在非生物胁迫下提高作物生产力是农业科学界面临的最大挑战之一。尽管进行了广泛的研究，但对非生物抗逆作物商业转移率的研究产出很低。这主要是由于基因型×环境相互作用的复杂性，特别是能够量化植物对动态环境的动态生理反应能力。大多数现有的表型分析设备使用机器人和自动图像采集和分析来收集信息。然而，它们直接测量整株植物生理特性的能力是有限的。我们展示了一种高通量功能表型系统 (HFPS)，该系统能够比较植物在动态环境中对不同环境条件的动态响应，因为它可以直接和同时测量几种处理下与植物的产量相关生理性状。该系统被设计为一对一 (1:1) 的植物单元[传感器+控制器]，即每个单独的植株都有自己的个性化传感器、控制器和灌溉阀，能够（i）以高时空分辨率监测每株植物的水关系动力学——以及植株整个生命周期内的环境响应，（ii）由于每株植物的多个独立处理方案，采用了真正的随机实验设计，以及（iii）由于植物或其他物体的静止性而减少人为环境干扰。此外，我们提出了两个新的弹性量化相关性状，也可以使用 HFPS 进行表型分析：蒸腾恢复率和夜间水分重吸收。我们使用HFPS筛选了两种商业生物刺激剂（海藻提取物-ICL-SW和代谢物配方-ICL-NewFo1）在不同灌溉制度下对辣椒生长的影响。生物刺激剂被认为是提高作物生产力的一种替代方法。然而，它们复杂的作用模式需要具有成本效益的田间表型鉴定。两种处理方式（生物刺激剂和干旱）的组合使我们能够评估系统在研究生物刺激剂对耐旱性影响方面的精度和分辨率。我们分析和讨论植物在不同阶段的行为特征，并评估生产力和恢复力之间的惩罚和权衡。在这个测试案例中，我们提出了一个筛选生物刺激剂生理作用机制的方案。
图1.实验装置
(A) 随机实验装置阵列视图，由 72 个装有辣椒植株的测量单元组成。
(B) 系统框图。实心圆圈 - 灌溉良好的植株；空心圆圈 - 干旱恢复条件下的植株。绿色 - ICL-SW 处理过的植株，橙色 - ICL NewFo1 处理过的植株，蓝色 - 对照（无生物刺激剂）植株。所有盆栽表面都被覆盖以减少蒸发，灌溉通过多出口滴头注入土壤，以确保灌溉施肥和生物刺激素的均匀分布。
图2.在整个实验过程中，大气条件和实验进度以系统相对重量表示
采用随机实验设计，定量比较两种生物刺激剂（海藻提取物ICL-SW和代谢物配方ICL-NewFo1）对植物关键生理特性的影响。在两种灌溉条件下下，比较了两种生物刺激剂与对照（无生物刺激剂）的效果：（i）灌溉良好，和（ii）干旱胁迫，从灌溉良好时期开始，然后是控制干旱期和连续恢复期（图2B）。
图3.生物刺激剂对植物蒸腾作用的影响
在良好灌溉期间，所有六组的日蒸腾量均逐渐增加（图3A）。而在实验第13天开始的干旱处理期间，植株的日蒸腾量和VWC逐渐减少（图3A、B）。在实验第31天（恢复期）恢复灌溉后，日蒸腾量和VWC快速增加（图3A、B）。干旱临界值（定义为开始限制蒸腾速率的土壤VWC值 [临界VWC，(θc)]）是为遭受干旱的植物确定的（图3C）。对照组和两种生物刺激剂处理VWC值为θc = 0.15，但由于ICL SW处理的植物与其他两组相比VWC下降的模式不同（图3B），二者在不同的时间达到了θc，对照和ICL-NewFo1处理的植株在第22.5天达到θc，ICL-SW处理植物在第21天达到θc（图3B、C）。在第27-29天干旱对处理和未处理植株每日蒸腾速率模式的影响（相对于三个充分灌溉组的蒸腾速率模式）如图3D所示，这表明ICL SW处理的植株在干旱条件下午间（1200至1400小时）的蒸腾速率显著降低，但在充分灌溉条件下达到了明显较高的蒸腾速率（图3E）。在充足的灌溉条件下，ICL-NewFo1处理的植株蒸腾速率介于对照和ICL-SW处理之间，并且在干旱条件下蒸腾速率也有类似的降低（图3E)。
图4.在整个试验期间，平均值±SE计算的整株重量
通过使用所有六组在整个试验期间（36天）计算的植物重量，将蒸腾作用标准化为生物量（图4A）。六个组在充分灌溉期间的植株增重率相似，并且三个干旱胁迫组在干旱期间下降。在恢复期，后两组的重量增加率再次开始增加（图4A）。然而在试验结束时，ICL SW处理的植株在后一阶段的增重率较高，导致干枝生物量显著高于对照，这可能是由于这种趋势的累积效应（图4B）。对于灌溉良好和缺水的植物，地上部分的干生物量与累积日蒸腾量（即与干重相关的WUE）之间的相关性相对较高（R2>0.8）（图4C）。尽管ICL SW处理的植株蒸腾速率较高，但其蒸腾作用归一化为植株重量E（图4D），与对照在充分灌溉条件下的蒸腾作用相似。同样，ICL SW处理的植株在干旱条件下表现出的午间蒸腾速率（图3E）。在充分灌溉条件下，与对照相比，生物刺激剂处理的植株测得的蒸腾速率（图3E）和干枝生物量（图4B）较高，表明与鲜重相关的水分利用效率有所提高。然而，这种改善（增加∼ICL SW治疗和∼ICL-NewFo1处理过的植物的14%）不显著（图4E）。
图5.生物刺激剂对植物恢复力的影响
估测植物从干旱胁迫中恢复需要考虑两个特征：（i）全株蒸腾恢复：恢复灌溉后日蒸腾增加的速率与干旱期间日蒸腾减少的速率相比较。图5A显示了这两种速率的数据点，表明与对照和ICL-NewFo1处理的植株相比，ICL-SW降低了植株的恢复力（图5B）(ii）夜间水分再吸收（即恢复白天损失的水），分别如图5C-F所示。与对照组相比，生物刺激剂处理的植株在预处理期间的夜间水分重吸收显著更高，用ICL-NewFo1处理植株的夜间水分重吸收值最高（图5C）。干旱胁迫降低了三组恢复期夜间水分的再吸收能力。然而，与对照组相比，生物刺激剂提高了恢复期间的再吸收能力，ICL-NewFo1处理的植株再吸收能力最高（图5E）。当夜间水分重吸收标准化为植物重量时，观察到类似的趋势，与对照相比，ICL-NewFo1处理过植株的重吸收能力明显是最高的（图5D，F）。
