近年來出現(xiàn)了高通量表型技術(shù)。特別是，這些技術(shù)可以描述植物對(duì)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化作出反應(yīng)的生理特性的綜合景觀。這些創(chuàng)新以及下一代基因組技術(shù)將植物科學(xué)帶入了大數(shù)據(jù)時(shí)代。然而，將多方面的生理特征與DNA變異聯(lián)系起來的一般框架仍然缺乏。在這里，我們開發(fā)了一個(gè)綜合功能生理表型（FPP）和功能定位（FM）的通用框架。這種整合，通過高維統(tǒng)計(jì)推理實(shí)現(xiàn)，可以幫助我們理解基因型如何轉(zhuǎn)化為表型。作為方法的示范，我們將番茄導(dǎo)入系群體的蒸騰和土壤-植物-大氣測(cè)量納入FPP FM框架，有助于識(shí)別介導(dǎo)蒸騰速率時(shí)空變化的數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL），并測(cè)試這些QTL如何控制，通過它們的相互作用網(wǎng)絡(luò)，研究了干旱脅迫下的表型可塑性。

圖1.FPP-FM聯(lián)合分析原理示意圖

FPP-FM 的第一步是從自然或譜系種群中獲取動(dòng)態(tài)數(shù)量生理特征數(shù)據(jù)。在這里，所使用的群體是番茄的基因滲入型群體，該群體受到包括正常灌溉、逐步干旱和高通量自動(dòng)表型系統(tǒng)中的水分恢復(fù)的處理方案的影響（圖1）。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，隨著脅迫參數(shù)的變化，不斷記錄多個(gè)干旱響應(yīng)性狀的表型數(shù)據(jù)，如植株重量和轉(zhuǎn)錄率。Halperin 等人已經(jīng)發(fā)表了對(duì)該FPP 過程的詳細(xì)描述。為了合理的計(jì)算強(qiáng)度，本文以蒸騰速率 (Tr) 為例來說明我們提出的框架如何將動(dòng)態(tài)表型信息轉(zhuǎn)化為遺傳知識(shí)。在圖 2A-2C 中，顯示了來自五個(gè)隨機(jī)選擇的 IL 系的蒸騰速率的動(dòng)態(tài)模式，每三分鐘記錄一次，包括干旱前（圖2A）、干旱脅迫（圖2B）和恢復(fù)階段（圖2C)。已知蒸騰速率與干旱脅迫下的產(chǎn)量損失相關(guān)。截留水分后，觀察到所有五個(gè)品系的蒸騰速率都顯著降低（圖2B），而敏捷性和響應(yīng)幅度的基因型差異是明顯的?；謴?fù)供水后，觀察到恢復(fù)模式的顯著基因型差異，然而這與響應(yīng)缺水的植物行為無關(guān)。例如，IL2-1-1系在干旱脅迫下保持最高的蒸騰速率（圖2B），但在重新澆水后其恢復(fù)能力較弱（圖 2C）。

圖2. 五種代表性 IL 的蒸騰速率圖形顯示

本文對(duì)表型數(shù)據(jù)實(shí)施了勒讓德函數(shù)和結(jié)構(gòu)化前依存模型。我們對(duì)蒸騰速率的 QTL 基因型平均向量進(jìn)行建模并近似協(xié)方差矩陣的結(jié)構(gòu)，這是將擬合參數(shù)整合到功能映射框架中的關(guān)鍵步驟。 圖3A展示了在非應(yīng)激（第 0 天到第 12 天）、干旱應(yīng)激（第 13 天到第 23 天）和恢復(fù)（第 24 天到第 30 天）階段中所有 IL 的歸一化蒸騰速率的平均曲線。它清楚地表明，整體而言在第一階段，蒸騰速率隨著植物的生長(zhǎng)而逐漸增加；第二階段，其趨勢(shì)轉(zhuǎn)為逐漸減少；第三階段蒸騰速率迅速增加，在復(fù)水后第5天達(dá)到最大值，此后逐漸下降。

在將擬合參數(shù)納入功能映射后，我們?cè)谝粋€(gè)步驟中確定了 7 個(gè)大效應(yīng) QTL，其閾值低于 p < 3.979*10-6的閾值，通過排列測(cè)試（圖 3B）。最顯著的 QTL 位于 11 號(hào)染色體（97.30-103.4 cM，Qtr.11 hereafter）。發(fā)現(xiàn)兩個(gè)等位基因在該 QTL 上的影響僅在第三階段顯示出主要差異，表明Qtr.11 是一個(gè)條件QTL，具體取決于補(bǔ)液的特定治療方案（圖 3C）。 事實(shí)上，通過進(jìn)一步檢驗(yàn)假設(shè)11，發(fā)現(xiàn) Qtr.11 在水分恢復(fù)中的表達(dá)是通過QTL-環(huán)境相互作用來影響蒸騰速率（p < 0.01）。

圖3.控制蒸騰速率的動(dòng)態(tài)QTL和QTL網(wǎng)絡(luò)