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利用Plantarray植物表型平台研究盐分条件下藜麦生长和蒸腾作用

发布时间:2022-05-24 点击量:84

利用Plantarray3.0植物表型分析平台,在盐度(0–300 mM NaCl)下监测了藜麦品种Pasto和selRiobamba的生长和水分利用。盐分使这两个品种在200mmNaCl下的累积蒸腾量分别减少了60%,在300mmNaCl下,selRiobamba和Pasto的累积蒸腾量分别减少了75%和82%。盐度降低了气孔导度,但在200mmNaCl浓度下,Pasto比selRiobamba(35%)的气孔导度降低了15%,比叶面积也降低了。水分利用参数的日变化表明,在盐胁迫下,藜麦的日蒸腾作用对光照变化的响应较小,气孔导度被调节,以最大限度地吸收二氧化碳,并在VPD变化后最大限度地减少水分损失。这些变化可能有助于提高盐胁迫下两个品种的水分利用效率。采用机械作物模型LINTUL将生理反应整合到植物的辐射利用效率(RUE)中,在盐分条件下,在盐度下,Pasto 比 selRiobamba 降低更多。到实验结束时(播种后 11 周,应激后 6 周),Pasto 的生长明显低于 selRiobamba,新鲜生物量在 200 mM 下分别减少了 50 和 35%,在 300 mM NaCl 下分别减少了 70 和 50%。我们认为,对比水管理策略至少可以部分解释Pasto和selRiobamba之间耐盐性的差异。Pasto采用了“保守增长"战略,以牺牲增长为代价节约用水,而selRiobamba则采用了“获取性增长"战略,在压力下实现增长。高分辨率表型分析的实施有助于剖析这些复杂的生长性状,这些性状可能是非生物胁迫耐受性的新育种目标。

本研究中使用的Plantarray植物表型平台使我们能够在整个生长期(77天)连续监测植物的蒸腾作用和生物量增益。图2A中描述了植物的累积蒸腾水量。在对照条件下,Pasto和SelRiobamba的蒸腾作用相似,尽管它们的形态不同(Pasto是一个较短的品种,单株叶面积比SelRiobamba高)。盐处理显著影响植物的蒸腾作用。在200mmNaCl下,蒸腾作用平均减少60%。更严重的盐处理对蒸腾作用更强,也加剧了品种间的差异。试验结束时,对照条件下,每株植物的平均累积蒸腾量为11L,而在300 mM NaCl下,selRiobamba的蒸腾量降低66%,Pasto的蒸腾量降低78%(图2B)。在整个实验过程中,还监测了生物量的逐渐积累(图2C)。盐度对4天后的植株鲜重有显著影响(p<0.001)。在整个季节中,两个品种的生长速率和生物量积累在对照条件下没有显著差异,并且随着盐度的增加而降低。Pasto比selRiobamba的生物量减少更多。实验结束时(盐处理6周后),在200mm NaCl下,selRiobamba的新鲜生物量减少35%,在300mm NaCl下减少50%,而在200mm NaCl和300mm NaCl下,Pasto的新鲜生物量分别减少50%和70%(图2D)。

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图1.本研究中使用的Plant Array 3.0 平台

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图2.整个季节的蒸腾和生长动态

计算每日蒸腾速率时仅考虑光照时间(图3A)。从盐处理的第一天起,检测到盐诱导的水分蒸发量差异。整个季节,在对照条件下和在200mmNaCl低盐处理下,品种的蒸腾速率相似。然而,在300mmNaCl胁迫下,selRiobamba的蒸腾速率明显较高。盐处理和品种间蒸腾作用差异显著。实验结束时,在300mmNaCl胁迫下,selRiobamba 在300mM NaCl下的蒸腾速率降低了75%,Pasto 的蒸腾速率降低了 82%。气孔导度(gs)是使用蒸腾速率和插值叶面积数据计算的,如材料和方法中所述。盐处理开始三天后,盐对气孔导度有显著影响(图3B)。在200mmM NaCl下,selRiobamba的gs比对照低35%,而Pasto的gs比对照低15%。在300mmNaCl胁迫下,两个品种的gs都降低了35%。

使用Plantarray植物表型平台数据计算整株植物水平的水分利用效率 (WUE) 作为累积生物量与累积蒸发水的比率。WUE 在整个生长期受到盐处理的强烈影响(图 3C)。盐处理开始后不久,与对照和 200 mM NaCl 相比,WUE 在 300 mM 时较低。然而,施盐几天后,受胁迫植物的 WUE 超过了在对照条件下生长的植物之一。到实验结束时,两个品种在 200 mM NaCl 下的 WUE 比对照高 56%。在 300 mM NaCl 下,与对照相比,Pasto WUE 增加了 60%,selRiobamba WUE 增加了 75%。

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图3.根据Plantarray 3.0数据得出的用水参数

通过比较在58天(盐胁迫开始后21天)用稳态气孔仪(gsporometer)测得的气孔导度,验证了由Plantarray系统数据(gssystem)得出的气孔导度。与gssystem相似,盐处理的植物比对照植物具有显著更低的叶片gsporometer,并且在品种之间未发现显著差异(图4A、B)。发现gsporometer和gssystem之间存在0.95的强正相关(图4C),表明使用Plantarray数据计算的气孔导度是有效的,并且导出的气孔导度是气孔行为的可靠代表。

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图4.系统与气孔计测量的气孔导度(gs) 比较

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图5.藜麦热成像的叶片温度

红外热成像表型分析用作监测植物气孔对 58-66 DAS(胁迫开始后 39-45 天)盐胁迫响应的附加工具(图 5)。与对照相比,受胁迫植物的叶子温度更高(图 5A-C)。 平均而言,对照和胁迫植物之间的差异为 2°C,200 和 300 mM NaCl 处理之间的差异约为 1°C(图 2C)。 每日叶冠温度和从 Plantarray 参数计算的每日 gs 高度相关(R2 = 0.9277)(图 5D)。

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