水(shui)分脅迫是限制(zhi)作(zuo)物(wu)產量(liang)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)因素之一。盡管過去幾十年來進行了大量(liang)研究，但(dan)干旱仍然是植物(wu)生長和(he)作(zuo)物(wu)生產力的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)威脅。植物(wu)的(de)(de)(de)(de)水(shui)分平衡調(diao)節(jie)機(ji)制(zhi)對(dui)脅迫反應、生產力和(he)恢復力至(zhi)關(guan)重要(yao)，這種平衡是通過結(jie)合(he)兩種調(diao)節(jie)機(ji)制(zhi)來控制(zhi)的(de)(de)(de)(de)：葉片(pian)導(dao)水(shui)率(lv)和(he)蒸(zheng)騰作(zuo)用。葉片(pian)導(dao)水(shui)率(lv)的(de)(de)(de)(de)連續(xu)測量(liang)仍然是一個挑戰，但(dan)蒸(zheng)騰作(zuo)用可以(yi)使(shi)用高(gao)通量(liang)功能(neng)生理表型（functional physiological phenotyping, FPP）來(lai)(lai)分(fen)析，在選(xuan)擇(ze)作物(wu)(wu)改良(liang)性狀和(he)預測(ce)(ce)特(te)定環境(jing)條(tiao)件下的(de)(de)(de)(de)作物(wu)(wu)表(biao)現(xian)時(shi)應考慮(lv)蒸騰作用(yong)。準確的(de)(de)(de)(de)產(chan)(chan)(chan)(chan)量(liang)(liang)預測(ce)(ce)對糧(liang)食生產(chan)(chan)(chan)(chan)和(he)糧(liang)食安(an)全至(zhi)關重要(yao)，也(ye)有助于(yu)(yu)政策制定。從(cong)研究和(he)開(kai)發的(de)(de)(de)(de)角度來(lai)(lai)看，產(chan)(chan)(chan)(chan)量(liang)(liang)預測(ce)(ce)工具將(jiang)能夠(gou)減少育種(zhong)人員(yuan)選(xuan)擇(ze)最佳親本(ben)系和(he)在不同環境(jing)條(tiao)件下測(ce)(ce)試新(xin)雜(za)交種(zhong)所需(xu)(xu)的(de)(de)(de)(de)時(shi)間(jian)和(he)成本(ben)。此外，可(ke)靠(kao)的(de)(de)(de)(de)產(chan)(chan)(chan)(chan)量(liang)(liang)預測(ce)(ce)也(ye)將(jiang)有利(li)于(yu)(yu)種(zhong)植者(zhe)進(jin)行作物(wu)(wu)管理(li)，幫助他(ta)們(men)做(zuo)出明智(zhi)的(de)(de)(de)(de)合算的(de)(de)(de)(de)決策。然而，一般來(lai)(lai)說(shuo)，作物(wu)(wu)產(chan)(chan)(chan)(chan)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)早(zao)期生長(chang)階段預測(ce)(ce)是(shi)一項具有挑戰性的(de)(de)(de)(de)任務，在水分(fen)脅迫下甚(shen)至(zhi)更具挑戰性。最近開(kai)發的(de)(de)(de)(de)產(chan)(chan)(chan)(chan)量(liang)(liang)預測(ce)(ce)模型基于(yu)(yu)深度神(shen)經網絡，輸(shu)入2247個地(di)點的(de)(de)(de)(de)天氣和(he)土壤條(tiao)件數據以(yi)及2267個玉米雜(za)交種(zhong)的(de)(de)(de)(de)產(chan)(chan)(chan)(chan)量(liang)(liang)數據，可(ke)準確預測(ce)(ce)產(chan)(chan)(chan)(chan)量(liang)(liang)。該模型的(de)(de)(de)(de)開(kai)發者(zhe)得出結論，環境(jing)因(yin)素比基因(yin)型對作物(wu)(wu)產(chan)(chan)(chan)(chan)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)更大(da)。因(yin)此，早(zao)期產(chan)(chan)(chan)(chan)量(liang)(liang)預測(ce)(ce)可(ke)能需(xu)(xu)要(yao)來(lai)(lai)自土壤-植物(wu)(wu)-大(da)氣連續體（Soil-Plant-Atmosphere Continuum, SPAC）的大量數(shu)據(ju)。植(zhi)物的生理特性與生產力關系(xi)最密切，對環(huan)境(jing)條件反應最靈敏，有望(wang)成(cheng)為重要的產量預測因子(zi)。
作(zuo)物(wu)(wu)(wu)生理學的(de)最(zui)新進展表明(ming)，在干旱(han)條件下，氣孔(kong)導度(du)、滲透調節、莖(jing)稈(gan)貯藏(zang)物(wu)(wu)(wu)質的(de)積(ji)累和再利(li)用(yong)(yong)以及光合(he)效率等數量生理性狀(zhuang)與產量密切相關。然而，大(da)多數可用(yong)(yong)的(de)產量預(yu)測模(mo)型(xing)不包(bao)括有助(zhu)于作(zuo)物(wu)(wu)(wu)生產力的(de)關鍵植物(wu)(wu)(wu)生理性狀(zhuang)，如氣孔(kong)導度(du)和光合(he)作(zuo)用(yong)(yong)。這些性狀(zhuang)是(shi)植物(wu)(wu)(wu)對(dui)(dui)變化環境的(de)主要和最(zui)敏感的(de)反應之一，這些性狀(zhuang)有助(zhu)于優(you)化植物(wu)(wu)(wu)對(dui)(dui)變化環境條件的(de)反應，也可能(neng)有助(zhu)于最(zui)大(da)限度(du)地提高(gao)產量。
為了解(jie)決預測田間番茄產量的(de)挑戰，Sanbon Chaka Gosa等使用全植株功(gong)能表型（whole-plant functional phenotyping）來評估灌溉和干旱條件下的水分關系。供試番茄在灌溉和干旱處理條件下表現出產量的變異性。供試番茄包括兩個與加工番茄品種M82同源的隱性突變體：zeta z2083 (ZET) 和tangerine t3406 (TAN)。作為增加產量變異和評估根ABA對表型的相對貢獻的一種方式，本試驗進行了七種嫁接組合：四種異質嫁接（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植物高通量生理學特征監測(ce)系統(tong)（以色列Plant-DiTech）連續測定干旱處理前、中、后的多種生理特性。溫室和(he)大田(tian)產(chan)量的對比分(fen)析表明，早晨整個冠層氣孔導(dao)度和(he)累(lei)積(ji)蒸騰(teng)量與(yu)大田(tian)總產(chan)量（TY: r2分(fen)別為0.9和(he)0.77）和(he)植物營養(yang)體(ti)重量（PW: r2分(fen)別為0.6和(he)0.94）密切(qie)相關。此外，干旱期間的最小累(lei)積(ji)蒸騰(teng)量和(he)恢(hui)復(fu)灌溉時的恢(hui)復(fu)率都可(ke)以預測恢(hui)復(fu)力。
圖1 大氣條件和試(shi)驗(yan)(yan)進度表(biao)示為溫(wen)室試(shi)驗(yan)(yan)過程中盆栽重(zhong)量的(de)波動
（A） 在連續(xu)29天(tian)的實驗中，每日(ri)蒸(zheng)汽壓差（VPD）和光合有效輻射（PAR）；（B）在試驗的29天(tian)內，對所(suo)有植株進行連續(xu)重量(liang)測量(liang)。
圖2 田間種植的嫁接番茄的植株重量和總產量
（A）充分灌溉(gai)(gai)條(tiao)件下(xia)自(zi)嫁接和(he)異質嫁接植株(zhu)的鮮重差(cha)(cha)異；（B）有(you)限(xian)灌溉(gai)(gai)條(tiao)件下(xia)自(zi)嫁接和(he)異質嫁接植株(zhu)的鮮重差(cha)(cha)異；（C）充分灌溉(gai)(gai)條(tiao)件下(xia)自(zi)嫁接和(he)異質嫁接植株(zhu)的總果實(shi)(shi)產量；（D）有(you)限(xian)灌溉(gai)(gai)條(tiao)件下(xia)自(zi)嫁接和(he)異質嫁接植株(zhu)的總果實(shi)(shi)產量。2018年實(shi)(shi)驗的數據以(yi)灰色(se)（小寫字母）表示，2019年實(shi)(shi)驗的數據以(yi)紅色(se)（大(da)寫字母）表示。
圖3 冠層氣孔導度的(de)日變化模式作為連續全株生理測量的(de)一個例子
圖4 番茄產量(liang)構成因素與累積蒸騰作用的相關性
圖(tu) 5 蒸騰周期對產(chan)量(liang)預測的貢獻差異
表1 充分灌溉條件下溫室番茄幼苗的生理性狀(zhuang)與其田間產量(liang)(liang)和生物量(liang)(liang)的相(xiang)關性
Plantarray植物高通量生(sheng)理學特(te)征監測系統局部
原文出處
Gosa S, Koch A, Shenhar I, et al. . Plant Science, 2021, 315, 111122.
上海澤泉科(ke)(ke)技股份有限公司作為以色列Plant-DiTech公司的(de)長(chang)期重(zhong)要合作伙伴，為中國(guo)的(de)農業(ye)生(sheng)態科(ke)(ke)學(xue)工作者(zhe)提供先進的(de)研(yan)究設備和專業(ye)的(de)技術(shu)服務。