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以色列Plant-DiTech根系生理表型測量系統介紹

Plantarray是一款基于稱重的高通量、多傳感器生理表型平臺以及植物逆境生物學研究通用平臺，也可用于根系生理表型測量。該系統可持續、實時測量位于不同環境條件下、陣列中每個植株的土壤-植物-空氣（SPAC）中的即時水流動。直接測量根系和莖葉系統水平衡和生物量增加，計算植物生理參數以及植物對動態環境的反饋。系統以有效、易用、無損的方式針對植物對不同處理的反應、預測植物生長和生產力進行定量比較，廣泛應用于生物脅迫和非生物脅迫以及植物栽培加速育種研究等，脅迫研究涵蓋干旱脅迫、鹽脅迫、重金屬脅迫、熱、冷脅迫、光脅迫以及灌溉/養分、CO2指示、植物健康等領域的研究。

主要優勢

加速農業研究、縮短新產品推向市場時間

定量、確定、可信結果

全植株、根系、枝葉系統、

提升科研水平環境測量

多種產品和環境檢測驗證

聚焦田間實驗

持續、實時生物反饋

模塊設計、分步預算

無需基礎設施投資

主要特征

以色列Plant-DiTech根系生理表型測量系統技術參數

測量單元配有3個數字通道、1個模擬通道、1個稱重式蒸滲儀通道，所有的傳感器可以同時連續工作；

高精度稱重模塊，最大測重量達50kg（測量范圍依具體配置而定），測量精確度±0.02%稱重量；

植物生長容器滿足多種植物的生長需求，容積2-60L，采用防漏水、濺水設計；

可根據植物生長時間或生長容器重量選擇灌溉模式，灌溉系統采用精準的滴灌控制，能夠精確的控制澆水、施肥或施用生物激素的量；

多種土壤類、氣象類高精度傳感器備選，用于測量土壤含水量、溫度、電導率，空氣溫濕度、PAR、氣壓、NDVI等參數；

直接測量參數：

重量、空氣濕度、空氣溫度、氣壓、輻射（PAR）、土壤水分、土壤電導率、土壤溫度、日蒸騰

計算參數：

植物生物量增益、日蒸騰、水分利用效率、氣孔導度、抗脅迫因子、水分相對含量、 根穿透力、根系水通量、VPD。

根系生理表型測量

根在水吸收中的作用非常重要，但是，因根位于地下，要想持續對其進行監控非常具有挑戰性，特別是采用無損監測方法。

使用嵌入土壤的傳感器，可測量土壤濕度、溫度以及電導率，同時測量其它環境信號和生理參數，Plantarray可對多個功能性狀進行定量評估，例如流入根的水分-土壤傳感器可持續、精確測量水流入每株植株的速率。

干旱臨界點

植物土壤水流入以及流出的即時平衡（蒸騰）提供了不同研究植物和處理條件下的冠層相對水含量（RWC）和其變異。植物RWC認為是植物脅迫狀態的比較參照點。

圖1.干旱點測量模型：在土壤高水量條件下，水并非限制因子，因此植物1(P1) 和植物2 (P2)并未限制其冠層對水的需求。在水缺乏情況下，植物根很難獲得水，因此P1植物比P2更快受到水限制。Gosa et al., Plant Science (2018)

今天，多數根脅迫相關特征是形態學上的。但是，可在脅迫下鑒別并比較植物根系的生理特征系統更有價值。 

為何如此重要?

界定干旱的一個農藝指標是土壤水含量變成植物蒸騰的限制節點。干旱起始點與根利用任何可獲取水的能力高度相關。因此，具有更好根系性能的植物可能是由于根結構、解剖形態結構、生物化學或物理機制所致，干旱點值會較低（見圖2），韌性更佳（再次澆水后蒸騰恢復速率）。

另外的根性能功能表型鑒定基于根日常流動速率，據報道，具有高導水率的根在良好灌溉和鹽條件下具有更高的蒸騰速率，從而增強光合作用以及增加產量。 

近年來，科研主要研究精力都投入到植物脅迫反應上面。但是，盡管基因工具有了可觀的改進，在研究投資和實際耐脅迫作物市場投放之間還有巨大的鴻溝。主流觀點接受根在植物脅迫反應中扮演了重要角色。除了經典的根表型研究方法（主要基于根形態學），鑒別根生理標記在有效過程中很重要，也便利了脅迫理想型植物的培育。

圖2.全部期間2種西紅柿栽培種的全植物蒸騰-土壤水含量的函數： (a) 夏天和(b) 冬天干旱實驗。在兩個栽培種之間和不同環境條件中發現了顯著差異干旱關鍵點(?crit) 。Halperin et al., The Plant J. 2016

2016年出版的一篇文章(Halperin et al., The Plant J. 2016) 介紹了Plantarray功能生理表型方法如何在鑒別關鍵點 (?crit)，土壤水含量在脅迫下，成為植物蒸騰的限制因子。研究使用了土壤濕度探針持續、精確測量究竟何種水流入單株植物的根部(Jr) 。同時進行流速、其它環境信號以及生理參數測量，允許對不同功能性狀包括?crit進行比較。該方法為用戶提供了選擇性能佳的根系的能力，特別是干旱條件下，按照生理性狀進行比較。