利用Plantarray植物表型平臺研究鹽分條件下藜麥生長和蒸騰作用

利用Plantarray3.0植物表型分析平臺，在鹽度（0–300 mM NaCl）下監(jiān)測了藜麥品種Pasto和selRiobamba的生長和水分利用。鹽分使這兩個品種在200mmNaCl下的累積蒸騰量分別減少了60%，在300mmNaCl下，selRiobamba和Pasto的累積蒸騰量分別減少了75%和82%。鹽度降低了氣孔導(dǎo)度，但在200mmNaCl濃度下，Pasto比selRiobamba（35%）的氣孔導(dǎo)度降低了15%，比葉面積也降低了。水分利用參數(shù)的日變化表明，在鹽脅迫下，藜麥的日蒸騰作用對光照變化的響應(yīng)較小，氣孔導(dǎo)度被調(diào)節(jié)，以最大限度地吸收二氧化碳，并在VPD變化后最大限度地減少水分損失。這些變化可能有助于提高鹽脅迫下兩個品種的水分利用效率。采用機械作物模型LINTUL將生理反應(yīng)整合到植物的輻射利用效率（RUE）中，在鹽分條件下，在鹽度下，Pasto 比 selRiobamba 降低更多。到實驗結(jié)束時（播種后 11 周，應(yīng)激后 6 周），Pasto 的生長明顯低于 selRiobamba，新鮮生物量在 200 mM 下分別減少了 50 和 35%，在 300 mM NaCl 下分別減少了 70 和 50%。我們認(rèn)為，對比水管理策略至少可以部分解釋Pasto和selRiobamba之間耐鹽性的差異。Pasto采用了“保守增長"戰(zhàn)略，以犧牲增長為代價節(jié)約用水，而selRiobamba則采用了“獲取性增長"戰(zhàn)略，在壓力下實現(xiàn)增長。高分辨率表型分析的實施有助于剖析這些復(fù)雜的生長性狀，這些性狀可能是非生物脅迫耐受性的新育種目標(biāo)。

本研究中使用的Plantarray植物表型平臺使我們能夠在整個生長期（77天）連續(xù)監(jiān)測植物的蒸騰作用和生物量增益。圖2A中描述了植物的累積蒸騰水量。在對照條件下，Pasto和SelRiobamba的蒸騰作用相似，盡管它們的形態(tài)不同（Pasto是一個較短的品種，單株葉面積比SelRiobamba高）。鹽處理顯著影響植物的蒸騰作用。在200mmNaCl下，蒸騰作用平均減少60%。更嚴(yán)重的鹽處理對蒸騰作用更強，也加劇了品種間的差異。試驗結(jié)束時，對照條件下，每株植物的平均累積蒸騰量為11L，而在300 mM NaCl下，selRiobamba的蒸騰量降低66%，Pasto的蒸騰量降低78%（圖2B）。在整個實驗過程中，還監(jiān)測了生物量的逐漸積累（圖2C）。鹽度對4天后的植株鮮重有顯著影響（p<0.001）。在整個季節(jié)中，兩個品種的生長速率和生物量積累在對照條件下沒有顯著差異，并且隨著鹽度的增加而降低。Pasto比selRiobamba的生物量減少更多。實驗結(jié)束時（鹽處理6周后），在200mm NaCl下，selRiobamba的新鮮生物量減少35%，在300mm NaCl下減少50%，而在200mm NaCl和300mm NaCl下，Pasto的新鮮生物量分別減少50%和70%（圖2D）。

圖1.本研究中使用的Plant Array 3.0 平臺

圖2.整個季節(jié)的蒸騰和生長動態(tài)

計算每日蒸騰速率時僅考慮光照時間（圖3A）。從鹽處理的第一天起，檢測到鹽誘導(dǎo)的水分蒸發(fā)量差異。整個季節(jié)，在對照條件下和在200mmNaCl低鹽處理下，品種的蒸騰速率相似。然而，在300mmNaCl脅迫下，selRiobamba的蒸騰速率明顯較高。鹽處理和品種間蒸騰作用差異顯著。實驗結(jié)束時，在300mmNaCl脅迫下，selRiobamba 在300mM NaCl下的蒸騰速率降低了75%，Pasto 的蒸騰速率降低了 82%。氣孔導(dǎo)度（gs）是使用蒸騰速率和插值葉面積數(shù)據(jù)計算的，如材料和方法中所述。鹽處理開始三天后，鹽對氣孔導(dǎo)度有顯著影響（圖3B）。在200mmM NaCl下，selRiobamba的gs比對照低35%，而Pasto的gs比對照低15%。在300mmNaCl脅迫下，兩個品種的gs都降低了35%。

使用Plantarray植物表型平臺數(shù)據(jù)計算整株植物水平的水分利用效率 (WUE) 作為累積生物量與累積蒸發(fā)水的比率。WUE 在整個生長期受到鹽處理的強烈影響（圖 3C）。鹽處理開始后不久，與對照和 200 mM NaCl 相比，WUE 在 300 mM 時較低。然而，施鹽幾天后，受脅迫植物的 WUE 超過了在對照條件下生長的植物之一。到實驗結(jié)束時，兩個品種在 200 mM NaCl 下的 WUE 比對照高 56%。在 300 mM NaCl 下，與對照相比，Pasto WUE 增加了 60%，selRiobamba WUE 增加了 75%。

圖3.根據(jù)Plantarray 3.0數(shù)據(jù)得出的用水參數(shù)

通過比較在58天（鹽脅迫開始后21天）用穩(wěn)態(tài)氣孔儀（gsporometer）測得的氣孔導(dǎo)度，驗證了由Plantarray系統(tǒng)數(shù)據(jù)（gssystem）得出的氣孔導(dǎo)度。與gssystem相似，鹽處理的植物比對照植物具有顯著更低的葉片gsporometer，并且在品種之間未發(fā)現(xiàn)顯著差異（圖4A、B）。發(fā)現(xiàn)gsporometer和gssystem之間存在0.95的強正相關(guān)（圖4C），表明使用Plantarray數(shù)據(jù)計算的氣孔導(dǎo)度是有效的，并且導(dǎo)出的氣孔導(dǎo)度是氣孔行為的可靠代表。

圖4.系統(tǒng)與氣孔計測量的氣孔導(dǎo)度(gs) 比較

圖5.藜麥熱成像的葉片溫度

紅外熱成像表型分析用作監(jiān)測植物氣孔對 58-66 DAS（脅迫開始后 39-45 天）鹽脅迫響應(yīng)的附加工具（圖 5）。與對照相比，受脅迫植物的葉子溫度更高（圖 5A-C）。 平均而言，對照和脅迫植物之間的差異為 2°C，200 和 300 mM NaCl 處理之間的差異約為 1°C（圖 2C）。 每日葉冠溫度和從 Plantarray 參數(shù)計算的每日 gs 高度相關(guān)（R2 = 0.9277）（圖 5D）。