שיטת phenotyping כבידתית זו, טלמטרית, שלם, בעלת תפוקה גבוהה, מאפשרת מדידות ישירות ובו-זמנית בזמן אמת, כמו גם ניתוח של תכונות פיזיולוגיות מרובות הקשורות לתפוקה הכרוכות באינטראקציות דינמיות בין הצמח לסביבת הצמח.
ביטחון המזון עבור האוכלוסייה העולמית הגדלה הוא דאגה גדולה. הנתונים המסופקים על ידי כלים גנומיים עולים בהרבה על אספקת הנתונים הפנוטיים, ויוצרים פער ידע. כדי לעמוד באתגר של שיפור היבולים כדי להאכיל את האוכלוסייה העולמית הגדלה, יש לגשר על הפער הזה.
תכונות פיזיולוגיות נחשבות תכונות פונקציונליות מפתח בהקשר של תגובתיות או רגישות לתנאים סביבתיים. רבים הציגו לאחרונה תפוקה גבוהה (HTP) phenotyping טכניקות מבוססות על חישה מרחוק או הדמיה והם מסוגלים ישירות מדידה תכונות מורפולוגיות, אבל למדוד פרמטרים פיזיולוגיים בעיקר בעקיפין.
מאמר זה מתאר שיטה phenotyping פיזיולוגי ישיר שיש לו מספר יתרונות עבור phenotyping פונקציונלי של אינטראקציות בין הצמח לסביבה. היא מסייעת למשתמשים להתגבר על האתגרים הרבים שנתקלו בהם בשימוש במערכות כבידתיות של תאי עומס ותנסווצי חשיש. הטכניקות המוצעות יאפשרו למשתמשים להבחין בין משקל הקרקע, משקל הצמח ותכני מי הקרקע, תוך מתן שיטה למדידה רציפה בו זמנית של תנאי קרקע, צמח ואטמוספירה דינמיים, לצד מדידה של תכונות פיזיולוגיות מרכזיות. שיטה זו מאפשרת לחוקרים לחקות מקרוב תרחישי מתח שדה תוך התחשבות השפעות הסביבה על הפיזיולוגיה של הצמחים. שיטה זו גם ממזערת את השפעות סיר, אשר הן אחת הבעיות העיקריות phenotyping טרום שדה. הוא כולל מערכת תסיסה הזנה בחזרה המאפשרת עיצוב ניסיוני אקראי באמת בצפיפות צמח כמו שדה. מערכת זו מזהה את סף הגבלת תכולת מי הקרקע ומאפשרת תרגום נתונים לידע באמצעות שימוש בכלי אנליטי בזמן אמת ומשאב סטטיסטי מקוון. שיטה זו למדידה מהירה וישירה של התגובות הפיזיולוגיות של צמחים מרובים לסביבה דינמית יש פוטנציאל גדול לשימוש בהקרנה עבור תכונות מועילות הקשורות לתגובות ללחץ abiotic, בהקשר של רבייה טרום שדה ושיפור היבול.
הבטחת ביטחון המזון לאוכלוסייה גלובלית הולכת וגדלה בתנאים סביבתיים מידרדרים היא כיום אחתהמטרות העיקריות של מחקר החקלאות 1,,2,,3. הזמינות של כלים מולקולריים חדשים שיפרה מאוד את תוכניות שיפור היבול. עם זאת, בעוד כלים גנומיים מספקים כמות עצומה של נתונים, ההבנה המוגבלת של תכונות פנוטיפיק בפועל יוצרת פער ידע משמעותי. גישור על פער זה הוא אחד האתגרים הגדולים ביותר העומדים בפני מדע הצמחהמודרני 4,5,6. כדי לעמוד באתגרים המתעוררים בתהליך של שיפור היבול ולמזער את פער הידע של הגנוטיפ-פנוטיפ, עלינו לאזן את הגישה הגנוטיפית עםפנוצנטרית אחת 7,,8.
לאחרונה, פלטפורמות phenotyping בתפוקה גבוהה שונות (HTP) אפשרו phenotyping לא מפוזר של אוכלוסיות צמחים גדולותלאורךזמן פלטפורמות אלה עשויים לעזור לנו להפחית את פער הידע גנוטיפ-פנוטיפ 6,88,9,10. טכניקות ההקרנה HTP מאפשרות מדידה של תכונות במספרים מסיביים של צמחים בתוך פרק זמן קצר יחסית, הודות רובוטיקה ומסועים או גאנטים המשמשים להזיז את הצמחים או חיישנים (בהתאמה), בניגוד לטכניקות המופעלות ביד המבוססות על חילופי גז או צילום. עם זאת, כמויות הנתונים העצומות המיוצרות על ידי מערכות HTP מציגות אתגרים נוספים לטיפול בנתוניםואנליטיים 11,12.
רוב פלטפורמות HTP אלה כרוכות בהערכה של תכונות פנוטיפיק באמצעות חיישנים אלקטרוניים או רכישת תמונהאוטומטית 13,14. פנומיות שדה מתקדמות כרוכות בפריסה של חיישנים פרוקסימליים וטכנולוגיות הדמיה בתחום, כמו גם ברזולוציה גבוהה, בהיקף אוכלוסייה מדויק וגדולשל מדידה 15. יש לשלב נתוני חיישנים ותמונה עם נתונים אחרים של ריבוי אומיקה כדי ליצור גישה פנומית הוליסטית מהדור השני16. עם זאת, התקדמות מתודולוגית ברכישת נתונים, טיפול ועיבוד הופכים להיות חשובים יותר ויותר, כמו האתגרים של תרגום מידע חיישן לידע כבר לזלזל באופן גס במהלך השנים הראשונות של מחקר פנומיקהצמח 13. עם זאת, האמינות והדיוק של טכניקות הדמיה הזמינות כיום עבור phenotyping מעמיק של אינטראקציות גנוטיפ דינמי-סביבה ותגובות מתח צמחהם מפוקפקים 17,18. יתר על כן, התוצאות של סביבות מבוקרות הן לעתים קרובות שונות מאוד מאלה שנצפו בתחום, במיוחד כשמדובר phenotyping בצורת-מתח. זאת בשל הבדלים במצב הצמחים חווים במונחים של נפח הקרקע, סביבת הקרקע ומכשול מכני בשל ירידה בלחות הקרקע במהלך מתח בצורת. לכן, קשה לשער תוצאות של סביבות מבוקרות לשדה19. לבסוף, מחיר הכניסה של מערכות HTP מבוססות תמונה הוא גבוה מאוד, לא רק בשל מחיר החיישנים, אלא גם בשל הרובוטיקה, מסועים וגאנטים, אשר דורשים גם סטנדרטים גבוהים יותר של תשתית מתקן צמיחה ותחזוקה משמעותית (חלקים נעים רבים עובדים בסביבת חממה).
בנייר זה, אנו מציגים פלטפורמת פנוטיפינג HTP-טלמטרי שנועד לפתור רבות מהבעיות שהוזכרו לעיל. טכנולוגיית טלמטריה מאפשרת מדידה אוטומטית והעברה של נתונים ממקורות מרוחקים לתחנת קליטה לצורך הקלטה וניתוח. כאן, אנו מדגימים פלטפורמה לא מרשימה של HTP-טלמטרי הכוללת מספר רב של חיישנים (מערכת כבידתית) וחיישנים סביבתיים. ניתן להשתמש במערכת זו עבור האיסוף וחישוב מיידי (ניתוח תמונה אינו נחוץ) של מגוון רחב של נתונים, כגון רווח ביומסה של צמח כולו, שיעורי טרנספיון, מוליכות סטומה, שטף שורש ויעילות שימוש במים (WUE). הניתוח בזמן אמת של הביג דאטה המוזן ישירות לתוכנה מהבקר במערכת מייצג צעד חשוב בתרגום נתוניםלידע 14 בעל ערך רב לקבלת החלטות מעשיות, ומרחיב באופן משמעותי את הידע שניתן לרכוש מניסויים מבוקרים בתחום הסביבה, בכלל, ומחקרי חממה של לחץ בצורת בפרט.
יתרונות נוספים של פלטפורמת הטלמטריה הם המדרגיות והקלות של ההתקנה שלה ודרישות התשתית המינימליות שלה למתקן צמיחה (כלומר, ניתן להתקין אותה בקלות ברוב מתקני הצמיחה). יתר על כן, מכיוון שלמערכת מבוססת חיישנים זו אין חלקים נעים, עלויות התחזוקה נמוכות יחסית, כולל הן מחיר הכניסה והן עלויות תחזוקה לטווח ארוך. לדוגמה, המחיר של מערכת כבידתית של 20 יחידות, כולל מערכת תסיסת משוב לכל צמח, תחנה מטאורולוגית ותוכנה, יהיה דומה למחיר של מערכת חילופי גז ניידת אחת של מותג מוביל.
אורז(Oryza sativa L.) שימש כיבול מודל ובצורת היה הטיפול שנבדקו. רייס נבחרה מנוצר גדול דגנים עם מגוון גנטי רחב וזה מזון בסיסי עבור יותר ממחצית האוכלוסייה בעולם20. בצורת היא גורם מתח סביבתי גדול העלים לפגוע בצמיחת הצמח ובהתפתחות, מה שמוביל לתפוקות יבול מופחתות21. שילוב זה של טיפול ביבול שימש להדגמות יכולות הפלטפורמה ואת כמות הנתונים ואיכות הנתונים שהיא יכולה לייצר. לקבלת מידע נוסף אודות הרקע התיאורטי עבור שיטה זו, ראה 22.
פער הידע של הגנוטיפ-פנוטיפ משקף את המורכבות של אינטראקציות הסביבה של גנוטיפ x (נבדק עלידי 18,24). ייתכן שניתן לגשר על פער זה באמצעות ברזולוציה גבוהה, HTP-telemetric אבחון ופלטפורמות הקרנה phenotypic שניתן להשתמש בהם כדי ללמוד ביצועים פיזיולוגיים של צמח שלם וקינטיים קשר מים8,9. המורכבות של אינטראקציות הסביבה של גנוטיפ x הופכת את phenotyping לאתגר, במיוחד לאור כמה מהר צמחים מגיבים לסביבות המשתנות שלהם. למרות שמערכות phenotyping שונות זמינות כיום, רוב המערכות הללו מבוססות על חישה מרחוק וטכניקות הדמיה מתקדמות. למרות שמערכות אלה מספקות מדידות בו-זמניות, במידה מסוימת, המדידות שלהן מוגבלות לתכונות פיזיולוגיות מורפולוגיות ועקיפות25. תכונות פיזיולוגיות חשובות מאוד בהקשר של תגובתיות או רגישות לתנאים סביבתיים26. לכן, מדידות ישירות נלקחות ברציפות ובו זמנית ברזולוציה גבוהה מאוד (למשל, 3 דקות מרווחי זמן) יכול לספק תיאור מדויק מאוד של התנהגות פיזיולוגית של צמח. למרות היתרונות המשמעותיים של המערכת הגרבימטרית, יש לקחת בחשבון גם את העובדה שלמערכת זו יש כמה חסרונות פוטנציאליים. החסרונות העיקריים נובעים מהצורך לעבוד עם סירים ובתנאי חממה, אשר יכולים להציג אתגרים עיקריים עבור טיפול-רגולציה (במיוחד הרגולציה של טיפולי בצורת) וניסיוני-חזרה.
על מנת לטפל בבעיות אלה, יש לתנן את הלחצים המיושם, ליצור מבנה ניסיוני אקראי באמת, למזער את השפעות החשיש ולהשוות התנהגויות דינמיות מרובות של צמחים בתנאים סביבתיים משתנים בתוך פרק זמן קצר. גישת phenotyping תפקוד HTP-טלמטרי המתואר במאמר זה מטפל בנושאים אלה כפי שפורט להלן.
על מנת לתאם את התגובה הדינמית של הצמח לסביבה הדינמית שלו וללכוד תמונה מלאה וגדולה של אינטראקציות מורכבות בין צמחים לסביבה, יש למדוד ללא הרף את התנאים הסביבתיים(איור 4)והן את התגובות הצמחיות(איור 9ב’משלים). שיטה זו מאפשרת מדידה של שינויים פיזיים במדיום השתיקה ובאטמוספרה ברציפות ובו זמנית, לצד תכונות צמח (רצף אדמה-צמח-אטמוספרה, SPAC).
כדי לחזות בצורה הטובה ביותר כיצד צמחים יתנהגו בתחום, חשוב לבצע את תהליך phenotyping בתנאים דומים ככל האפשר לאלה שנמצאו בתחום18. אנו עורכים את הניסויים בחממה בתנאים מבוקרים למחצה כדי לחקות את תנאי השדה ככל האפשר. אחד התנאים החשובים ביותר הוא גדל או עציצים בינוני. בחירת מדיום התעשן המתאים ביותר לניסוי המערכת הגרבימטרית היא קריטית. מומלץ לבחור מדיום קרקע המתנקז במהירות, מאפשר את ההישג המהיר של קיבולת סיר ויש לו קיבולת סיר יציבה מאוד, כמו תכונות אלה לאפשר מדידות מדויקות יותר על ידי המערכת gravimetric. בנוסף, יש לקחת בחשבון גם את הטיפולים השונים שיש ליישם בניסוי. לדוגמה, טיפולים מעורבים מלחים, דשנים או כימיקלים קוראים לשימוש במדיום עציצים אינרטי, רצוי אחד עם קיבולת נמוכה חילופי cation. טיפולי בצורת החלים על מיני צמחים בעלי תדרים נמוכים יפעלו בצורה הטובה ביותר עם מדיית עציצים עם רמות פולקסווגן נמוכות יחסית. לעומת זאת, טיפולי בצורת איטיים החלים על צמחים בעלי תדרות גבוהה יפעלו בצורה הטובה ביותר עם תקשורת עציצים עם רמות פולקסווגן גבוהות יחסית. אם השורשים נדרשים לניתוח שלאחר הניסוי (למשל, מורפולוגיה שורש, משקל יבש, וכו ‘), השימוש במדיום עם תוכן חומר אורגני נמוך יחסית (כלומר, חול, קרמיקה נקבובי או perlite) יקל על לשטוף את השורשים מבלי לפגוע בהם. לניסויים שיימשכו לתקופות ארוכות יותר, מומלץ להימנע מתוויה עשירה בחומר אורגני, מכיוון שעניין אורגני זה עלול להתפרק עם הזמן. לקבלת מידע מפורט יותר בנושא זה, עיין בטבלה 1 ובטבלה 2.
phenotyping שדה ו phenotyping חממה (טרום שדה) יש מטרות משלהם ודורשים להגדיר ניסיוני שונים. phenotyping טרום שדה מסייע הבחירה של גנוטיפים מועמד מבטיח שיש להם הסתברות גבוהה לעשות טוב בתחום, כדי לעזור להפוך את ניסויי שדה ממוקדים יותר וחסכוני. עם זאת, phenotyping טרום שדה כרוך במספר מגבלות (למשל, אפקטים סיר) שיכול לגרום צמחים לבצע באופן שונה מאשר הם היו בתנאישדה 18,27. גודל סיר קטן, אובדן מים על ידי אידוי וחימום של סולמות lysimeter הם דוגמאות של גורמים בניסויי חממה שעשויים להוביל אפקטיםסיר 18. השיטה המתוארת כאן נועדה למזער תופעות פוטנציאליות אלה באופן הבא:
(א) גודל הסיר נבחר על בסיס הגנוטיפ שיש לבחון. המערכת מסוגלת לתמוך בגדלים שונים של סירים (עד 25 ל’) וטיפולי השקיה, המאפשרים בדיקה של כל סוג של צמח יבול.
(ב) הסירים וקשקשי הלימסיטר מבודדים כדי למנוע העברת חום והתחממות של הסירים.
(ג) מערכת זו כוללת מערכת השקיה וניקוז שתוכננה בקפידה.
(ד) יש בקר נפרד לכל סיר, המאפשר אקראיות אמיתית עם השקיה עצמית וטיפולים בפיקוח עצמי.
(ה) התוכנה לוקחת בחשבון את סמנכ”ל ה-VPD המקומי של הצמחים בחישוב ההתנהלות הסטומה החופה. נא עיין בהתליזציה של תחנות VPD מרובות באיור 1J.
מערכת זו כוללת מדידות פיזיולוגיות ישירות בצפיפות צמחים כמו שדה, אשר מבטל את הצורך רווחים גדולים בין הצמחים או העברת הצמחים עבור phenotyping מבוסס תמונה. מערכת זו כוללת ניתוח נתונים בזמן אמת, כמו גם את היכולת לזהות במדויק את נקודת הלחץ הפיזיולוגית (ω) של כל צמח. הדבר מאפשר לחוקר לעקוב אחר הצמחים ולקבל החלטות לגבי אופן עריכת הניסוי וכיצד יש לאסוף דגימות במהלך הניסוי. כיול המשקל הקל והפשוט של המערכת מאפשר כיול יעיל. מערכות בתפוקה גבוהה יוצרות כמויות אדירות של נתונים, המציגים אתגרים נוספים לטיפול בנתוניםואנליטיים 11,12. הניתוח בזמן אמת של הביג דאטה המוזן ישירות לתוכנה מהבקר הוא צעד חשוב בתרגום נתוניםלידע 14 בעל ערך רב לקבלת החלטות מעשיות.
שיטת phenotyping פיזיולוגית HTP-telemetric זה עשוי להיות מועיל לביצוע ניסויי חממה בתנאים קרובים לשדה. המערכת מסוגלת למדוד ולחשב באופן ישיר תגובות פיזיולוגיות הקשורות למים של צמחים לסביבה הדינמית שלהם, תוך התגברות יעילה על רוב הבעיות הקשורות לאפקט הסיר. היכולות של מערכת זו חשובות מאוד בשלב phenotyping טרום שדה, כפי שהם מציעים את האפשרות לחזות עונשים תשואה בשלבים מוקדמים של צמיחת הצמח.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה על ידי תוכנית המחקר המשותפת ISF-NSFC (מענק מס’ 2436/18) ונתמך גם על ידי משרד החקלאות והפיתוח הכפרי (יוג’ין קנדל) כחלק משורש העניין – מרכז הידע של אזור השורש למינוף החקלאות המודרנית.
Atmospheric Probes | SpectrumTech/Meter group | 3686WD | Watchdog 2475 |
40027 | VP4 | ||
Array Randomizer | None | The software “Array Randomizer” can be used for creating an experimental design of a randomized block design, or fully random design. It was developed to have better control over the random distribution of the experimental samples (plants) in order to normalize the atmospheric microvariation inside the greenhouse. | |
Free download and more information, please click on the following link: https://drive.google.com/open?id=1y4QbTpxRK5Lx430xzu1RFdrlcL8pz_1q | |||
Cavity trays | Danish size with curved rim for nursery | 30162 | 4X4X7 Cell, 84 cell per tray https://desch.nl/en/products/seed_propagation_trays/danish-size-with-curved-rim-for-nursery~p92 |
Coarse sand | Negev Industrial Minerals Ltd., Israel | ||
Compost | Tuff Marom Golan, Israel | ||
Data Analysis software | Plant-Ditech Ltd., Israel | SPAC Analytics | |
Drippers | Netafim | 21500-001520 | PCJ 8L/h |
Fine sand | Negev Industrial Minerals Ltd., Israel | ||
Loamy soil (natural soil) | |||
Nylon mesh | Not relevant (generic products) | ||
Operating software | Plant-Ditech Ltd., Israel | Plantarray Feedback Control (PFC) | |
Peat-based soil | Klasmann-Deilmann GmbH, Germany | ||
Perlite | Agrekal , Israel | ||
Plantarray 3.0 system | Plant-Ditech Ltd., Israel | SCA400s | Weighing lysimeters |
PLA300S | Planter unit container | ||
CON100 | Control unit | ||
part of the planter set | Fiberglass stick | ||
part of the planter set | Gasket ring | ||
Operating software | |||
SPAC Analytics software | |||
Porous, ceramic, mixed-sized medium | Greens Grade, PROFILE Products LLC., USA | ||
Porous, ceramic, small-sized medium | Greens Grade, PROFILE Products LLC., USA | ||
Pots | Not relevant (generic products) | ||
Soil | Bental 11 by Tuff Marom Golan | ||
Soil Probes | Meter group | 40567 | 5TE |
40636 | 5TM | ||
40478 | GS3 | ||
Vermiculite | Agrekal , Israel |