Bu yüksek verimli, telemetrik, bütün bitki su ilişkileri gravimetrik fenotitipleme yöntemi, doğrudan ve eşzamanlı gerçek zamanlı ölçümlerin yanı sıra dinamik bitki-çevre etkileşimlerinde yer alan çoklu verim ile ilgili fizyolojik özelliklerin analizini sağlar.
Artan küresel nüfus için gıda güvenliği önemli bir sorundur. Genomik araçlar tarafından sağlanan veriler, phenotik veri arzını çok aşarak bir bilgi boşluğu yaratmıştır. Artan küresel nüfusu beslemek için ekinlerin iyileştirilmesi zorluğuna ulaşmak için, bu uçurumun kapatılması gerekir.
Fizyolojik özellikler, çevresel koşullara duyarlılık veya duyarlılık bağlamında temel işlevsel özellikler olarak kabul edilir. Son zamanlarda tanıtılan birçok yüksek iş parçacığı (HTP) fenotitipleme teknikleri uzaktan algılama veya görüntüleme dayanmaktadır ve doğrudan morfolojik özellikleri ölçme yeteneğine sahiptir, ancak fizyolojik parametreleri esas olarak dolaylı olarak ölçmek.
Bu makalede, bitki-çevre etkileşimlerinin işlevsel fenotimi için çeşitli avantajları olan doğrudan fizyolojik fenotipleme için bir yöntem açıklanmaktadır. Kullanıcıların yük hücresi gravimetrik sistemlerinin ve pot deneylerinin kullanımında karşılaşılan birçok zorluğun üstesinden gelmelerine yardımcı olur. Önerilen teknikler, kullanıcıların toprak ağırlığı, bitki ağırlığı ve toprak suyu içeriği arasında ayrım yapmalarını sağlayarak, dinamik toprak, bitki ve atmosfer koşullarının sürekli ve eşzamanlı ölçümü için bir yöntem sağlayarak, temel fizyolojik özelliklerin ölçülmesinin yanı sıra. Bu yöntem, çevrenin bitkilerin fizyolojisi üzerindeki etkilerini göz önünde bulundurarak, araştırmacıların alan stres senaryolarını yakından taklit etmesini sağlar. Bu yöntem aynı zamanda alan öncesi fenotiplemenin en önemli sorunlarından biri olan pot etkilerini en aza indirir. Bir alan benzeri bitki yoğunluğu gerçekten randomize deneysel tasarım sağlayan bir yem geri fertigation sistemi içerir. Bu sistem toprak-su içeriği sınırlayıcı eşiğini (σ) algılar ve gerçek zamanlı bir analitik araç ve çevrimiçi istatistiksel kaynak kullanarak verilerin bilgiye çevrilmesine olanak tanır. Birden fazla bitkinin dinamik bir ortama fizyolojik tepkilerinin hızlı ve doğrudan ölçümü için kullanılan bu yöntem, alan öncesi üreme ve mahsul iyileştirme bağlamında, abiyotik strese verilen tepkilerle ilişkili yararlı özelliklerin taranmasında büyük bir potansiyele sahiptir.
Bozulan çevre koşulları altında artan küresel nüfus için gıda güvenliğinin sağlanması şu anda tarım araştırma1,2,2,3önemli hedeflerinden biridir. Yeni moleküler araçların kullanılabilirliği büyük ölçüde ürün geliştirme programları geliştirdi. Ancak, genomik araçlar büyük miktarda veri sağlarken, gerçek phenotik özelliklerin sınırlı anlaşılması önemli bir bilgi boşluğu oluşturur. Bu boşluğu köprüleme modern bitki bilimi,4,5,6karşı karşıya en büyük zorluklardan biridir. Kırpma geliştirme sürecinde ortaya çıkan zorlukları karşılamak ve genotip-fenotip bilgi açığını en aza indirmek için, bir fenosentrik bir7,,8ile genotyonyaklaşım dengelemek gerekir.
Son zamanlarda, çeşitli yüksek iş itimat lı fenotip (HTP) platformları, zaman içinde büyük bitki popülasyonlarının zararsız fenotiplerini mümkün kıldı ve bu platformlar genotip-fenotip bilgi açığını azaltmamıza yardımcı olabilir6,8,9,10. HTP tarama teknikleri, gaz değişimi veya fotoğrafçılığa dayalı elle çalışan tekniklerin aksine, bitkileri veya sensörleri hareket ettirde kullanılan robotik ve konveyör bantları veya gantries sayesinde, nispeten kısa bir süre içinde çok sayıda santraldeki özelliklerin ölçülmesine olanak tanır. Bununla birlikte, HTP sistemleri tarafından üretilen büyük miktarda veri ek veri işleme ve analitik zorluklar11,12sayılmaktadır.
Bu HTP platformlarının çoğu elektronik sensörler veya otomatik görüntü edinimi13,14ile henotik özelliklerin değerlendirilmesi içerir. Gelişmiş alan fenomik leri, proksimal sensörlerin ve görüntüleme teknolojilerinin sahada konuşlandırılmasının yanı sıra yüksek çözünürlüklü, hassas ve büyük popülasyonölçeğinde ölçüm15’iiçerir. Sensör ve görüntü verilerinin bütünsel, ikinci nesil fenomik bir yaklaşım oluşturmak için diğer çoklu omik verilerle entegre edilmesi gerekir16. Ancak, veri toplama, işleme ve işleme metodolojik gelişmeler giderek daha önemli hale gelmektedir, bilgi içine sensör bilgi çeviri zorlukları büyük ölçüde bitki fenomikaraştırma13 ilk yıllarında hafife alınmıştır. Ancak, dinamik genotip-çevre etkileşimleri ve bitki stres yanıtlarının derinlemesine fenotimi için mevcut görüntüleme tekniklerinin güvenilirliği ve doğruluğu şüphelidir17,18. Ayrıca, kontrollü ortamlardan elde edilen sonuçlar genellikle alanında gözlenenlerden çok farklıdır, özellikle kuraklık-stres fenomenotipleme söz konusu olduğunda. Bunun nedeni, kuraklık stresi sırasında toprak nemi azalan nedeniyle toprak hacmi, toprak ortamı ve mekanik empedans açısından bitkilerin deneyim yaşadığı durum farklılıklarıdır. Bu nedenle, kontrollü ortamlardan elde edilen sonuçları alana tahmin etmek zordur19. Son olarak, görüntü tabanlı HTP sistemlerinin giriş fiyatı çok yüksek, sadece sensörlerin fiyatı nedeniyle değil, aynı zamanda robotik nedeniyle, konveyör bantları ve gantries, aynı zamanda büyüme-tesis altyapı ve önemli bakım daha yüksek standartlar gerektirir (birçok hareketli parçalar bir sera ortamında çalışan).
Bu yazıda, yukarıda bahsedilen sorunların çoğunu çözmek için tasarlanmış bir HTP-telemetrik fenotipleme platformu salıyoruz. Telemetri teknolojisi, verilerin uzak kaynaktan (lar) kayıt ve analiz için alıcı istasyona otomatik olarak ölçülmesini ve iletilmesini sağlar. Burada, birden fazla tartım lysimetre (gravimetrik sistem) ve çevre sensörleri içeren bir zararsız HTP-telemetrik platform göstermektedir. Bu sistem, tüm bitki biyokütle kazancı, transpirasyon oranları, stomatal iletkenlik, kök akıları ve su kullanım verimliliği (WUE) gibi geniş bir veri yelpazesinin toplanması ve hemen hesaplanması (görüntü analizi gerekli değildir) için kullanılabilir. Sistemdeki denetleyiciden doğrudan yazılıma beslenen büyük verilerin gerçek zamanlı analizi, verilerin pratik karar verme için büyük bir değere sahip olan14 bilginin çevirisinde önemli bir adımı temsil eder ve özellikle kuraklık stresi ile ilgili kontrollü ortam fenomenipleme deneylerinden elde edilebilen bilgileri önemli ölçüde genişletir.
Telemetri platformunun diğer avantajları ölçeklenebilirliği ve kurulum kolaylığı ve minimum büyüme-tesis altyapı gereksinimleridir (örn. çoğu büyüme tesisine kolayca kurulabilir). Ayrıca, bu sensör tabanlı sistemin hareketli parçaları olmadığından, hem giriş fiyatı hem de uzun vadeli bakım maliyetleri de dahil olmak üzere bakım maliyetleri nispeten düşüktür. Örneğin, her bir tesis, meteoroloji istasyonu ve yazılım için geri besleme fertigation sistemi de dahil olmak üzere 20 birimlik gravimetrik sistemin fiyatı, önde gelen bir markanın taşınabilir gaz değişim sisteminin fiyatına benzer olacaktır.
Pirinç(Oryza sativa L.) örnek ürün olarak kullanılmış ve kuraklık incelenmiştir. Pirinç geniş genetik çeşitliliği ile büyük bir tahıl ürün olarak seçildi ve dünya nüfusunun yarısından fazlası için temel gıda20. Kuraklık bitki büyüme ve gelişme bozabilir önemli bir çevresel abiyotik stres faktörüdür, azaltılmış ürün verimleri yolaçan 21. Bu ürün-işleme kombinasyonu platformun yeteneklerini ve üretebileceği verilerin miktarını ve kalitesini göstermek için kullanılmıştır. Bu yöntemin teorik arka planı ile ilgili daha fazla bilgi için lütfen 22′ye bakın.
Genotip-fenotip bilgi boşluğu genotip x çevre etkileşimlerinin karmaşıklığını yansıtır(18,24tarafından gözden geçirilmiştir). Bu boşluğu yüksek çözünürlüklü, HTP-telemetrik tanı ve tüm bitki fizyolojik performans ve su ilişkisi kinetik8,,9çalışma için kullanılabilecek henotypik tarama platformları kullanımı ile köprü mümkün olabilir. Genotip x çevre etkileşimlerinin karmaşıklığı, özellikle bitkilerin değişen ortamlarına ne kadar hızlı tepki verdikleri ışığında, fenotipliği bir meydan okuma haline getirir. Çeşitli fenotipleme sistemleri şu anda mevcut olmasına rağmen, bu sistemlerin çoğu uzaktan algılama ve gelişmiş görüntüleme teknikleri dayanmaktadır. Bu sistemler eşzamanlı ölçümler sağlasa lar da, belli bir ölçüde, ölçümleri morfolojik ve dolaylı fizyolojik özelliklerle sınırlıdır25. Fizyolojik özellikler çevre koşullarına duyarlılık veya duyarlılık bağlamında çok önemlidir26. Bu nedenle, sürekli ve aynı anda çok yüksek çözünürlükte (örneğin, 3 dk aralıklarla) yapılan doğrudan ölçümler, bir bitkinin fizyolojik davranışının çok doğru bir açıklamasını sağlayabilir. Gravimetrik sistemin bu önemli avantajlarına rağmen, bu sistemin bazı potansiyel dezavantajları olduğu gerçeği de dikkate alınmalıdır. Başlıca dezavantajları, tedavi-regülasyon (özellikle kuraklık tedavilerinin düzenlenmesi) ve deneysel tekrarlanabilirlik için önemli zorluklar ortaya çıkarabilecek saksılarla ve sera koşullarında çalışma gereksiniminden kaynaklanmaktadır.
Bu sorunları ele almak için, uygulanan gerilimleri standartlaştırmak, gerçekten randomize bir deneysel yapı oluşturmak, pot etkilerini en aza indirmek ve değişen çevre koşulları altında bitkilerin çok sayıda dinamik davranışlarını kısa bir süre içinde karşılaştırmak gerekir. Bu makalede açıklanan HTP-telemetrik fonksiyonel fenotitipleme yaklaşımı aşağıda belirtildiği gibi bu sorunları ele almaktadır.
Tesisin dinamik tepkisini dinamik ortamıyla ilişkilendirmek ve karmaşık bitki-çevre etkileşimlerinin tam, büyük bir resmini yakalamak için hem çevre koşulları(Şekil 4)hem de bitki yanıtları(Ek Şekil 9B)sürekli olarak ölçülmelidir. Bu yöntem, bitki özelliklerinin (toprak-bitki-atmosfer sürekliliği, SPAC) yanı sıra, çömlekçilik ortamı ve atmosferindeki fiziksel değişikliklerin sürekli ve aynı anda ölçülmesini sağlar.
Bitkilerin sahada nasıl olacaklarını en iyi şekilde tahmin etmek için,18. Deneylerini yarı kontrollü koşullar altında, alan koşullarını mümkün olduğunca taklit etmek için yapıyoruz. En önemli koşullardan biri büyüyen veya çömlekçilik ortamıdır. Gravimetrik sistem deneyi için en uygun çömlekçilik ortamının seçilmesi çok önemlidir. Bu özellikler gravimetrik sistem tarafından daha doğru ölçümler için izin olarak, hızlı bir şekilde drenaj, pot kapasitesinin hızlı bir şekilde elde etmek için izin veren ve son derece istikrarlı bir pot kapasitesine sahip bir toprak ortamı seçmek için tavsiye edilir. Buna ek olarak, deneyde uygulanacak farklı tedaviler de dikkate alınmalıdır. Örneğin, tuzlar, gübreler veya kimyasallar içeren tedaviler, tercihen düşük katyon değişim kapasitesine sahip bir inert çömlekçilik ortamının kullanılmasını ister. Düşük transpiring bitki türlerine uygulanan kuraklık tedavileri nispeten düşük VWC düzeyleri ile çömlekçilik medya ile en iyi çalışacaktır. Buna karşılık, yüksek transpiring bitkilere uygulanan yavaş kuraklık tedavilernispeten yüksek VWC düzeyleri ile çömlekçilik medya ile en iyi çalışacaktır. Eğer kökler deney sonrası analiz için gerekliyse (örneğin, kök morfolojisi, kuru ağırlık, vb.), nispeten düşük organik madde içeriğine (yani kum, gözenekli seramik veya perlit) sahip bir ortamın kullanılması, kökleri zarar vermeden yıkamayı kolaylaştıracaktır. Daha uzun süre devam edecek deneyler için, organik madde açısından zengin medya önlemek için tavsiye edilir, organik madde zamanla çürüyebilir gibi. Bu konu hakkında daha ayrıntılı bilgi için lütfen Tablo 1 ve Tablo 2’ye bakın.
Alan fenotipleme ve sera fenotipleme (ön alan) kendi hedefleri var ve farklı deneysel kurulumlar gerektirir. Alan öncesi fenotipleme, saha denemelerini daha odaklı ve uygun maliyetli hale getirmeye yardımcı olmak için, sahada iyi yapma olasılığı yüksek olan gelecek vaat eden aday genotiplerin seçimine yardımcı olur. Ancak, alan öncesi fenotileme, bitkilerin alan koşullarında olduğundan farklı performans göstermelerine neden olabilecek bir dizi sınırlamayı (örneğin, pot etkileri) içerir18,27. Küçük pot büyüklüğü, lysimetre ölçeklerinin buharlaşması ve ısıtılması ile su kaybı, sera deneylerinde pot etkilerine yol açabilecek faktörlere örnektir18. Burada açıklanan yöntem aşağıdaki şekilde bu olası etkileri en aza indirmek için tasarlanmıştır:
(a) Pot boyutu incelenecek genotip göre seçilir. Sistem çeşitli pot boyutları (25 L’ye kadar) ve her türlü bitkinin incelenmesini sağlayan sulama bakımlarını destekleyebilir.
(b) Tencereler ve lysimetre ölçekleri, ısıtransferini ve tencerelerin ısınmasını önlemek için yalıtılar.
(c) Bu sistem özenle tasarlanmış bir sulama ve drenaj sistemi içerir.
(d) Kendi kendine sulama ve kendi kendine izlenen tedaviler ile gerçek randomizasyon sağlamak için, her pot için ayrı bir denetleyici vardır.
(e) Yazılım, kanopi stomatal iletkenlik hesaplanmasında bitkilerin yerel VPD dikkate alır. Lütfen Şekil 1J’dekibirden fazla VPD istasyonunun yerelleştirilmesine bakın.
Bu sistem, bitkiler arasında büyük alanlara olan ihtiyacı ortadan kaldıran veya bitkilerin görüntü tabanlı fenotitipleme için hareket ettirilmesi ihtiyacını ortadan kaldıran alan benzeri bitki yoğunluklarında doğrudan fizyolojik ölçümler içerir. Bu sistem, gerçek zamanlı veri analizinin yanı sıra her bitkinin fizyolojik stres noktasını (μ) doğru bir şekilde tespit etme yeteneğini de içerir. Bu, araştırmacının bitkileri izlemesini ve deneyin nasıl yapılacağı ve deney boyunca herhangi bir numunenin nasıl toplandığı konusunda karar vermesini sağlar. Sistemin kolay ve basit ağırlık kalibrasyonu verimli kalibrasyonu kolaylaştırır. Yüksek iş gücü sistemleri, ek veri işleme ve analitik zorluklar11,12sunan büyük miktarda veri üretir. Denetleyiciden doğrudan yazılıma beslenen büyük verilerin gerçek zamanlı analizi, pratik karar verme için büyük bir değere sahip bilgi14’e veri çevirisinde önemli bir adımdır.
Bu HTP-telemetrik fizyolojik fenotileme yöntemi, saha yakın koşullarında sera deneyleri yapmak için yararlı olabilir. Sistem, bitkilerin dinamik ortamlarına olan suyla ilgili fizyolojik tepkilerini ölçebilir ve doğrudan hesaplayabilirken, pot etkisiyle ilişkili sorunların çoğunu verimli bir şekilde aşabilir. Bu sistemin yetenekleri, bitki büyümesinin erken aşamalarında verim cezalarını tahmin etme olanağı sundukları için, alan öncesi fenotipleme aşamasında son derece önemlidir.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma ISF-NSFC ortak araştırma programı (hibe No. 2436/18) tarafından desteklenmiş ve aynı zamanda Kısmen İsrail Tarım ve Kırsal Kalkınma Bakanlığı (Eugene Kandel Bilgi Merkezleri) Tarafından Konunun Kök bir parçası olarak desteklenmiştir – Kök Bölge Bilgi Merkezi Modern Tarım yararlanarak.
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 |