水分脅迫是限制作物產(chǎn)量的主要因素之一。盡管過(guò)去幾十年來(lái)進(jìn)行了大量研究，但干旱仍然是植物生長(zhǎng)和作物生產(chǎn)力的主要威脅。植物的水分平衡調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)脅迫反應(yīng)、生產(chǎn)力和恢復(fù)力至關(guān)重要，這種平衡是通過(guò)結(jié)合兩種調(diào)節(jié)機(jī)制來(lái)控制的：葉片導(dǎo)水率和蒸騰作用。葉片導(dǎo)水率的連續(xù)測(cè)量仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，但蒸騰作用可以使用高通量功能生理表型（functional physiological phenotyping, FPP）來(lái)分析，在選擇作物改良性狀和預(yù)測(cè)特定環(huán)境條件下的作物表現(xiàn)時(shí)應(yīng)考慮蒸騰作用。準(zhǔn)確的產(chǎn)量預(yù)測(cè)對(duì)糧食生產(chǎn)和糧食安全至關(guān)重要，也有助于政策制定。從研究和開(kāi)發(fā)的角度來(lái)看，產(chǎn)量預(yù)測(cè)工具將能夠減少育種人員選擇最佳親本系和在不同環(huán)境條件下測(cè)試新雜交種所需的時(shí)間和成本。此外，可靠的產(chǎn)量預(yù)測(cè)也將有利于種植者進(jìn)行作物管理，幫助他們做出明智的合算的決策。然而，一般來(lái)說(shuō)，作物產(chǎn)量的早期生長(zhǎng)階段預(yù)測(cè)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，在水分脅迫下甚至更具挑戰(zhàn)性。最近開(kāi)發(fā)的產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入2247個(gè)地點(diǎn)的天氣和土壤條件數(shù)據(jù)以及2267個(gè)玉米雜交種的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)產(chǎn)量。該模型的開(kāi)發(fā)者得出結(jié)論，環(huán)境因素比基因型對(duì)作物產(chǎn)量的影響更大。因此，早期產(chǎn)量預(yù)測(cè)可能需要來(lái)自土壤-植物-大氣連續(xù)體（Soil-Plant-Atmosphere Continuum, SPAC）的大量數(shù)據(jù)。植物的生理特性與生產(chǎn)力關(guān)系最密切，對(duì)環(huán)境條件反應(yīng)最靈敏，有望成為重要的產(chǎn)量預(yù)測(cè)因子。

作物生理學(xué)的最新進(jìn)展表明，在干旱條件下，氣孔導(dǎo)度、滲透調(diào)節(jié)、莖稈貯藏物質(zhì)的積累和再利用以及光合效率等數(shù)量生理性狀與產(chǎn)量密切相關(guān)。然而，大多數(shù)可用的產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型不包括有助于作物生產(chǎn)力的關(guān)鍵植物生理性狀，如氣孔導(dǎo)度和光合作用。這些性狀是植物對(duì)變化環(huán)境的主要和最敏感的反應(yīng)之一，這些性狀有助于優(yōu)化植物對(duì)變化環(huán)境條件的反應(yīng)，也可能有助于最大限度地提高產(chǎn)量。

為了解決預(yù)測(cè)田間番茄產(chǎn)量的挑戰(zhàn)，Sanbon Chaka Gosa等使用全植株功能表型（whole-plant functional phenotyping）來(lái)評(píng)估灌溉和干旱條件下的水分關(guān)系。供試番茄在灌溉和干旱處理?xiàng)l件下表現(xiàn)出產(chǎn)量的變異性。供試番茄包括兩個(gè)與加工番茄品種M82同源的隱性突變體：zeta z²⁰⁸³  (ZET) 和tangerine t³⁴⁰⁶  (TAN)。作為增加產(chǎn)量變異和評(píng)估根ABA對(duì)表型的相對(duì)貢獻(xiàn)的一種方式，本試驗(yàn)進(jìn)行了七種嫁接組合：四種異質(zhì)嫁接（M82與ZET和TAN相互嫁接）以及每種基因型的三種自嫁接。使用Plantarray植物高通量生理學(xué)特征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以色列Plant-DiTech）連續(xù)測(cè)定干旱處理前、中、后的多種生理特性。溫室和大田產(chǎn)量的對(duì)比分析表明，早晨整個(gè)冠層氣孔導(dǎo)度和累積蒸騰量與大田總產(chǎn)量（TY: r2分別為0.9和0.77）和植物營(yíng)養(yǎng)體重量（PW: r2分別為0.6和0.94）密切相關(guān)。此外，干旱期間的最小累積蒸騰量和恢復(fù)灌溉時(shí)的恢復(fù)率都可以預(yù)測(cè)恢復(fù)力。

圖1 大氣條件和試驗(yàn)進(jìn)度表示為溫室試驗(yàn)過(guò)程中盆栽重量的波動(dòng)

（A） 在連續(xù)29天的實(shí)驗(yàn)中，每日蒸汽壓差（VPD）和光合有效輻射（PAR）；（B）在試驗(yàn)的29天內(nèi)，對(duì)所有植株進(jìn)行連續(xù)重量測(cè)量。

圖2 田間種植的嫁接番茄的植株重量和總產(chǎn)量

（A）充分灌溉條件下自嫁接和異質(zhì)嫁接植株的鮮重差異；（B）有限灌溉條件下自嫁接和異質(zhì)嫁接植株的鮮重差異；（C）充分灌溉條件下自嫁接和異質(zhì)嫁接植株的總果實(shí)產(chǎn)量；（D）有限灌溉條件下自嫁接和異質(zhì)嫁接植株的總果實(shí)產(chǎn)量。2018年實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)以灰色（小寫(xiě)字母）表示，2019年實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)以紅色（大寫(xiě)字母）表示。

圖3 冠層氣孔導(dǎo)度的日變化模式作為連續(xù)全株生理測(cè)量的一個(gè)例子

圖4 番茄產(chǎn)量構(gòu)成因素與累積蒸騰作用的相關(guān)性

圖 5 蒸騰周期對(duì)產(chǎn)量預(yù)測(cè)的貢獻(xiàn)差異

表1 充分灌溉條件下溫室番茄幼苗的生理性狀與其田間產(chǎn)量和生物量的相關(guān)性

Plantarray植物高通量生理學(xué)特征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)局部

原文出處

Gosa S, Koch A, Shenhar I, et al. Predicting tomato field-yield using continuous monitoring of young tomato water status. Plant Science, 2021, 315, 111122.

上海澤泉科技股份有限公司作為以色列Plant-DiTech公司的長(zhǎng)期重要合作伙伴，為中國(guó)的農(nóng)業(yè)生態(tài)科學(xué)工作者提供先進(jìn)的研究設(shè)備和專(zhuān)業(yè)的技術(shù)服務(wù)。