量。该系统没有移动部件，可以适应许多生长环境。本文使用该系统和传统的气体交换工具筛选了与栽培番茄 (S.lycopersicum) 杂交的野生番茄物种 (Solanum pennellii) 的 65 个基因渗入系，证实了该系统的准确性及其诊断能力。鉴于我们对整株性能的遗传调控的理解存在差距，特别是在非生物胁迫下，讨论了这种高通量诊断筛选方法的使用。

图1.蒸渗仪系统

图2.栽培番茄(M82)和绿果野生型S.pennellii(Penelli)番茄全株干旱反应的比较

在灌溉良好的条件下，M82的生长速度和蒸腾速率均高于Penelli。在干旱条件下，M82植物的生长速率和累积蒸腾量下降速度比 Penelli 植物快得多（图 2a、b）。当植物暴露于干旱时，与含有 Penelli 植物的盆栽相比，M82 较高的蒸腾速率导致 SWC 减少得更快（图 2c）。与 Penelli 相比，M82 较高的蒸腾速率和生物量增加导致用水分利用效率（WUE）显著降低（图 2d）。M82更高的蒸腾速率不仅与其较大的尺寸有关，还与每单位叶面积的更多蒸腾量有关，因为在对照和干旱条件下，标准化为叶面积(E)的蒸腾速率也高于Penelli 植物。在类似的SWC条件下，Penelli 植物对干旱的响应比 M82 植物更急剧地减少 E（图 2e）。当植物的蒸腾速率以及整个冠层气孔导度 gsc 标准化为植物的重量时，获得了类似的相对行为。与 Penelli 植物相比，M82 植物更大的冒险行为（即气孔响应对 SWC 减少的敏感性较低）产生较低的抗旱指数（DRI）（图 2f）。当植物达到所需的SWC 时，所有测量都需要大约 2-3 小时。在图 2(e) 中，M82 和 Penelli 的数据平均如下：M82 和 Penelli 在种植后 29天（即预处理的最后一天）取 80% SWC（盆栽容量）；由于 M82 和 Penelli 在不同时间达到 45% SWC，我们在每个植株达到 SWC 目标时进行测量。

图3.番茄种群生理特征排序图

比较第一个和第二个板块之间每条线的相对位置交换（分别如图3a、b所示）提供其相对WUE。因此，WUE水平较高的植物在生长速率板块上的具有较高的位置（图3a），而在累积蒸腾板块上的位置相对较低（图3b；e、例如，行MP1），反之亦然（例如IL5-5）。另一个定性参数可以从第二个和第三个板块之间的相对位置移动中得出[即整个植物蒸腾量（图3b）与其在蒸腾作用标准化叶面积图（gsc，图3c）上的相对位置之间的位置互换]。而IL6-2和IL6-2-2从图3（b）的右端到图3（c）的左端急剧向右移动，可能表明气孔控制出现问题。事实上，两个遗传相似的品系都具有很低的DRI（图3d）和很强的萎蔫表型，但并非所有遗传相似的IL植物都表现出相似的表型。

图4.M82和MP1全株不同参数的变化

测量的全株蒸腾速率(E)和冠层蒸汽传导率(gsc)在广泛的SWC值（图4）下产生的MP1与M82的值始终较高。在冬季重复实验[温室中的蒸汽压差(VPD)类似，但由于自然光条件导致辐射减少约30%]，最大E和gsc的值较低，具有类似的行为植物之间的模式以及植物对不同环境条件的反应。冠层气孔导度的每日峰值gsc（图4e）早于VPD的每日峰值（图4a）。

图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

当前筛选系统的另一个重要特征是通过同时测量流入根部（Jr）和流出树冠（ET）的水流量来评估连续的全株水分平衡表型；图5）。Jr通过连续测量SWC（使用土壤探针）进行评估，ET通过蒸渗仪连续测定的重量进行评估。ET和Jr的连续测量提供了两种通量之间的时间差异以及其随时间变化的视图。进水量和出水量之间的差异被视为衡量整个植株相对含水量（RWC）变化的指标。两个通量之间的差异表明RWC正在减少或增加（图5c和实验程序）。一般而言，两条线路在清晨时段的出水量均高于入水量。流入和流出在上午晚些时候达到平衡并持续到中午时段。 在下午时间段中，进水量高于出水量。MP1和M82植物的每日RWC模式之间的比较表明，在40-50% SWC时MP1的每日RWC增益更大（图5c）。然而，在严重胁迫下MP1植物比M82植物经历了更严重的RWC损失。这些观察结果与手动测量叶片的RWC以及生长速率模式一致。