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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。
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)。