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

性状精度	Plantarray
植物生物量增益	高水准, 直接
蒸腾	高水准, 直接
水利用效率	高水准, 直接
营养利用效率	高水准, 直接
根活力	高水准, 直接
气孔冠层导度	高水准, 直接
土壤水含量、温度、EC	高水准, 直接
盐水准(EC)	高水准, 直接
耐旱和恢复指数	高水准, 直接
鉴别干旱胁迫点	高水准, 直接
气象指数，VPD	高水准, 直接
环境传感器 (PAR, PH, 风速等)	高水准, 直接

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。