本申請(qǐng)要求2014年4月28日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?1/985,308的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，其內(nèi)容通過(guò)引用以其整體結(jié)合到本文中。

發(fā)明領(lǐng)域和背景

本發(fā)明在其某些實(shí)施方案中涉及農(nóng)業(yè)，更具體但并非唯一地講涉及用于表征植物行為的方法和系統(tǒng)。

由于農(nóng)業(yè)擴(kuò)展到之前未開(kāi)墾區(qū)域所致，新的非生物脅迫抗性栽培種(即對(duì)諸如干旱、極端溫度或鹽分等脅迫條件有抗性的栽培種)的全世界的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)正在增長(zhǎng)。所述區(qū)域常常遇到土壤肥力低、可變鹽分的地下水、對(duì)水浸的敏感性、灌溉水品質(zhì)惡化和用含高氯化物濃度的邊際水灌溉。預(yù)期全球變暖的威脅和氣象條件和降水水平的相關(guān)波動(dòng)加快農(nóng)業(yè)擴(kuò)展到之前未開(kāi)墾區(qū)域。

許多植物種對(duì)非生物脅迫的主要和直接反應(yīng)是生長(zhǎng)速率下降，這最終導(dǎo)致產(chǎn)量顯著降低。在非生物脅迫下生長(zhǎng)速率下降的原因中有根傳導(dǎo)性降低，這引起突然的氣孔關(guān)閉，導(dǎo)致蒸騰速率和光合作用降低。植物能夠利用多種脅迫防御機(jī)制(尤其例如滲透壓調(diào)節(jié)、抗氧化保護(hù)和離子內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定機(jī)制)應(yīng)付非生物脅迫。這些機(jī)制使植物甚至在脅迫條件下都能夠完成其生命周期同時(shí)維持某種產(chǎn)量水平。

兩種主要方法通過(guò)產(chǎn)生新的脅迫抗性栽培種來(lái)應(yīng)付這些問(wèn)題。第一種是使用不同候選基因的基因工程，第二種是傳統(tǒng)育種。然而，由于田間的土壤質(zhì)地、水分含量和鹽分的空間變異、鹽分和變化的光強(qiáng)度，故難以評(píng)價(jià)脅迫條件下的植物產(chǎn)量。

本申請(qǐng)的同一發(fā)明人的WO2010/049939涉及在兩種或更多種植物的群體中鑒定一種或多種植物的系統(tǒng)和方法。所述方法包括監(jiān)測(cè)該群植物的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)并產(chǎn)生表明一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的值的一個(gè)或多個(gè)時(shí)間信號(hào)。對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理以計(jì)算隨一個(gè)或多個(gè)時(shí)間間隔各自的推移各植物的蒸騰速率和蒸騰速率的變化率的一個(gè)或兩個(gè)。然后應(yīng)用包括所計(jì)算的蒸騰速率的算法以評(píng)定植物的等級(jí)，鑒定出等級(jí)高于預(yù)定等級(jí)的植物。

發(fā)明概述

按照本發(fā)明一些實(shí)施方案的一個(gè)方面，提供用于表征植物的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括多個(gè)傳感器，所述傳感器經(jīng)配置以感測(cè)表明出自全植物的蒸騰速率的第一參數(shù)和表明進(jìn)入全植物的吸水速率的第二參數(shù)。該系統(tǒng)還包括處理器，所述處理器經(jīng)配置接收來(lái)自傳感器的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理以計(jì)算兩個(gè)參數(shù)，并根據(jù)計(jì)算的參數(shù)表征植物。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，處理器經(jīng)配置以時(shí)刻計(jì)算第一參數(shù)和第二參數(shù)的至少一個(gè)。按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，處理器經(jīng)配置以時(shí)刻計(jì)算第一參數(shù)和第二參數(shù)兩者。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，處理器經(jīng)配置以根據(jù)計(jì)算的參數(shù)來(lái)計(jì)算分值。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，植物是一群植物的成員，且處理器經(jīng)配置以計(jì)算該群中各植物的分值，并根據(jù)分值評(píng)定該群的植物的等級(jí)。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，傳感器包括用于感測(cè)第二參數(shù)的土壤含水量傳感器和用于感測(cè)第一參數(shù)的重量傳感器。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，該系統(tǒng)包括含有土壤和水并經(jīng)設(shè)定以接受植物的容器，其中重量傳感器是經(jīng)布置以感測(cè)容器及其內(nèi)含物的重量或重量變化的測(cè)壓元件(load cell)。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，容器被覆蓋以減少或防止水從容器中蒸發(fā)。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，處理器經(jīng)配置以時(shí)刻從由測(cè)壓元件產(chǎn)生的時(shí)間相關(guān)信號(hào)計(jì)算蒸騰速率，從而提供蒸騰速率的時(shí)間相關(guān)性。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，處理器經(jīng)配置以根據(jù)蒸騰速率的時(shí)間相關(guān)性計(jì)算蒸騰速率的變化率。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，處理器經(jīng)配置以時(shí)刻從由土壤含水量傳感器產(chǎn)生的時(shí)間相關(guān)信號(hào)計(jì)算吸水速率，從而提供吸水速率的時(shí)間相關(guān)性。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，處理器經(jīng)配置以從吸水速率的時(shí)間相關(guān)性計(jì)算吸水速率的變化率。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，處理器經(jīng)配置以計(jì)算植物的水分利用效率。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，該系統(tǒng)包括經(jīng)配置用于測(cè)量表明大氣水分需要的其它參數(shù)的裝置，其中處理器經(jīng)配置以從裝置接收時(shí)間相關(guān)信號(hào)，計(jì)算其它參數(shù)，并計(jì)算第一參數(shù)和其它參數(shù)間的比率。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，處理器經(jīng)配置以計(jì)算蒸騰速率并將計(jì)算的蒸騰速率歸一化至選自以下的至少一個(gè)歸一化量值(normalizing quantity)：植物葉表面積、葉的氣孔密度和土壤水分含量。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，處理器經(jīng)配置以將植物歸類為至少一個(gè)分類群。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，處理器經(jīng)配置以將植物歸類為以下之一的分類群：(i)顯示等水行為(isohydric behavior)的植物的分類群，和(ii)顯示非等水行為的植物的分類群。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，處理器經(jīng)配置以計(jì)算葉相對(duì)含水量的變化性，且其中分類依照變化性進(jìn)行。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，處理器經(jīng)配置以計(jì)算嫩枝重量比和根攝入率，且其中變化性根據(jù)嫩枝重量比和根攝入率間的差異計(jì)算。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，處理器經(jīng)配置以接收至少一種水通道蛋白的表達(dá)譜，且其中分類部分基于所接收的表達(dá)譜。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，處理器經(jīng)配置以根據(jù)參數(shù)的至少一個(gè)估算全植物導(dǎo)水率，且其中分類部分基于植物導(dǎo)水率。

按照本發(fā)明一些實(shí)施方案的一個(gè)方面，提供表征植物的方法。所述方法包括從多個(gè)傳感器接收信號(hào)，所述信號(hào)與表明出自全植物的蒸騰速率的第一參數(shù)和表明進(jìn)入全植物的吸水速率的第二參數(shù)有關(guān)。所述方法進(jìn)一步包括處理信號(hào)以計(jì)算兩個(gè)參數(shù)，并根據(jù)計(jì)算的參數(shù)表征植物。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，時(shí)刻計(jì)算第一參數(shù)和第二參數(shù)的至少一個(gè)。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，時(shí)刻計(jì)算第一參數(shù)和第二參數(shù)兩者。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，所述方法包括根據(jù)計(jì)算的參數(shù)計(jì)算分值。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，所述方法包括可控制地改變植物所暴露的環(huán)境條件，并在改變后重新計(jì)算分值。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，所述方法包括選擇針對(duì)其計(jì)算的分值高于預(yù)定閾值的環(huán)境條件的范圍。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，植物是一群植物的成員，所述方法包括計(jì)算該群中各植物的分值，并根據(jù)分值評(píng)定植物的等級(jí)。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，所述方法包括選擇植物群所暴露的環(huán)境條件，其中等級(jí)評(píng)定與所選的環(huán)境條件有關(guān)。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，計(jì)算包括時(shí)刻從由測(cè)壓元件產(chǎn)生的時(shí)間相關(guān)信號(hào)計(jì)算蒸騰速率，從而提供蒸騰速率的時(shí)間相關(guān)性。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，所述方法包括根據(jù)蒸騰速率的時(shí)間相關(guān)性計(jì)算蒸騰速率的變化率。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，計(jì)算包括時(shí)刻從由土壤含水量傳感器產(chǎn)生的時(shí)間相關(guān)信號(hào)計(jì)算吸水速率，從而提供吸水速率的時(shí)間相關(guān)性。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，所述方法包括從吸水速率的時(shí)間相關(guān)性計(jì)算吸水速率的變化率。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，所述方法包括計(jì)算植物的水分利用效率。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，所述方法包括接收與表明大氣水分需要的其它參數(shù)有關(guān)的時(shí)間相關(guān)，其中所述方法包括計(jì)算其它參數(shù)和第一參數(shù)和其它參數(shù)間的比率。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，所述方法包括使計(jì)算的蒸騰速率歸一化至選自以下的至少一個(gè)歸一化量值：植物葉表面積、葉的氣孔密度和土壤水分含量。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，所述方法包括將植物歸類為至少一個(gè)分類群。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，所述方法包括將植物歸類為以下之一的分類群：(i)顯示等水行為的植物的分類群，和(ii)顯示非等水行為的植物的分類群。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，所述方法包括計(jì)算葉相對(duì)含水量的變化性，其中分類根據(jù)變化性進(jìn)行。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，所述方法包括計(jì)算嫩枝重量比和根攝入率，其中變化性根據(jù)嫩枝重量比和根攝入率間的差異計(jì)算。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，所述方法包括根據(jù)參數(shù)的至少一個(gè)估算全植物導(dǎo)水率，且其中分類至少部分地基于植物導(dǎo)水率。

除非另有定義，否則本文所用的所有技術(shù)和/或科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有本發(fā)明所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。雖然類似或等同于本文所述那些方法和材料的方法和材料可用于本發(fā)明實(shí)施方案的實(shí)施或測(cè)試，但下面描述了示例性的方法和/或材料。萬(wàn)一有抵觸，將以本專利說(shuō)明書(包括定義)為準(zhǔn)。另外，材料、方法和實(shí)施例只是說(shuō)明性的，無(wú)意是必然限制性的。

本發(fā)明實(shí)施方案的方法和/或系統(tǒng)的實(shí)施可包括以手工、自動(dòng)或其組合進(jìn)行或完成選定的任務(wù)。此外，按照本發(fā)明的方法和/或系統(tǒng)的實(shí)施方案的實(shí)際儀器和設(shè)備，可利用操作系統(tǒng)，通過(guò)硬件、軟件或固件或其組合執(zhí)行若干選定的任務(wù)。

例如，按照本發(fā)明的實(shí)施方案，用于進(jìn)行選定任務(wù)的硬件可作為芯片或回路實(shí)施。作為軟件，本發(fā)明實(shí)施方案的選定任務(wù)可利用任何合適的操作系統(tǒng)以多個(gè)被計(jì)算機(jī)執(zhí)行的軟件指令實(shí)施。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方案中，本文所述方法和/或系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案的一個(gè)或多個(gè)任務(wù)通過(guò)數(shù)據(jù)處理器(例如用于執(zhí)行多個(gè)指令的計(jì)算平臺(tái))進(jìn)行。任選數(shù)據(jù)處理器包括用于存儲(chǔ)指令和/或數(shù)據(jù)的易失性存儲(chǔ)器和/或用于存儲(chǔ)指令和/或數(shù)據(jù)的持久性存儲(chǔ)器，例如硬磁盤和/或可移動(dòng)介質(zhì)。任選還提供網(wǎng)絡(luò)接線。還任選提供顯示器和/或用戶輸入裝置(例如鍵盤或鼠標(biāo))。

若干附圖簡(jiǎn)述

本文參照附圖，僅通過(guò)舉例描述了本發(fā)明的一些實(shí)施方案。雖然現(xiàn)詳細(xì)具體地參照附圖，但要強(qiáng)調(diào)的是所示細(xì)節(jié)僅通過(guò)舉例并用于說(shuō)明性論述本發(fā)明的實(shí)施方案的目的。在這一方面，隨附圖一起的描述使本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚可如何實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施方案。

附圖中：

圖1A顯示由于在夜晚和隨后的白天時(shí)間內(nèi)的蒸騰所致溫度受控溫室中生長(zhǎng)的對(duì)照番茄植物的重量變化；

圖1B顯示圖1A植物的計(jì)算的全植物蒸騰(WPT)；

圖2A-C分別顯示植物、濕燈芯(wet wick)和恒重的重量變化速率中的平均和疊加振蕩；

圖3A-C分別顯示圖2A、2B和2C示圖的自相關(guān)函數(shù)；

圖3B-F分別顯示全植物、浸水燈芯(submerged wick)和恒重殘差時(shí)間系列的波譜；

圖4A顯示5天脫水對(duì)瞬間WPT速率的作用(平滑振蕩的)；

圖4B顯示在圖4A的平滑圖形上疊加的WPT速率中觀察到的振蕩圖形；

圖4C顯示濕燈芯的平滑和振蕩蒸發(fā)速率；

圖4D顯示在圖4C的平滑圖形上疊加的蒸發(fā)的振蕩圖形；

圖5A-F顯示典型番茄全植物、切離嫩枝的平滑WPT速率和疊加振蕩及濕燈芯的蒸發(fā)速率和疊加振蕩；

圖6A-C顯示ABA缺陷型sitiens植物和對(duì)照植物的振蕩和平滑WPT速率及濕燈芯的蒸發(fā)速率和疊加振蕩的代表性結(jié)果；

圖7A-D顯示兩株楊樹(shù)(銀白楊(Populus alba))植物的振蕩和平滑WPT速率及濕燈芯的蒸發(fā)速率和疊加振蕩的代表性結(jié)果；

圖8A-B顯示對(duì)照植物和突變體植物；

圖9A和9B分別顯示圖8中的對(duì)照植物和突變型植物的蒸騰；

圖10顯示圖8中的對(duì)照植物和突變型植物的氣孔孔徑大?。?/p>

圖11是適于表征本發(fā)明一些實(shí)施方案的一種或多種植物的系統(tǒng)的示意圖；

圖12A-C顯示與圖12C所示參比(浸水燈芯)環(huán)境蒸氣壓不足(VPD)相比，在5天脫水處理期間2株番茄植物的蒸騰速率(圖12A和12B)；

圖13A-E顯示不同的全植物參數(shù)沿土壤-環(huán)境水梯度的變化。(A)連續(xù)6天的實(shí)驗(yàn)期間(包括3天的充分灌溉接著3天的干旱)的每日VPD和輻射(Rad)。(B)在充分灌溉和干旱處理過(guò)程中M82和MP1植物的重量變化(相對(duì)于這些植物的最初重量)。觀察到的重量增加(用箭頭標(biāo)示)是灌溉直到排水孔水平的結(jié)果(圖20B)。(C) 6天實(shí)驗(yàn)期間SWC的變化。(D)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的全植物蒸騰E [mmole m^-2 s^-1]。為了排除植物大小對(duì)蒸騰速率的作用，我們將植物水分散失速率歸一化至葉表面積。(E)全植物冠層蒸氣導(dǎo)度gs_c [mmole m^-2 s^-1]計(jì)算為E與同時(shí)計(jì)算的VPD的比率。各曲線(B-E)是各系9-10株植物的均值；每90分鐘計(jì)算SE。

圖14A-C顯示中午蒸騰與SWC。在(A)夏季實(shí)驗(yàn)(與圖1相同的植物)和(B)冬季實(shí)驗(yàn)的整個(gè)期間隨SWC而變化的中午全植物蒸騰(對(duì)于MP1，n = 11，對(duì)于M82，n = 9，有關(guān)環(huán)境條件的描述參見(jiàn)圖21A)。(C)最大日蒸騰速率(E_max)的均值(±SE)和臨界SWC (θ_cr)的均值(±SE)。星號(hào)標(biāo)示非重疊95%置信區(qū)間。

圖15A-C顯示不同SWC水平上的gs_c、葉RWC和Ψ_葉的變化。使植物在土壤滲透儀系統(tǒng)中生長(zhǎng)，并連續(xù)監(jiān)測(cè)(A)均值(±SE，n = 5)和全植物gs_c。當(dāng)盆達(dá)到預(yù)先確定的高SWC水平(70-80%)、中等SWC水平(40-50%，夏季實(shí)驗(yàn)約θ_cr)和低SWC水平(10-20%)時(shí)，從這些盆中的植物上收獲葉，并測(cè)量(B) RWC和(C) Ψ_葉。各數(shù)據(jù)點(diǎn)是來(lái)自在測(cè)量時(shí)達(dá)到精確SWC的盆中的5株不同植物的5片葉的均值± SE (圖13A-E所述相同的植物)。星號(hào)標(biāo)示處理內(nèi)各品系間的顯著性差異(Student t檢驗(yàn)，p < 0.05)。不同的字母表示不同處理中相同品系中午測(cè)量之間的顯著差異[單因素方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)，P < 0.05]。

圖16A-C顯示在不同的SWC水平下系統(tǒng)的不同組件的導(dǎo)水率。(A)土壤導(dǎo)水率(K_土壤)，(B)全植物導(dǎo)水率(K_植物)和(C)壤-植物連續(xù)體的導(dǎo)率(K_總)。各點(diǎn)是各品系的5株植物的均值± SE。不同的字母表示不同處理中相同品系中午測(cè)量之間的顯著差異[單因素方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)，P < 0.05]。

圖17A-C顯示在不同的SWC水平下每日水分流入量和流出量及全植物水平衡。同時(shí)測(cè)量(A) M82和(B) MP1的植物水分散失速率(ET)和根吸水速率(J_r)的每日形式。流入量和流出量間的累積差異為(C)全植物相對(duì)含水量(RWC)的改變。各數(shù)據(jù)點(diǎn)為各品系的至少9株植物的均值± SE。斜率下的連線標(biāo)示蒸騰速率和在該蒸騰速率下由根吸收水的速率之間的顯著性差異(Student t檢驗(yàn)，p < 0.05每30分鐘進(jìn)行)。插圖顯示7和9:30 am之間斜率的幅度。

圖18A-C顯示不同的SWC水平下M82和MP1中SlTIP1;1、SlTIP1;2和SlPIP1;5的相對(duì)表達(dá)譜。在不同的SWC條件(~80%、~50%、~20%)下MP1(灰色條形柱)和M82 (黑色條形柱)中的(A) SlTIP1;2、(B) SlTIP2;1和(C) SlPIP1;5的相對(duì)表達(dá)的qPCR分析。數(shù)據(jù)表示為均值± SE (N = 5)。柱上不同的字母表示顯著差異(t檢驗(yàn)，P < 0.05)。

圖19A和19B顯示液泡水分供應(yīng)：不間斷蒸騰圖示。葉片水分狀況的動(dòng)力學(xué)緩沖的水流量控制。(A)黎明前在高土壤水分可用性條件下的葉和(B)中午在低土壤水分可用性條件下的相同葉。在緊密靠近細(xì)胞質(zhì)的葉肉細(xì)胞壁的微細(xì)管結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生葉的負(fù)水勢(shì)(Nobel，2009)，這使得胞質(zhì)有脫水危險(xiǎn)。我們提出如下避免這種危險(xiǎn)：(i)通過(guò)維持分隔這2個(gè)區(qū)室的質(zhì)膜的低傳導(dǎo)性，和(ii)根據(jù)液泡膜的水分傳導(dǎo)升高對(duì)液泡的緩沖作用(P_ft)。平行地，降低細(xì)胞壁中的水勢(shì)從木質(zhì)部吸入水分。另外，K_葉“閥” (維管束鞘水分傳導(dǎo))控制水分向葉中移動(dòng)(Shatil-Cohen等，2011；Shatil-Cohen和Moshelion，2012；Pantin等，2013)，這與葉水勢(shì)、相對(duì)含水量(RWC)和膨壓?jiǎn)适俾视嘘P(guān)。分別由于TIP和PIP的長(zhǎng)期活性所致，較高的P_ft和K_葉水平被認(rèn)為是造成非等水和等水植物間的差異的分子機(jī)制的一部分。

圖20A-C顯示土壤滲透儀系統(tǒng)和完整處理概括方案。(A)加載MP1和M82番茄植物的原型溫室陳列(由48個(gè)稱重土壤滲透儀組成)。該完全自動(dòng)化的系統(tǒng)同時(shí)從全部植物中收集數(shù)據(jù)。(B)包括3.9-L盆的單一單位的圖示，將盆通過(guò)容器頂部的開(kāi)口插入不透明塑料排水容器中。盆-容器系統(tǒng)坐落在靈敏的溫度補(bǔ)償測(cè)壓元件上。排水容器的目的是在一天內(nèi)保持植物可獲得水(0-600 mL)以避免由白天灌溉事件引起的重量改變，所述灌溉事件將使連續(xù)的瞬間蒸騰速率的計(jì)算復(fù)雜化。每盆中的土壤探頭連續(xù)監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)介質(zhì)的體積含水量和電導(dǎo)率。灌溉系統(tǒng)受預(yù)編程的閥(CPV)控制。開(kāi)發(fā)了用于植物專用的多項(xiàng)生理學(xué)分析的算法以提供(C)在充分灌溉、干旱和恢復(fù)期內(nèi)在不同的受測(cè)品系中重量的平均變化和SE。

圖21A-D顯示在響應(yīng)土壤-環(huán)境水梯度時(shí)的全植物蒸騰調(diào)節(jié)(冬季實(shí)驗(yàn))。(A)在連續(xù)8天實(shí)驗(yàn)期間的每日VPD和輻射(Rad)，該實(shí)驗(yàn)包括2天充分灌溉，接著5天干旱。(B)與其初始重量相比，在充分灌溉和干旱處理過(guò)程中M82和MP1植物重量的相對(duì)變化。從開(kāi)始灌溉直到水達(dá)到排水孔時(shí)盆的重量增加(另參見(jiàn)圖20B)。(C)在這些階段的土壤含水量(SWC)。為了排除植物大小對(duì)蒸騰速率的作用(這可能與MP1植物中所觀察到的較快的重量丟失和較快的SWC降低有關(guān))，使植物水分散失速率歸一化至葉表面積。(D)全植物蒸騰E [mmole m^-2 s^-1]和(E)全植物冠層蒸氣導(dǎo)度(gs_c [mmole m^-2 s^-1])計(jì)算為E與同時(shí)測(cè)量的VPD的比率。如所預(yù)期的，浸水燈芯對(duì)照處理顯示在實(shí)驗(yàn)期間幾乎不變的水分流失。各曲線(B-E)為9株M82植物或11株MP1植物的均值。每90分鐘計(jì)算SE值。

圖22顯示在冬季實(shí)驗(yàn)中在不同的SWC水平下葉RWC和Ψ_葉之間的關(guān)系。使植物在土壤滲透儀系統(tǒng)中生長(zhǎng)，并連續(xù)監(jiān)測(cè)SWC。當(dāng)觀察到SWC = 70-80%、SWC = 40-50% (約θ_cr)和SWC = 10-20%的預(yù)先規(guī)定的值時(shí)，從植物上收獲葉，并測(cè)量其中午(A) RWC和(B) Ψ_葉。各條柱為3-5株不同的植物的9片葉的均值± SE，所述植物的盆在測(cè)量時(shí)達(dá)到精確SWC。星號(hào)標(biāo)示處理中各品系間的顯著差異(Student t檢驗(yàn)，p < 0.05)。不同的字母表示不同處理中相同品系中午測(cè)量間的顯著差異[單因素方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)，P < 0.05]。

圖23A-E顯示不同的SWC水平下M82和MP1植物中SlTIP2;2、SlTIP2;3、SlTIP3;1、SlTIP4;1和SlPIP2;5 AQP的相對(duì)表達(dá)譜。在不同的SWC水平(~80%、~50%、~20%)下MP1 (灰色條形柱)和M82 (黑色條形柱)中(A) SlTIP2;2，(B) SlTIP2;3，(C) SlTIP3;1，(D) SlTIP4;1和(E) SlPIP2;5相對(duì)表達(dá)的qPCR分析。數(shù)據(jù)表示為均值± SE (N = 5)。柱上不同的字母表示顯著差異(t檢驗(yàn)，P < 0.05)。

圖24顯示全植物生長(zhǎng)速率。全植物重量(g)的均值(±SE)。星號(hào)標(biāo)示品系間的顯著性差異(Student t檢驗(yàn)，p < 0.05)。

本發(fā)明具體實(shí)施方案的描述

本發(fā)明在其某些實(shí)施方案中涉及農(nóng)業(yè)，更具體但并非唯一地講涉及用于表征植物的方法和系統(tǒng)。

本發(fā)明實(shí)施方案基于以下認(rèn)識(shí)：為了正確地評(píng)價(jià)植物參數(shù)，除了測(cè)定水從全植物流向大氣(通過(guò)計(jì)算蒸騰速率相關(guān)參數(shù))以外，還要了解進(jìn)入全植物的水流入量(例如通過(guò)測(cè)量特別但不必在植物根附近的土壤濕度(moister))是有利的。在本發(fā)明不同的示例性實(shí)施方案中，時(shí)刻，例如至少每60分鐘一次或至少每30分鐘一次或至少每10分鐘一次或至少每5分鐘一次或至少每4分鐘一次或至少每3分鐘一次或至少每2分鐘一次或至少每1分鐘一次計(jì)算表示蒸騰速率的參數(shù)和表示水流入量的參數(shù)的至少一個(gè)、更優(yōu)選兩個(gè)。

如本文所用，出自全植物的蒸騰意指總體通過(guò)葉、更優(yōu)選總體通過(guò)植物的所有蒸騰器官(例如葉、莖、花、果實(shí))離開(kāi)植物的總水量。

如本文所用，出自全植物的蒸騰速率為總體通過(guò)葉、更優(yōu)選總體通過(guò)植物的所有蒸騰器官(例如葉、莖、花、果實(shí))離開(kāi)植物的每單位時(shí)間的總水量。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，利用離開(kāi)植物和進(jìn)入植物的水通量以根據(jù)其在正常和異常(例如水脅迫)條件下的根功能估算根系的相對(duì)活性并表征植物。本發(fā)明實(shí)施方案的系統(tǒng)任選和優(yōu)選執(zhí)行自動(dòng)化篩選總體和更優(yōu)選在干旱下的生理學(xué)根部性能性狀。在本發(fā)明不同的示例性實(shí)施方案中，同時(shí)執(zhí)行兩種或更多種、更優(yōu)選許多植物的數(shù)據(jù)收集、分析和表征。篩選任選和優(yōu)選精確找出顯示在不同發(fā)育階段和土壤類型中在不同處理下有優(yōu)良的根吸水的植物。

本發(fā)明在至少一些實(shí)施方案中提供這樣的系統(tǒng)，其同時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)或更多個(gè)植物的群中的蒸騰速率和土壤水分變化，并鑒定群中相對(duì)于其它植物的特性提高的那些植物，如按其蒸騰速率和由植物根吸收的水分之間的關(guān)系所測(cè)定的。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，植物的重量增加通過(guò)重量傳感器測(cè)量并用作其蒸騰速率的代表。還考慮了測(cè)量表示蒸騰速率的參數(shù)的其它裝置。例如，可使用紅外攝像機(jī)以生成平面的熱成像，數(shù)據(jù)處理器可分析熱成像，并估算植物的散熱速率，在此情況下散熱速率用作植物蒸騰速率的代表。

按照本發(fā)明的一些實(shí)施方案，土壤濕度或土壤含水量(SWC)通過(guò)土壤濕度傳感器測(cè)量并用作由植物吸收的水量的代表。優(yōu)選將土壤濕度傳感器置于植物附近。還考慮了用于測(cè)量表示由植物吸收的水量的參數(shù)的其它裝置。代表性實(shí)例包括而不限于用于測(cè)量土壤中的含水量的NMR裝置或X射線裝置、用于測(cè)量土壤水分濕張力的張力計(jì)等。

上述裝置的任一個(gè)可單獨(dú)或通過(guò)系統(tǒng)補(bǔ)充使用。優(yōu)選系統(tǒng)包括測(cè)量表示植物的蒸騰速率的參數(shù)的至少一個(gè)裝置或傳感器和測(cè)量表示由植物吸收的水量的參數(shù)的至少一個(gè)裝置或傳感器。

傳感器產(chǎn)生時(shí)間相關(guān)信號(hào)，所述信號(hào)表示由傳感器感測(cè)的各個(gè)參數(shù)(重量、含水量)并任選和優(yōu)選對(duì)其進(jìn)行分析。在一些實(shí)施方案中，植物是封閉在容器中的盆栽植物，所述容器含有與盆的內(nèi)含物有流體連通的適量的水。在這些實(shí)施方案中，傳感器可以是測(cè)量容器以及容器的內(nèi)含物(包括水)的質(zhì)量或重量的測(cè)壓元件。植物所致蒸騰引起容器中水的量隨時(shí)間減少，這反映在由傳感器感測(cè)的質(zhì)量或重量下降。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)一段時(shí)間內(nèi)容器的質(zhì)量或重量(例如同時(shí)用于兩個(gè)或更多個(gè)容器)，可計(jì)算隨時(shí)間變化的蒸騰速率，并且通過(guò)監(jiān)測(cè)一段時(shí)間內(nèi)的SWC，評(píng)價(jià)植物利用水的量和任選還有利用水的速率。

在本發(fā)明不同的示例性實(shí)施方案中，處理隨時(shí)間推移由傳感器產(chǎn)生的信號(hào)以測(cè)定兩個(gè)或更多個(gè)時(shí)期內(nèi)的蒸騰速率和吸水。對(duì)于每個(gè)時(shí)期，處理可包括計(jì)算該時(shí)期內(nèi)蒸發(fā)水的平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差，提取該時(shí)期內(nèi)蒸發(fā)水和植物質(zhì)量增加之間的比率。該比率稱為植物的“水分利用效率”(WUE)。另外，還通過(guò)測(cè)定被植物吸收的水分提取每個(gè)時(shí)期的水分利用。

處理任選和優(yōu)選根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析評(píng)定植物的等級(jí)，例如，根據(jù)至少一個(gè)參數(shù)，例如但不限于蒸騰速率和/或吸水速率和/或吸水速率和蒸騰速率間的差異和/或具體SWC中的WUE和蒸騰評(píng)定植物的等級(jí)。這允許鑒定群中具有優(yōu)選特性的植物。

等級(jí)評(píng)定可用于一個(gè)以上的目的。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，植物暴露于其中的環(huán)境條件(溫度、干旱水平、濕度、光等)是可控變化的，并根據(jù)變化后的至少一個(gè)參數(shù)計(jì)算分值。這可重復(fù)一次或多次使得描述植物特性的分值與各環(huán)境條件相關(guān)。這允許選擇改進(jìn)植物行為的環(huán)境條件的所需范圍。例如，在使分值歸一化至0和1之間的數(shù)值時(shí)，分值超過(guò)介于0和1之間的預(yù)定閾值的任何環(huán)境條件可定義為適于植物生長(zhǎng)的環(huán)境條件。預(yù)定閾值的代表性實(shí)例為至少0.5或至少0.6或至少0.7或至少0.8或至少0.9。

在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，植物是一群植物的成員，計(jì)算選定環(huán)境條件的群中各植物的分值。在這些實(shí)施方案中，根據(jù)分值評(píng)定植物的等級(jí)，其中等級(jí)評(píng)定與所選的環(huán)境條件有關(guān)。這允許選擇所選環(huán)境條件的最佳植物或植物組。環(huán)境條件還可變化，并在變化后重復(fù)群中植物的分值計(jì)算和等級(jí)評(píng)定。這也允許選擇變化環(huán)境條件的最佳植物或植物組。最后，可產(chǎn)生輸出以提供環(huán)境條件范圍列表，和預(yù)期在各個(gè)環(huán)境條件范圍下行為改進(jìn)的植物或植物組的相應(yīng)列表。

在一個(gè)實(shí)施方案中，在兩個(gè)或更多個(gè)時(shí)期內(nèi)處理信號(hào)，其中通過(guò)植物群所暴露的一組的一個(gè)或多個(gè)環(huán)境條件表征兩個(gè)或更多個(gè)時(shí)期的每一個(gè)。在一個(gè)時(shí)期內(nèi)，環(huán)境條件可以是對(duì)照環(huán)境條件，而在另一個(gè)時(shí)期內(nèi)，環(huán)境條件可以是脅迫條件。為了檢查植物從脅迫中恢復(fù)，可回設(shè)條件以控制?？赏ㄟ^(guò)脅迫和恢復(fù)的不同組合重復(fù)該方案。在兩個(gè)時(shí)期之間可改變的環(huán)境因素包括例如水的可用性、濕度、溫度、輻照、鹽分、土壤礦物質(zhì)含量以及生物參數(shù)例如土壤中細(xì)菌和病原體。例如，可指定在脅迫環(huán)境條件下具有高蒸騰速率的植物比在相同條件下具有較低蒸騰的植物高的等級(jí)。在該實(shí)施方案中，處理可進(jìn)一步包括計(jì)算在植物暴露于環(huán)境條件的改變和在從該脅迫中恢復(fù)期間蒸騰速率和水分利用的變化率。等級(jí)評(píng)定還可包括當(dāng)植物的環(huán)境條件改變時(shí)檢測(cè)的蒸騰速率和/或吸水的變化率。任選和優(yōu)選指定其中當(dāng)環(huán)境條件更多脅迫時(shí)蒸騰速率慢慢降低的植物比其蒸騰較快降低的植物高的等級(jí)評(píng)定。任選和優(yōu)選指定其中當(dāng)環(huán)境條件變得較少脅迫時(shí)蒸騰速率快速提高的植物比其蒸騰較慢增加的植物高的等級(jí)評(píng)定。任選和優(yōu)選指定在脅迫條件下吸水較高的植物比吸水低的植物高的等級(jí)。

在一個(gè)實(shí)施方案中，利用本發(fā)明鑒定植物生長(zhǎng)的最適環(huán)境條件。在該實(shí)施方案中，在兩個(gè)或更多個(gè)時(shí)期的每一個(gè)中，將植物暴露于不同的環(huán)境條件中。

植物的等級(jí)評(píng)定可通過(guò)若干方法的任一種進(jìn)行，使不同水平的篩選成為可能。一種方法包括預(yù)先確定的時(shí)間內(nèi)目標(biāo)和對(duì)照植物的累積重量的比較。通過(guò)統(tǒng)計(jì)工具將每個(gè)個(gè)別植物的重量增加與目標(biāo)植物群和對(duì)照植物的平均重量增加進(jìn)行比較。

在評(píng)定植物等級(jí)的另一種方法中，利用累積蒸騰，通過(guò)每日蒸騰和每日吸水求和，以提供指定時(shí)期內(nèi)植物蒸騰的水含量的度量。任選和優(yōu)選將每個(gè)個(gè)別植物的累積蒸騰和吸水與目標(biāo)植物群和對(duì)照植物的平均累積蒸騰進(jìn)行比較，并且將兩者與潛在蒸騰速率(大氣需要)進(jìn)行比較。

在另一種方法中，通過(guò)將某一時(shí)期內(nèi)的累積重量增加除以該時(shí)期內(nèi)的累積蒸騰，來(lái)測(cè)定WUE。

可通過(guò)信號(hào)采樣，從通過(guò)重量傳感器產(chǎn)生的信號(hào)測(cè)定瞬間蒸騰速率，以獲得重量時(shí)間系列。重量時(shí)間系列任選和優(yōu)選被平滑至某種程度(例如經(jīng)噪聲降低處理)以分離出晝間蒸騰(水分流失)趨勢(shì)。然后通過(guò)平滑重量變化的時(shí)間導(dǎo)數(shù)(例如一階時(shí)間導(dǎo)數(shù))計(jì)算晝間蒸騰速率的形式。任選和優(yōu)選將每個(gè)個(gè)別植物的峰值蒸騰速率及其計(jì)時(shí)與目標(biāo)植物群和對(duì)照植物的平均峰值蒸騰速率和計(jì)時(shí)進(jìn)行比較，并且將兩者與潛在蒸騰速率進(jìn)行比較。

可通過(guò)信號(hào)采樣，從通過(guò)土壤濕度傳感器產(chǎn)生的信號(hào)測(cè)定瞬間吸水速率，以獲得濕度時(shí)間系列。濕度時(shí)間系列任選和優(yōu)選被平滑至某種程度(例如經(jīng)噪聲降低處理)。然后可通過(guò)濕度時(shí)間系列中變化的時(shí)間導(dǎo)數(shù)(例如一階時(shí)間導(dǎo)數(shù))計(jì)算吸水速率。

現(xiàn)參照附圖，圖11是按照本發(fā)明的至少一些實(shí)施方案用于同時(shí)監(jiān)測(cè)植物或兩個(gè)或更多個(gè)植物的群體的蒸騰速率的系統(tǒng)1的示意圖。系統(tǒng)1任選和優(yōu)選還鑒定群中相對(duì)于其它植物特性提高的那些植物。

系統(tǒng)1包括一個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)裝置2，其中各監(jiān)測(cè)裝置2用來(lái)監(jiān)測(cè)各個(gè)植物4的蒸騰速率和吸水。為簡(jiǎn)要起見(jiàn)，且僅舉例來(lái)說(shuō)，圖11顯示了2個(gè)監(jiān)測(cè)裝置2a和2b。通常，可配置系統(tǒng)1以包括等于待監(jiān)測(cè)的群中的植物數(shù)的多個(gè)監(jiān)測(cè)裝置2。

各監(jiān)測(cè)裝置2任選和優(yōu)選包括感測(cè)一個(gè)或多個(gè)與植物有關(guān)的參數(shù)的兩個(gè)或更多個(gè)傳感器3、6。在圖11 (其不被視為限制性的)中，裝置2a包括傳感器3a和傳感器6a，裝置2b包括傳感器3b和傳感器6b。各傳感器3、6產(chǎn)生表示由傳感器感測(cè)的相應(yīng)的測(cè)量參數(shù)的時(shí)間相關(guān)信號(hào)，所述信號(hào)被傳送到處理站8用于如下解釋的進(jìn)一步處理。傳感器6和處理站8間的通信可通過(guò)如圖11所示的有線信道，其中傳感器6的每一個(gè)通過(guò)通信線10與處理站8連接，所述通信線可任選為有線的?；蛘?，傳感器可經(jīng)無(wú)線信道與處理站8通信。在圖11所示的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，植物4為保持在盆12中的盆栽植物，每盆12被封裝在容器14中。容器14在圖11中以剖視圖顯示，以顯示盆12和裝在容器14中的植物4的部分。每盆12含有生長(zhǎng)介質(zhì)，所述介質(zhì)可為固體，例如土壤或人工生長(zhǎng)介質(zhì)，或可為液體，如水培植物生長(zhǎng)的情況。

傳感器3可為置于土壤中的濕度傳感器，任選和優(yōu)選在植物根的附近。各個(gè)容器14含有適量的水18，所述水通過(guò)盆12中的孔16與盆12的內(nèi)含物流體連通。在這個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，傳感器6是測(cè)量容器14以及容器內(nèi)含物(包括水18)的質(zhì)量的測(cè)壓元件，而將傳感器3置于盆內(nèi)部的土壤中。植物4所致蒸騰引起容器14中水18的量隨時(shí)間推移減少，這反映在由傳感器6感測(cè)的質(zhì)量的減少。

測(cè)壓元件可被校準(zhǔn)以指示室的絕對(duì)重量或相對(duì)于基線的重量或相對(duì)于基線或相對(duì)于之前的重量測(cè)量的重量變化。測(cè)壓元件優(yōu)選足夠靈敏，足以檢測(cè)重量的極快(例如在10分鐘或更短內(nèi)，或在1分鐘或更短內(nèi)，或在10秒鐘或更短內(nèi)，或在5秒鐘或更短內(nèi)或在1秒鐘或更短內(nèi))的變化和重量的極小變化(例如小于1 gr、或小于0.1 gr或小于0.01 gr的變化)。

在試驗(yàn)站，優(yōu)選提供多個(gè)容器14和植物4。一天一次(通常在蒸騰速率非常低的夜里)給容器14裝水到預(yù)先確定的水平(取決于所采用的脅迫)，在干旱脅迫期間，一個(gè)或多個(gè)容器14不裝水，或在鹽分脅迫期間可裝入含鹽水等。盆12任選和優(yōu)選用蓋子20(植物的莖22通過(guò)蓋子穿過(guò))蓋上以減少或防止水分從盆的內(nèi)含物中蒸發(fā)。同樣地，各個(gè)容器14任選和優(yōu)選用蓋子24 (莖22通過(guò)蓋子穿過(guò))蓋上以防止水從容器14中蒸發(fā)。

因此通過(guò)監(jiān)測(cè)一段時(shí)期內(nèi)容器14的質(zhì)量，可在處理裝置8中計(jì)算一段時(shí)期內(nèi)的蒸騰速率，并且通過(guò)監(jiān)測(cè)SWC，可按如下解釋的計(jì)算吸水速率。

傳感器6，當(dāng)作為測(cè)壓元件執(zhí)行時(shí)，也可用來(lái)監(jiān)測(cè)盆12以及其包括植物4的內(nèi)含物的質(zhì)量。在植物4生長(zhǎng)時(shí)，植物4的質(zhì)量增加，并且通過(guò)監(jiān)測(cè)盆12的質(zhì)量，使得監(jiān)測(cè)一段時(shí)期內(nèi)的盆12的質(zhì)量允許按如下解釋的在處理站8計(jì)算一段時(shí)期內(nèi)植物的生長(zhǎng)速率，并由此計(jì)算產(chǎn)量。

系統(tǒng)1任選和優(yōu)選進(jìn)一步包括裝置26以測(cè)定大氣水分需要。裝置26包括優(yōu)選由紡織品制成的燈芯28。將燈芯28的一部分浸入容器32的水30中，相當(dāng)于下述“濕燈芯”。任選和優(yōu)選將燈芯28的大部分暴露于環(huán)境空氣中，使得燈芯28從容器32吸收的水可從燈芯蒸發(fā)。裝置26進(jìn)一步包括傳感器34，所述傳感器是用于監(jiān)測(cè)容器32及其內(nèi)含物的質(zhì)量的測(cè)壓元件。測(cè)壓元件34產(chǎn)生表示容器32及其內(nèi)含物的質(zhì)量的時(shí)間相關(guān)信號(hào)，所述信號(hào)經(jīng)可為有線信道或無(wú)線信道的信道36與處理站8通信。容器32任選每日用水充滿至預(yù)先確定的水平。

系統(tǒng)1可任選包括其它傳感器(未顯示)，例如監(jiān)測(cè)隨時(shí)間推移的株冠溫度、盆12的含水量或水勢(shì)的傳感器。還考慮了其它外部傳感器(未顯示)，用于測(cè)量環(huán)境光、環(huán)境溫度和環(huán)境相對(duì)濕度的至少一種。

傳感器(例如傳感器3、6和34)的一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)生與處理站8通信的時(shí)間相關(guān)信號(hào)。處理站8包括CPU 38，所述CPU包括多路復(fù)用器40，其相繼將各輸入信號(hào)發(fā)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器42，所述轉(zhuǎn)換器以預(yù)先確定的時(shí)間并以預(yù)先確定的頻率采集輸入信號(hào)樣本。采樣頻率可為例如每12小時(shí)，更優(yōu)選，更優(yōu)選，更優(yōu)選，甚至更優(yōu)選，還更優(yōu)選每2小時(shí)、每小時(shí)、每10分鐘、5分鐘或每分鐘、每30秒鐘或每10秒鐘。越高的采樣頻率允許越短的采樣時(shí)間，越短的采樣時(shí)間趨于顯示包括蒸騰速率的振蕩(否則在較低的采樣頻率時(shí)可忽略)的瞬間蒸騰速率。數(shù)字化信號(hào)的樣本通過(guò)鐘43計(jì)時(shí)打印，計(jì)時(shí)打印樣本被存儲(chǔ)在CPU的存儲(chǔ)器44中。各信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器44的文件45中，所述文件通過(guò)在其中產(chǎn)生信號(hào)的監(jiān)測(cè)裝置的標(biāo)識(shí)符是可尋址的。CPU含有經(jīng)配置以處理存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器44中的信號(hào)的處理器46。處理優(yōu)選包括從信號(hào)中過(guò)濾裝置相關(guān)噪聲。

對(duì)于通過(guò)測(cè)壓元件6產(chǎn)生的信號(hào)，處理任選和優(yōu)選包括例如通過(guò)計(jì)算濾過(guò)信號(hào)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，來(lái)計(jì)算監(jiān)測(cè)裝置的植物4的蒸騰速率。對(duì)于通過(guò)濕度傳感器3產(chǎn)生的信號(hào)，處理任選和優(yōu)選包括例如通過(guò)計(jì)算濾過(guò)信號(hào)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，來(lái)計(jì)算植物4的吸水速率。

處理還可包括例如通過(guò)計(jì)算信號(hào)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，來(lái)計(jì)算監(jiān)測(cè)裝置上的植物4的生長(zhǎng)速率。處理還可包括將計(jì)算的蒸騰速率與來(lái)自燈芯28的蒸發(fā)速率進(jìn)行比較。處理還可包括計(jì)算各植物的蒸騰速率與其生長(zhǎng)速率間的比率。處理還可包括計(jì)算植物4的根吸水作為SWC的時(shí)間導(dǎo)數(shù)。

在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，處理包括計(jì)算葉相對(duì)含水量(RWC)的變化性，并將植物歸類為以下之一的分類群：(i)顯示等水行為的植物的分類群，和(ii)顯示非等水行為的植物的分類群。例如，當(dāng)特定植物的葉RWC的變化性高于預(yù)先確定的RWC變化性閾值時(shí)，處理器可將植物歸類為非等水的，而當(dāng)特定植物的葉RWC的變化性低于預(yù)先確定的RWC變化性閾值時(shí)，處理器可將植物歸類為等水的。RWC變化性閾值可以百分比表示。適于本發(fā)明實(shí)施方案的代表性RWC變化性閾值包括而不限于約5%或約10%或約15%或約20%。

RWC變化性的測(cè)量?jī)?yōu)選在預(yù)先確定的時(shí)間內(nèi)，其可以是而不限于約1小時(shí)至約一天。因此，例如，當(dāng)在預(yù)先確定的時(shí)間內(nèi)相對(duì)于基線RWC，葉的RWC改變超過(guò)P%時(shí)，處理器可將植物歸類為非等水的，而當(dāng)在預(yù)先確定的時(shí)間內(nèi)相對(duì)于基線RWC，葉的RWC改變小于P%時(shí)，處理器可將植物歸類為等水的，其中P為約5-約20。基線RWC可方便地設(shè)置為100%，當(dāng)可選擇任何其它的基線水平。

RWC的變化性可根據(jù)根攝入率和蒸騰速率計(jì)算。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，對(duì)根攝入率和蒸騰速率間的差異隨時(shí)間求積分，將積分的結(jié)果除以植物的重量以求出RWC的變化性。積分優(yōu)選但不必是離散積分。以下的實(shí)施例部分提供所述計(jì)算的代表性實(shí)例。

處理站8還任選和優(yōu)選包括用戶輸入裝置48，其可為鍵盤50或計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)52，可允許用戶將任何相關(guān)信息輸入存儲(chǔ)器44中，所述信息例如在各個(gè)監(jiān)測(cè)裝置中的植物4的標(biāo)識(shí)符、在其下獲得信號(hào)的環(huán)境條件。顯示裝置54用來(lái)顯示任何輸入信號(hào)或任何處理的結(jié)果。

按照本發(fā)明的至少一些實(shí)施方案，信號(hào)處理在兩個(gè)或更多個(gè)時(shí)期的每一個(gè)內(nèi)進(jìn)行。通常，通過(guò)植物群所暴露的一組的一個(gè)或多個(gè)環(huán)境條件表征兩個(gè)或更多個(gè)時(shí)期的每一個(gè)。在一個(gè)時(shí)期內(nèi)，環(huán)境條件可以是對(duì)照環(huán)境條件，而在另一個(gè)時(shí)期內(nèi)，環(huán)境條件可以是脅迫條件。系統(tǒng)1因此可進(jìn)一步包括用于在植物4的環(huán)境中產(chǎn)生所需條件的裝置(圖11中未顯示)。所述裝置可包括用于產(chǎn)生所需溫度、濕度、水鹽分等的裝置。

可配置處理器46以使蒸騰速率歸一化至各植物葉的表面積或至葉中的氣孔密度?？砂幢绢I(lǐng)域已知，使用掃描儀測(cè)定葉的表面積。

對(duì)于每個(gè)時(shí)期，處理可任選和優(yōu)選包括計(jì)算在一段期間內(nèi)在群中觀察到的蒸騰速率的平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差或蒸騰速率和生長(zhǎng)速率間的比率。處理可任選和優(yōu)選還包括按照下面更詳細(xì)描述的本領(lǐng)域的任何已知方法使信號(hào)的任何波動(dòng)或其它噪聲平滑。然而，應(yīng)注意到，信號(hào)仍可振蕩，表示植物蒸騰速率的振蕩，而非噪聲。

處理可任選和優(yōu)選進(jìn)一步包括根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析評(píng)定群中各植物的等級(jí)，例如，根據(jù)其蒸騰速率或其蒸騰速率和生長(zhǎng)根攝取的比率和脅迫耐受性評(píng)定植物的等級(jí)。任選比較多個(gè)植物群間的平滑蒸騰速率圖，另外或備選振蕩蒸騰速率圖之間的差異，所述植物群可例如任選根據(jù)物種、物種內(nèi)的品系或所述品系的遺傳修飾形式而不同；對(duì)于最后的選擇，任選將特定品系的一個(gè)或多個(gè)遺傳修飾的形式與非修飾品系或與修飾品系的其它形式進(jìn)行比較。

要認(rèn)識(shí)到，為清楚起見(jiàn)在單獨(dú)的實(shí)施方案的情況下描述的本發(fā)明的某些特征，也可在單一實(shí)施方案中組合提供。相反地，為簡(jiǎn)明起見(jiàn)在單一實(shí)施方案的情況下描述的本發(fā)明的各種特征，也可單獨(dú)或以任何合適的亞組合或在本發(fā)明的任何其它描述的實(shí)施方案中合適地提供。在不同實(shí)施方案的情況下描述的某些特征不被視為那些實(shí)施方案的必要特征，除非實(shí)施方案沒(méi)有那些要素便無(wú)效。

在下列實(shí)施例中提供如上文描述和如隨附權(quán)利要求書部分要求保護(hù)的本發(fā)明的不同實(shí)施方案和方面的實(shí)驗(yàn)支持。

實(shí)施例

現(xiàn)參照下列實(shí)施例，所述實(shí)施例與上述描述一起以非限制性方式說(shuō)明本發(fā)明的一些實(shí)施方案

實(shí)施例1

在Faculty of Agricultural, Food and Environmental Quality Sciences, Rehovot, Israel，使用本發(fā)明的系統(tǒng)在溫室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。該系統(tǒng)包括3.9升種植盆，該盆放置在與CR10數(shù)據(jù)記錄器(Campbell, scientific inc. USA)連接的溫度補(bǔ)償?shù)臏y(cè)壓元件(Tadea-Huntleigh，Israel)上。盆裝入商品化種植介質(zhì)(一種泥炭和凝灰?guī)r熔渣的混合物)，并使單株植物在各盆中生長(zhǎng)。將每盆通過(guò)容器頂蓋的孔沉入塑料容器(13x21.5x31.5 cm H W L)中。將盆和容器的頂部用鋁箔密封以防止蒸發(fā)。在高水平灌溉條件下，每日向容器中加水到高于盆底2 cm的高度。用過(guò)量的水灌溉易于濾去每天在種植介質(zhì)中蓄積的鹽。將商品化肥料溶液0.2% (Super Grow，Hortical Israel)加入灌溉水中，一種稱為“加肥灌溉”的過(guò)程。加肥灌溉確保a)植物不遭受水脅迫，和b)白天容器重量只通過(guò)植物蒸騰單調(diào)地減少。

在3分鐘時(shí)間段內(nèi)對(duì)每10 s記錄的盆重量讀數(shù)取平均。該平均時(shí)間段低于振蕩頻率(20-40分鐘)且高于奈奎斯特頻率(可從一組數(shù)據(jù)獲得有用信息的最高頻率)，而且發(fā)現(xiàn)對(duì)振蕩具有較小作用。在通過(guò)將70 gr鋼珠從700 mm的高度投下激發(fā)后，測(cè)壓元件讀數(shù)在2 s后穩(wěn)定(生產(chǎn)商的數(shù)據(jù))。因此，10秒鐘重量采樣間隔確保適當(dāng)遵循0.5 g/10秒鐘重量降低的最大速率。

為了從植物蒸騰速率的短期振蕩中鑒定和隔離由測(cè)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)引起的任何噪聲，將約6 kg的恒重(大致等于容器+盆+植物的質(zhì)量)放入溫室中的測(cè)壓元件上2天。

植物

使番茄植物(Solanum lycopersicom，之前稱為L(zhǎng)ycopersicon esculentum L.)在由14小時(shí)光和10小時(shí)暗構(gòu)成的光照周期中在受控環(huán)境溫室和商品化溫室兩者中生長(zhǎng)。受控環(huán)境溫室中的溫度在夜晚時(shí)間為18℃，在正午時(shí)間為35℃，在這2個(gè)極端溫度之間逐漸變化。商品化溫室中的環(huán)境條件用帶有濕墊子的風(fēng)扇控制。使脫落酸(ABA)缺陷型系sitiens栽培種(Ailsa Craig如近等基因系的背景，Andrew J. Thompson博士惠贈(zèng))和楊樹(shù)植物(銀白楊)在商品化溫室中生長(zhǎng)。在這些實(shí)驗(yàn)中使用從1年齡楊樹(shù)植物插條(高出種植介質(zhì)表面約10厘米)再生的4月齡嫩枝。

通過(guò)將放在測(cè)壓元件上的5株植物中的2株野生型番茄植物的根切下，來(lái)進(jìn)行切割番茄嫩枝實(shí)驗(yàn)(Cut tomato shoot experiment)。在晚上進(jìn)行根切除，同時(shí)將植物浸入自來(lái)水中以防氣泡滲入木質(zhì)部中。然后將番茄嫩枝浸入含有2升自來(lái)水的容器中，所述容器放置在測(cè)壓元件上。通過(guò)停止灌溉6天產(chǎn)生脫水條件。

葉面積測(cè)量；在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)立即切下番茄葉，使用自動(dòng)掃描儀(Li cor，Li 3100型面積計(jì)量?jī)x)掃描。使用便攜式葉面積掃描儀(Li cor，Li-3000A型)，在不切割葉的情況下測(cè)量楊樹(shù)葉面積。

測(cè)量垂直懸掛的編織布條(0.14 m²)的重量丟失，將所述布條的較低端浸入水中(本文稱為“濕燈芯”)。自濕燈芯的重量丟失速率提供對(duì)瞬間大氣需要的評(píng)估。與濕燈芯重量下降有關(guān)的噪聲也用來(lái)表明與對(duì)動(dòng)態(tài)單調(diào)重量變化的測(cè)壓元件響應(yīng)有關(guān)的噪聲水平。通過(guò)下面解釋的時(shí)間系列分析，對(duì)來(lái)自具有植物、濕燈芯的測(cè)壓元件的數(shù)據(jù)和恒重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。

數(shù)據(jù)分析

通過(guò)所測(cè)重量時(shí)間系列的一階導(dǎo)數(shù)，計(jì)算容器的水分流失速率，為全植物蒸騰(WPT)速率的負(fù)值

其中W_k和W_k+1是在時(shí)間t_k和隨后的時(shí)間步長(zhǎng)t_k+1測(cè)量的容器重量。一般來(lái)說(shuō)，微分法起高通濾波器的作用，因此顯著放大高頻噪聲。噪聲可通過(guò)平滑(消除長(zhǎng)期趨勢(shì))所測(cè)數(shù)據(jù)(時(shí)間系列)降低或消除，使得它在光譜分析之前變成固定的。引導(dǎo)變分模式(leading variation pattern)的微分法提供平滑圖形WPT速率。任何方法均可用于平滑數(shù)據(jù)，包括非參數(shù)平滑(例如移動(dòng)平均數(shù)、Savitzky-Golay和FFT過(guò)濾)和非參數(shù)回歸(將若干階的多項(xiàng)式、指數(shù)函數(shù)、對(duì)稱和不對(duì)稱轉(zhuǎn)移函數(shù)等擬合至所測(cè)數(shù)據(jù))。

本文假設(shè)容器-重量時(shí)間系列遵循累加模型

其中W為在時(shí)間t_k的重量，假如它隨時(shí)間平緩變化，為與該值的偏差。在平滑時(shí)間系列上疊加的系統(tǒng)重量振蕩也是時(shí)間系列，被稱為“殘差時(shí)間系列” (殘差是所測(cè)數(shù)據(jù)和擬合曲線之間的差異)。當(dāng)殘差時(shí)間系列的均值為零時(shí)，所測(cè)時(shí)間-系列的趨勢(shì)被適當(dāng)?shù)厝コ?。我們假定殘差時(shí)間系列 (方程式2)是2個(gè)時(shí)間系列的疊加；一個(gè)由起源于數(shù)據(jù)采集和其它系統(tǒng)相關(guān)噪聲的殘差造成，，另一個(gè)來(lái)自起源于WPT的固有振蕩的殘差，。對(duì)于恒重、濕燈芯和植物運(yùn)行的獨(dú)立測(cè)量的時(shí)間系列被用來(lái)通過(guò)自相關(guān)函數(shù)研究和的性質(zhì)并檢查其隨機(jī)性(白噪音)。

的光譜分析來(lái)用探索循環(huán)模式的存在。光譜分析將具有周期分量的復(fù)雜時(shí)間系列分解成少數(shù)特定波長(zhǎng)的基礎(chǔ)正弦波(正弦和余弦)函數(shù)。通過(guò)鑒定重要的基礎(chǔ)周期分量，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)現(xiàn)象的特性，即鑒定WPT速率中基礎(chǔ)周期分量的波長(zhǎng)和重要性。這種光譜分析顯示時(shí)間系列中不同長(zhǎng)度的周期。

殘差時(shí)間系列的光譜(振幅與頻率)通過(guò)快速傅里葉變換(FFT)計(jì)算，所述快速傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)或時(shí)間系列分解成復(fù)指數(shù)(正弦和余弦)。恒重殘差時(shí)間系列的光譜將用來(lái)確定頻率閾值，所述頻率閾值可用來(lái)從植物-重量殘差時(shí)間系列濾出高頻噪聲(低通濾波器)。隨后，通過(guò)逆FFT將過(guò)濾光譜重建成時(shí)間系列(在時(shí)域中)。重建的低通過(guò)濾的時(shí)間系列的時(shí)間導(dǎo)數(shù) (為的低通濾波)提供使平滑WPT速率疊加的振蕩蒸騰速率。

實(shí)驗(yàn)1

全植物蒸騰(WPT)速率的振蕩

圖1A顯示在溫度受控的溫室中生長(zhǎng)的對(duì)照番茄植物在夜晚和隨后的白天時(shí)間內(nèi)通過(guò)蒸騰的典型的實(shí)測(cè)重量變化。通過(guò)如圖1B所示的實(shí)測(cè)重量時(shí)間系列的時(shí)間導(dǎo)數(shù)(方程式1)計(jì)算WPT速率。該時(shí)間導(dǎo)數(shù)有噪聲，盡管表觀相對(duì)平滑重量減輕圖形(圖1A)。噪聲振幅在夜晚和上午早期時(shí)間較低，隨后增加，在上午后期和下午早期時(shí)間達(dá)到最大，并在晚上時(shí)間再次下降。平滑圖形附近的重量振蕩通常被視為隨機(jī)信號(hào)(白噪音)，其不含有關(guān)蒸騰速率的圖形及其依賴于環(huán)境條件的有用信息，因此在數(shù)據(jù)平滑過(guò)程中忽略。

或者，通過(guò)先使重量時(shí)間系列平滑，然后計(jì)算時(shí)間導(dǎo)數(shù)，來(lái)計(jì)算WPT速率(圖1B)。使用30個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)窗口寬度，通過(guò)Savitzky-Golay (S-G)方法使度量-重量時(shí)間系列平滑。該平滑方法基于數(shù)據(jù)內(nèi)移動(dòng)窗口間的最小平方二次多項(xiàng)式(盡管也可使用較高級(jí)次)擬合。S-G方法可應(yīng)用于過(guò)濾窗口的不同寬度，并且被視為產(chǎn)生精確平滑導(dǎo)數(shù)的非常好的方法，為其中蒸騰/蒸發(fā)速率通過(guò)重量減輕的導(dǎo)數(shù)測(cè)定的本研究的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。用針對(duì)寬范圍的過(guò)濾窗口寬度的S-G方法獲得非常高的R²值，并且由于過(guò)濾窗口寬度減小，擬合改進(jìn)。然而，由于過(guò)濾窗口寬度減小，預(yù)測(cè)的吸水圖形包括較低頻率和較高振幅的振蕩，并且對(duì)于極窄窗口R²→1，這意味著平滑曲線穿過(guò)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，且導(dǎo)數(shù)的圖形與所測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)值微分法獲得的相同(圖1B)。圖1B顯示之前用S-G方法針對(duì)全植物平滑的數(shù)據(jù)時(shí)間系列的時(shí)間導(dǎo)數(shù)。

圖2A、B、C分別顯示全植物、濕燈芯和恒重的重量變化速率的平均振蕩和疊加振蕩。之后說(shuō)明了計(jì)算振蕩蒸騰速率的方法。全植物、濕燈芯和恒重的不同的振蕩圖形表明WPT速率的振蕩的確是一種生理現(xiàn)象，在測(cè)壓元件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獨(dú)立于噪聲或在環(huán)境條件下的直接振蕩。

為了排除WPT速率中的振蕩是系統(tǒng)和環(huán)境噪聲的可能性，通過(guò)計(jì)算信號(hào)的自相關(guān)，針對(duì)隨機(jī)性(白噪音)檢查了全植物、濕燈芯和恒重的殘差(所測(cè)數(shù)據(jù)和通過(guò)S-G方法時(shí)間系列的數(shù)據(jù)平滑之間的差異)。圖3A、C、E分別顯示3種情況的自相關(guān)函數(shù)。受控重量殘差時(shí)間系列的自相關(guān)函數(shù) (圖3E)在滯后=0時(shí)具有強(qiáng)峰，且對(duì)于所有其它的滯后接近零。該形狀表明可被視為白噪音。與此相反，全植物殘差時(shí)間系列自相關(guān)函數(shù) (圖3A)對(duì)前200滯后是周期性的，其中峰與峰間的差異平均為40滯后。這表明了全植物殘差時(shí)間系列可與白噪音相區(qū)分。濕燈芯的自相關(guān)函數(shù)(圖3C)表明該數(shù)據(jù)的殘差時(shí)間系列也不是隨機(jī)的。在這種情況下隨機(jī)性偏離可與溫室內(nèi)環(huán)境條件的改變相關(guān)。全植物與濕燈芯的自相關(guān)函數(shù)之間(分別為圖3A和C)和兩者與恒重的自相關(guān)函數(shù)之間(圖3E)的顯著差異表明全植物的殘差時(shí)間系列含有與使平滑重量減輕圖形疊加的振蕩植物蒸騰圖形相關(guān)的非隨機(jī)噪聲，超出濕燈芯蒸發(fā)的疊加振蕩。

隨機(jī)性的其它試驗(yàn)是光譜分析，其也被用來(lái)從“有色”噪聲中過(guò)濾白(隨機(jī))噪聲。圖3B、D和F分別顯示全植物、浸水燈芯和恒重殘差時(shí)間系列的光譜。恒重大體平坦的光譜(圖3F)表明其殘差時(shí)間系列幾乎是隨機(jī)信號(hào)(白噪音)。全植物的光譜(圖3B)在低于2.5 h^-1的頻率下具有高振幅，在較高頻率下具有較低的振幅。濕燈芯光譜在低于2 h^-1的頻率下具有高振幅(仍低于全植物)，在較高頻率下具有較低的振幅。為了過(guò)濾白噪音，在進(jìn)一步分析前，對(duì)低于2 h^-1的一段過(guò)濾器通過(guò)頻率對(duì)兩種光譜進(jìn)行低通過(guò)濾。重建的低通過(guò)濾的殘差時(shí)間系列的時(shí)間導(dǎo)數(shù)分別顯示植物的WPT速率的振蕩和使平均蒸騰/蒸發(fā)速率疊加的濕燈芯的蒸發(fā)速率(圖2A、B)。對(duì)于不同天數(shù)和不同環(huán)境條件的植物獲得圖2和3中的相似結(jié)果。

干旱對(duì)WPT速率圖形的振蕩的作用

圖4A顯示通過(guò)逐漸消耗種植介質(zhì)中的水獲得的5天脫水對(duì)瞬間WPT速率(平滑振蕩的)作用。圖4B中分別顯示疊加在圖4A中的平滑圖形上的WPT速率中所觀察到的振蕩圖形。在圖4的第1天之前的晚上提供最后一次灌溉。出于比較，在圖4C中顯示了濕燈芯的平滑和振蕩蒸發(fā)速率，且在圖4D中分別顯示了疊加在圖4C中的平滑圖形上的蒸發(fā)的振蕩圖形。圖4顯示：1)在前兩天植物可獲得水以滿足大氣需要，且平滑和振蕩WPT速率的特征圖形與圖2A所示的特征圖形類似。平滑蒸騰速率圖形在每天具有兩個(gè)峰(圖4A)；早晨一個(gè)較低峰和和午后一個(gè)較高峰。2)由于種植介質(zhì)中水消耗所致，蒸騰速率在最后兩天顯著降低。這些天每一天的兩個(gè)峰具有相似的高度，它們之間有明顯的下降。與全植物的每日兩峰圖形不同，平滑濕燈芯蒸發(fā)速率的恒定值中有一個(gè)峰(圖4C)。單個(gè)每日峰的計(jì)時(shí)與平滑WPT速率的第二峰一致。3) WPT速率的振蕩圖形明顯不同于濕燈芯蒸發(fā)速率的振蕩圖形，后者在白天時(shí)間內(nèi)具有一致的振幅值，略不同于夜晚時(shí)間的振幅值(圖4C、D)。相比之下，WPT速率的每日振蕩圖形隨時(shí)間顯著變化。它在夜晚時(shí)間低，在9:00 AM左右開(kāi)始增加，接近正午和下午早期加強(qiáng)，此時(shí)VPD和蒸騰速率高，并在下午較后時(shí)間逐漸降低(圖4A、B)。白天和夜晚時(shí)間WPT和蒸發(fā)速率間振蕩振幅的顯著差異(分別為圖4B和D)表明WPT速率的振蕩是與變化的周圍環(huán)境條件有關(guān)的固有生理過(guò)程。4) WPT速率振蕩的振幅取決于水可用性，如圖4A、B中最后2天可見(jiàn)。在前3天其相對(duì)于正午時(shí)間內(nèi)平滑蒸騰速率的值高得多。5)預(yù)料不到地，觀察到振蕩夜晚蒸騰速率圖形(圖4A、B)；在前3個(gè)夜晚較高并且在隨后的2個(gè)夜晚接近零。

全植物與切離嫩枝

圖5顯示典型的番茄全植物、切離嫩枝的平滑WPT速率和疊加振蕩及濕燈芯的蒸發(fā)速率和疊加振蕩。圖5D顯示“母體”植物(其結(jié)果見(jiàn)圖5C)的嫩枝的結(jié)果。與兩峰每日平滑WPT速率圖形(圖2、4和5A-C)不同，切離嫩枝的平滑蒸騰速率圖形(圖5D)在早晨具有單峰，接著蒸騰速率的單調(diào)下降。如前所見(jiàn)(圖2和4A)，WPT速率的每日第二峰與濕燈芯的單峰一致(圖5E、F)。注意，圖5D中的單峰高于此時(shí)(圖5B)和之前白天同一時(shí)間(圖5A、C)的全植物的瞬間蒸騰速率，可能由于在全植物中流動(dòng)的根阻力所致。嫩枝蒸騰速率的振蕩圖形和振幅(圖5D)總的來(lái)說(shuō)與自濕燈芯的蒸發(fā)速率獲得的類似(圖5E、F)，且兩者均低于WPT速率的振蕩圖形和振幅(圖5A-C)。

ABA缺陷型突變體

圖6顯示ABA缺陷型sitiens植物和對(duì)照植物的振蕩和平滑WPT速率和濕燈芯的蒸發(fā)速率和疊加振蕩的代表性結(jié)果。因?yàn)楸容^兩種不同的植物，所以使蒸騰速率歸一化至各植物的葉面積，并使?jié)駸粜練w一化至其自身的表面積。當(dāng)與對(duì)照相比時(shí)，sitiens突變體顯示顯著較高的每日蒸騰速率(圖6A)。與對(duì)照植物相比，這些植物顯示特有的和高得多的振幅和頻率振蕩圖形。這些振蕩始于黎明時(shí)，并持續(xù)一整天(圖6B和C)。雖然sitiens植物在早晨9 AM左右失去膨脹，但它在一整天繼續(xù)蒸騰，并在夜晚保持膨脹度。

與作為較高木質(zhì)部脆弱植物的楊樹(shù)比較

圖7顯示2株楊樹(shù)(Populus alba)植物的振蕩和平滑WPT速率和濕燈芯的蒸發(fā)速率和疊加振蕩的代表性結(jié)果。使蒸騰速率歸一化至各植物的葉面積。楊樹(shù)相對(duì)的低蒸騰速率是(與燈芯大致相同)由于其尺寸小所致(圖7)。楊樹(shù)植物的振蕩圖形與對(duì)照番茄植物大不相同(圖2和4-6)，但與sitiens植物的類似(圖6)。如WPT的黎明后振蕩檢測(cè)的(圖7)，振蕩加劇，并在整個(gè)白天時(shí)間保持相同圖形。該蒸騰速率圖形(包括振蕩)可能與番茄和楊樹(shù)之間空腔脆弱性脅迫(cavitation vulnerability stress)的差異有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)2

針對(duì)蒸騰模式測(cè)試等基因番茄突變

在近交品種M82的遺傳背景下的等基因番茄“突變文庫(kù)”中應(yīng)用本發(fā)明的方法。該文庫(kù)的田間預(yù)篩選得到甚至在用水充分澆灌的營(yíng)養(yǎng)物供應(yīng)條件下顯示萎蔫反應(yīng)的29個(gè)突變體品系。各品系成員的量自1到11變化，總共350株個(gè)體。

篩選方法包括6個(gè)十分靈敏的溫度補(bǔ)償測(cè)壓元件(稱重土壤滲透儀)，所述元件與數(shù)據(jù)記錄器連接，并每3分鐘采樣。將單一盆栽植物置于測(cè)壓元件上1-2天。時(shí)間取決于鑒定與對(duì)照植物和浸水燈芯相比受測(cè)突變體的蒸騰模式的能力(提供有關(guān)大氣需要的信息)。通過(guò)用鋁箔覆蓋種植介質(zhì)表面來(lái)防止盆表面的蒸發(fā)。每天傍晚對(duì)植物進(jìn)行水肥混合灌溉。將盆浸入容器中以保持根的恒定的水可用性。從350株植物中，鑒定出表示兩個(gè)突變體品系2株單獨(dú)的植物。

2株植物(選自在溫室中同時(shí)監(jiān)測(cè)的系列中的42株植物)表示干旱處理期間蒸騰速率的2種不同模式(策略)。該圖表示在高通量選擇過(guò)程中PLANTarray所用的5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之一(參見(jiàn)材料與方法)。

突變體#30，具有低于對(duì)照植物40%的葉面積(圖8)蒸騰相似的水量(圖9a)，即每葉面積單位較高的蒸騰速率。突變體#7，具有比對(duì)照植物小得多的葉面積(圖8)蒸騰比對(duì)照少得多(圖9b)。尋找突變體間蒸騰差異的原因，我們發(fā)現(xiàn)氣孔孔徑大小(圖10)和密度顯著改變。與對(duì)照(17± 0.14；均值± SE，N=29)相比，突變體#7的每0.1 (mm)²葉尺寸的平均氣孔數(shù)顯著較低(11± 0.16；均值± SE，N=29)，而其它突變體(#30)每0.1 (mm)²葉具有顯著較高的氣孔數(shù)(23± 0.16；均值± SE，N=29)。與對(duì)照相比(26.94±12.4；均值± SE，N=29)，突變體#30的平均氣孔孔徑顯著較小(11.86 ± 6.3；均值± SE，N=29)，其中突變體#7平均氣孔孔徑顯著較高(66±12.4：均值± SE，N=29；P值= 0.001)。

這些結(jié)果允許在約8周監(jiān)測(cè)后在350株植物群中鑒定出氣孔缺陷突變體，這顯著短于常規(guī)的田間篩選方法。

實(shí)施例2

不完全了解在面臨土壤水分可用性和大氣水分需要的波動(dòng)時(shí)維管植物管理其水分平衡所采用的不同策略的調(diào)整。

該實(shí)施例涉及對(duì)在響應(yīng)土壤水分可用性和大氣需要間的失衡時(shí)，在等水和非等水番茄(Solanum lycopersicum)品系中水分內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的動(dòng)力學(xué)和動(dòng)態(tài)學(xué)進(jìn)行的研究。除環(huán)境輻射亮度和蒸氣壓不足以外，采用根據(jù)自稱重裝置和SWC推導(dǎo)的蒸騰速率和根吸水間的差異連續(xù)監(jiān)測(cè)全植物蒸騰速率、根-嫩枝水通量比率的新系統(tǒng)，在特定環(huán)境條件下表征植物的行為。同時(shí)從幾十株植物中收集這些測(cè)量數(shù)據(jù)，支持所有植物的全植物氣孔導(dǎo)度、用水效率、相對(duì)含水量變化和導(dǎo)水率的計(jì)算(還考慮根吸水計(jì)算相對(duì)含水量變化)。各種SWC水平下兩個(gè)栽培種的幾種水通道蛋白(AQP)的表達(dá)譜顯示2種液泡膜AQP (TIP)和1種質(zhì)膜AQP (PIP)的表達(dá)的差異。

該實(shí)施例顯示將等水與非等水行為區(qū)分開(kāi)來(lái)的主要特征是葉相對(duì)含水量的變化性(RWC)。在兩個(gè)品系中，葉水勢(shì)隨干旱發(fā)展而降低。然而，與在非等水品系中相比，在等水品系中，RWC在較窄的范圍內(nèi)波動(dòng)。下面還描述了液泡特別是其TIP對(duì)調(diào)節(jié)葉片水分狀況和用于蒸騰的不間斷供水的動(dòng)態(tài)緩沖作用。

材料與方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)置

該研究在位于以色列Rehovot的Faculty of Agriculture, Food and Environment的溫室中在2011年12月和2012年6月進(jìn)行(分別稱為冬季和夏季實(shí)驗(yàn))。在溫室中，將植物保持在自然光條件下，并使用通風(fēng)孔和/或冷卻的濕空氣以確保溫室中的最高溫度不超過(guò)35℃。溫度和相對(duì)濕度在夏季實(shí)驗(yàn)中為25-35℃和40-60%的范圍，在冬季實(shí)驗(yàn)中為18-35℃和20-35%。實(shí)驗(yàn)設(shè)置包括42個(gè)置于溫度補(bǔ)償?shù)臏y(cè)壓元件(1042 C4；Vishay Intertechnology，USA)上的3.9-L盆。將盆裝載商品化種植介質(zhì)(Matza Gan；Shaham，Givat-Ada，Israel)，每盆含1株植物。自此，該種植介質(zhì)可稱為“土壤”。將每盆通過(guò)其頂蓋上的孔放入塑料容器(13 × 21.5 × 31.5 cm；高×寬×長(zhǎng))中。土壤表面和容器用鋁箔覆蓋以避免蒸發(fā)。將土壤濕度傳感器(5TE；Decagon Devices，USA)放置在各盆中。通過(guò)校準(zhǔn)傳感器測(cè)定Topp三階多項(xiàng)式方程(Topp等，1980)的特定系數(shù)。

在充分灌溉處理時(shí)，每日用水裝入容器中以確保一整天的水可用性，并避免日間對(duì)任何補(bǔ)充灌溉的需要，這可能產(chǎn)生重量。在干旱處理時(shí)不供水。各個(gè)容器中的排水孔保持容器中水的水平在每次澆水后高于盆底2 cm。過(guò)量灌溉旨在防止鹽在土壤中的任何蓄積。這種設(shè)置確保了容器重量在白天進(jìn)程中只因植物蒸騰而單調(diào)地降低。每日與灌溉水一起以0.2% (v/v)供應(yīng)商品化肥料溶液(Super Grow 6-6-6+3；Hortical，Kadima，Israel) (加肥灌溉)。

將6個(gè)濕燈芯置于另外6個(gè)測(cè)壓元件上，其輸出提供環(huán)境條件對(duì)蒸騰的作用的參考。各燈芯為編織的地板抹布，將其下部分浸入水中。使用傳感器(HC2-S3-L；Rotronic，Switzerland和LI-COR 190 Quantum Sensor；LI-COR，USA)監(jiān)測(cè)溫室中的溫度和相對(duì)濕度和光合有效輻射(PAR)。

將稱重土壤滲透儀、土壤濕度傳感器和環(huán)境傳感器通過(guò)AM16/32B多路復(fù)用器(Campbell Scientific，USA)與CR1000數(shù)據(jù)記錄器連接。每15秒鐘記錄稱重土壤滲透儀和環(huán)境傳感器的讀數(shù)，并且將每3分鐘時(shí)期的平均數(shù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)記錄器中用于進(jìn)一步分析。每3分鐘測(cè)量土壤濕度。

該研究包括番茄植物(Solanum lycopersicum)的2個(gè)品系MP1和M82，其分別顯示非等水和等水行為。各實(shí)驗(yàn)包括3個(gè)階段。在第一個(gè)階段，稱為預(yù)處理，每日灌溉植物(參見(jiàn)上文詳情)。在第二個(gè)階段，稱為干旱處理，終止灌溉。在第三個(gè)階段，稱為恢復(fù)處理，重新開(kāi)始每日灌溉。在完成所有這些階段后，取出植物嫩枝，稱重并測(cè)量各嫩枝的葉面積(LI-COR 3100面積計(jì)量?jī)x；LI-COR，USA)。

在干旱處理期間的不同的3天同時(shí)測(cè)量葉水勢(shì)(Ψ_葉) (Arimad 3000 Pressure Chamber；MRC，Israel)和相對(duì)含水量(RWC)。每次測(cè)量包括經(jīng)過(guò)相似SWC水平(~80%、~50%和~20%)處理的各品系的5株植物。在白天6 am、10 am和2 pm當(dāng)盆中的含水量達(dá)到規(guī)定的SWC水平時(shí)，收集測(cè)量數(shù)據(jù)。從每株植物的單片葉中收集測(cè)量數(shù)據(jù)。采用Sade等(2009)中描述的方案，評(píng)價(jià)RWC。

根據(jù)黎明前(W_m)和晚上(W_e)的測(cè)壓元件讀數(shù)之間的差異，計(jì)算植物每日蒸騰(PDT)。W_m和W_e計(jì)算為30分鐘時(shí)間內(nèi)的平均重量。當(dāng)在灌溉事件后從容器中的排水結(jié)束時(shí)，根據(jù)連續(xù)兩天早晨(分別為k+1和k)容器重量間的差異(W_k+1 - W_k)，測(cè)定每日植物重量增加(ΔPW_k)。注意由于排水受容器壁中的孔控制，只由植物重量增加決定所觀察到的重量差異。

對(duì)農(nóng)藝用水效率(WUE) (定義為植物重量增加(ΔPW)和蒸騰的水量之間的比率)進(jìn)行了評(píng)估，而不是評(píng)估植物的生理用水效率(累積的CO₂分子和蒸發(fā)的H₂O分子間的比率)。通過(guò)擬合在預(yù)處理階段累積植物重量增加與累積水蒸騰的線性曲線，測(cè)定各品系的WUE。在干旱處理進(jìn)程中每日植物重量增加應(yīng)用以下方程式2.1計(jì)算，其中WUE為各品系的擬合線性曲線的斜率。

計(jì)算每株植物的葉面積比率(LAR) (定義為實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)葉面積(LA)和嫩枝重量之間的比率)，并對(duì)不同的品系取平均。還計(jì)算了不同植物的嫩枝-重量比率(SWR) (定義為實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)所測(cè)嫩枝重量和計(jì)算的植物重量之間的比率) (對(duì)于兩個(gè)品系SWR = 0.6)。葉面積(單位：cm²)應(yīng)用以下方程式2.2估算。

全植物蒸騰速率[ET (g/h)]是白天重量減輕的一階時(shí)間導(dǎo)數(shù)的負(fù)值。重量數(shù)據(jù)的數(shù)值導(dǎo)數(shù)有噪聲，應(yīng)在計(jì)算導(dǎo)數(shù)前進(jìn)行數(shù)據(jù)-平滑程序。將Savitzki-Golay (1964)方法用于此目的(Wallach等，2010)。通過(guò)將平滑SWR數(shù)據(jù)的一階導(dǎo)數(shù)(采用盆重量數(shù)據(jù)所用的相同方法測(cè)定)乘以盆中種植介質(zhì)的體積，計(jì)算根攝入率j_r。在預(yù)先確定的時(shí)間內(nèi)的水流入量(根攝取)和水流出量(蒸騰)間的差異誘導(dǎo)植物RWC的變化。瞬間全植物RWC變化(ΔRWC)為自午夜(n = 0；RWC = 100%)開(kāi)始的RWC變化的總和除以植物重量。在方程式2.3 (下文所示)中，Δt為采樣事件間的時(shí)間間隔(0.05小時(shí))，PW為特定天的植物重量。

蒸氣壓不足(VPD)為飽和空氣的蒸氣壓和環(huán)境空氣的蒸氣壓之間的差異(單位：KPa)。在植物中，這是指氣孔下腔中的壓力和大氣壓之間的差異。在方程式4 (下文所示)中，T為空氣溫度(℃)，RH為相對(duì)濕度(0-1)，0.611為0℃下的飽和蒸氣壓，17.502和240.97為常數(shù)(Buck，1981)。

歸一化至植物葉面積的蒸騰速率(E [mmol sec^-1 m^-2])等同于通過(guò)氣體交換裝置測(cè)量的公值，但是指全植物，不僅僅是通過(guò)裝置測(cè)量的小面積。冠層蒸氣導(dǎo)度(gs_c [mmol sec^-1 m^-2])可應(yīng)用方程式2.5計(jì)算，其中P_atm為大氣壓(101.3 KPa)。

通過(guò)將van Genuchten模型(Van-Genuchten，1980)擬合至所采集的ψ(θ)數(shù)據(jù)，計(jì)算ψ(θ)之間的關(guān)系的特征曲線(其中ψ為土壤基質(zhì)電勢(shì)，θ為SWC)和土壤導(dǎo)水率函數(shù)K(θ)。

表1

用于該研究的種植介質(zhì)的van Genuchten模型參數(shù)

植物導(dǎo)水率

一般來(lái)說(shuō)，全植物導(dǎo)水率等于蒸騰(E，歸一化至葉面積)除以葉(Ψ_葉)和根之間的勢(shì)差。在該研究中不測(cè)量根電勢(shì)，所以我們假設(shè)黎明前葉水勢(shì)(Ψ_PD)與根電勢(shì)平衡(Holloway-Phillips和Brodribb，2011)。因此，全植物導(dǎo)水率(K_植物)應(yīng)用以下方程式2.6計(jì)算：

蒸騰與土壤含水量

比較不同植物隨時(shí)間推移的行為可導(dǎo)致錯(cuò)誤的推論，因?yàn)槲丛谙嗨频乃捎眯运较卤容^植物的固有參數(shù)。在某一時(shí)間，比其它植物蒸騰多的植物將面對(duì)較低的SWC水平。為此，將植物的蒸騰(E)對(duì)SWC (θ)作圖。所提供的每日E和θ值為在11 am和1 pm之間觀察到的平均值。應(yīng)用方程式2.7以擬合各番茄品系的E(θ)數(shù)據(jù)。在方程式2.7中，E_max、b和θ_cr為模型擬合參數(shù)。

數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Matlab軟件(MathWorks，USA)進(jìn)行所有的數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)集包括每日數(shù)據(jù)(每株植物每天1個(gè)值)和每3分鐘計(jì)算的連續(xù)數(shù)據(jù)(每株植物每天480個(gè)值)。在P < 0.05下被視為顯著不同的均值利用Student t檢驗(yàn)和單因素ANOVA比較(在圖例中注釋)。對(duì)于兩個(gè)品系方程式2.7的參數(shù)比較使用95%置信區(qū)間進(jìn)行。非重疊置信區(qū)間標(biāo)示在P < 0.05下的顯著性差異。

氣孔孔徑和密度

如(Geisler和Sack，2002)中的詳述將背軸葉氣孔印在玻璃上。在夏季實(shí)驗(yàn)約11 am時(shí)采用所有樣品。對(duì)氣孔計(jì)數(shù)，并在安裝了Hitachi (Hitachi；Japan) HV-D30 CCD照相機(jī)的亮場(chǎng)倒置顯微鏡(Zeiss 1M7100；Zeiss，Jena，Germany)下拍照。稍后應(yīng)用ImageJ軟件面積測(cè)量工具，分析氣孔圖像以測(cè)定孔徑尺寸。將顯微鏡標(biāo)尺(Olympus；Tokyo，Japan)用于尺寸校準(zhǔn)。

定量PCR (qPCR)定量分析基因表達(dá)

在與用于測(cè)量RWC和葉水勢(shì)的其它葉片相同的時(shí)間收獲用于該分析的番茄葉(參見(jiàn)上文“實(shí)驗(yàn)設(shè)置”)。使用Tri-Reagent (Molecular Research Center，USA)提取總的RNA，并用無(wú)RNA酶的DNA酶(Fermentas，Vilnius，Lithuania)處理。按照生產(chǎn)商說(shuō)明書，使用EZ-First Strand cDNA Synthesis Kit (Biological Industries，Israel)制備cDNA。在Corbett Research Rotor-Gene 6000 Cycler中，在SYBR Green I (Takara，Japan)存在下進(jìn)行qPCR。番茄β-肌動(dòng)蛋白基因(Sade等，2012)用為參比用于cDNA量的標(biāo)準(zhǔn)化。反應(yīng)程序如下：94℃下30秒鐘，接著由94℃下10秒鐘、在60℃下30秒鐘組成的40個(gè)循環(huán)，然后在72℃下再20秒鐘。用于擴(kuò)增特定片段的引物對(duì)列于下表2。

表2

結(jié)果

多種植物每日蒸騰速率的比較

兩個(gè)十分近緣的番茄品系M82和MP1用于該研究，因?yàn)?按照我們之前收集的未發(fā)表數(shù)據(jù))這些品系分別顯示等水和非等水行為。首先使用新的高通量全植物診斷系統(tǒng)定義了一組可比較的標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)，其使我們能夠強(qiáng)調(diào)在特定環(huán)境條件下的不同全植物水-調(diào)節(jié)行為的生理差異(參見(jiàn)材料與方法和圖20A-C)。

大范圍SWC (θ)水平下全植物蒸騰速率(E)和冠層蒸氣導(dǎo)度(gs_c)的觀察結(jié)果(圖13A-E)顯示MP1的E和gs_c始終高于M82品系的E和gs_c。發(fā)現(xiàn)與E隨時(shí)間推移的圖相比，對(duì)E與θ作圖(圖14A-C)提供用于比較不同植物的蒸騰調(diào)節(jié)的更多生理相關(guān)性。植物蒸騰越多SWC降低越快且越早面臨水分不足的事實(shí)為使用作為比較植物蒸騰行為基礎(chǔ)的θ提供依據(jù)。

MP1顯示更易變的蒸騰與土壤含水量比率

E隨θ作圖(圖14A-C)顯示指定環(huán)境條件下至臨界SWC水平(θ_cr)的一致的中午蒸騰水平(E_max)，且當(dāng)θ進(jìn)一步下降時(shí)E急劇減少。所述E相對(duì)于θ的變化表明只有當(dāng)θ < θ_cr時(shí)，土壤水分可用性才是限制因素；而當(dāng)SWC大于臨界水平(θ > θ_cr)時(shí)，大氣水分要求控制E。在所檢查的θ水平和光條件范圍內(nèi)，MP1的E/θ比率始終高于M82的E/θ比率，正如我們?cè)谙募?圖14A)和冬季實(shí)驗(yàn)兩者中測(cè)量的(圖14；天然輻照度的水平在冬季較低；而采用人工手段以在不同季節(jié)保持VPD在類似水平下，圖21A和圖13A)。

當(dāng)土壤中可獲得充足的水分時(shí)，植物運(yùn)送水的能力與許多生理、形態(tài)和解剖特征有關(guān)，所述特征一起決定各植物的E_max。這些近緣的番茄品系的氣孔密度和孔徑的比較顯示兩個(gè)品系相似的氣孔密度(對(duì)于MP1和M82分別為24 ± 3和21.3 ± 1.3個(gè)氣孔/0.1 mm²，均值± SE，MP1 n = 至少16片葉)，且相似的土壤-環(huán)境水勢(shì)差存在下MP1的氣孔孔徑大于M82的氣孔孔徑(分別為45.5 ± 1.6 μm²和25.2 ± 2 μm²，均值± SE，n = 至少16片葉)。因此，可以得出結(jié)論，M82顯示比MP1更保守的水分平衡管理行為。這種差異可影響相似的葉-水分狀態(tài)的氣孔反應(yīng)的差別靈敏性或葉片水分狀況(LWS)調(diào)節(jié)的不同機(jī)制的利用。

非等水和等水植物中葉片水分狀況調(diào)節(jié)中的差異

我們監(jiān)測(cè)在相似的大氣條件下在3種不同的SWC水平下計(jì)算的gs_c，葉RWC和Ψ_葉之間的關(guān)系(圖15A-C)。在夏季，在充分的土壤水分可用性下，兩個(gè)品系顯示類似的每日gs_c變化形式，即在8 am左右達(dá)到峰值，接著在1 pm左右下降，在白天后期達(dá)到平衡。兩個(gè)品系的葉RWC和Ψ_葉下降直到10 am左右，之后達(dá)到平衡。雖然在兩個(gè)品系的葉RWC形式間未記錄到差異，但MP1植物在中午之前比M82達(dá)到較低的Ψ_葉值(圖15A-C，左欄)。

在中等土壤水分可用性(40-50%，恰低于θ_cr)的條件下，gs_c的速率在兩個(gè)品系中逐漸增加，在9 am左右達(dá)到峰值，然后在白天的其余時(shí)間內(nèi)適度下降。MP1植物在整個(gè)上午時(shí)間保持較高的gs_c值，但是兩個(gè)品系間的差異在午后消失。兩個(gè)品系葉RWC形式與在充分灌溉處理時(shí)所觀察到的類似(即在早晨快速降低，在10 am左右穩(wěn)定)。然而，雖然在這種處理下中午在M82中觀察到RWC水平與在充分灌溉處理時(shí)觀察到的類似，但在這種處理下MP1植物的RWC水平比在充分灌溉處理時(shí)所觀察到的顯著較低(~6%)。另一方面，Ψ_葉，在兩個(gè)品系中在白天時(shí)間單調(diào)下降，其中觀察到M82的較高值。兩個(gè)品系間的差異在白天是顯著的(圖15A-C，中欄)。

在最低的SWC水平(10-20%)下，在兩個(gè)品系的gs_c速率間未檢測(cè)出差異，所述各gs_c速率非常低。Ψ_葉值在SWC降低時(shí)持續(xù)降低，但是在兩個(gè)品系的中午Ψ_葉值間沒(méi)有顯著性差異。然而，M82的RWC值顯著高于所觀察到的MP1的RWC值；在這些條件下MP1的含水量為~22%，低于正常灌溉條件(圖15A-C，右欄)。這些結(jié)果(在冬季實(shí)驗(yàn)中證實(shí)的，參見(jiàn)圖22)表明MP1比M82利用更多的非等水調(diào)節(jié)策略。

非等水和等水植物中全植物水分調(diào)節(jié)的差異

引人關(guān)注的是，RWC是葉片水分狀況的最保守的要素。此外，與M82形成對(duì)比，MP1在充分灌溉條件下在其RWC不降低的情況下保持較高的蒸騰水平的事實(shí)，表明MP1植物具有較高的植物導(dǎo)水率水平(K_植物)。測(cè)量SWC允許評(píng)估土壤基質(zhì)電勢(shì)和土壤導(dǎo)水率(K_土壤；圖16A)。連同葉水勢(shì)(參見(jiàn)材料與方法)和瞬間蒸騰速率(方程式2.6)一起，這些數(shù)據(jù)可用來(lái)評(píng)估植物導(dǎo)水率(K_植物；圖16B)。在充分灌溉的條件下，K_土壤不降低K_植物，K_植物保持高水平。MPI的中午K_植物比M82的更快下降，導(dǎo)致在SWC降低時(shí)MP1的K_植物較大下降。2個(gè)液壓系統(tǒng)的綜合傳導(dǎo)性(在單位調(diào)整后)為土壤–植物系統(tǒng)的導(dǎo)水率，稱為K_總 (圖16C)。

在K_土壤降低時(shí)MP1植物保持比M82植物高的蒸騰速率、導(dǎo)致MP1中K_植物較急劇下降的事實(shí)，表明這2個(gè)品系在其水分平衡調(diào)節(jié)的嫩枝-根協(xié)調(diào)形式上不同?？赏ㄟ^(guò)比較隨著水流出株冠的同時(shí)水流入根(J_根)，來(lái)評(píng)估全植物水平衡(ET；圖17A-C)。J_根通過(guò)連續(xù)測(cè)量SWC (使用土壤探頭)來(lái)測(cè)定，ET通過(guò)同時(shí)連續(xù)測(cè)量植物重量來(lái)評(píng)估(參見(jiàn)材料與方法)。兩種流動(dòng)之間無(wú)差異表明始終如一的全植物RWC；而兩種流動(dòng)間的偏差表明全植物RWC降低或增加(圖17C；材料與方法)。從MP1植物收集的每日RWC數(shù)據(jù)圖顯示，與M82相比，在嚴(yán)重的脅迫下，該品系遭受相當(dāng)大的水分流失；這個(gè)觀察結(jié)果與我們的人工葉RWC測(cè)量一致。

一般來(lái)說(shuō)，在兩個(gè)品系中，在清晨，流出植物的水分比流入植物的水分多。這之后是上午后期的流量平衡，其在正午持續(xù)，并在午后流入量大于流出量。

在不同的土壤含水量水平存在下非等水和等水植物的TIP和PIP表達(dá)譜

雖然在甚至較干燥的土壤中在M82中觀察到嫩枝-根協(xié)調(diào)的這種模式，但MP1植物顯示少得多的根-嫩枝同步，允許與攝取相比大得多的流出量。這種流動(dòng)平衡評(píng)估與MP1植物中測(cè)量的較低RWC值一致(圖15A-C和圖17A-C)。

已知質(zhì)膜固有蛋白PIP AQP控制細(xì)胞的滲透通透性和植物的導(dǎo)水率。已表明液泡膜AQP即TIP調(diào)節(jié)植物RWC和等水行為，表明了AQP可能參與造成這2個(gè)番茄品系水分平衡調(diào)節(jié)差異的細(xì)胞機(jī)制。當(dāng)我們比較從3種SWC處理中收集的MP1和M82葉中幾種TIP和PIP的表達(dá)水平時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)烈和中等干旱條件兩者下與在M82中相比，MP1中以顯著較高的水平表達(dá)兩種TIP和一種PIP (圖18)。假設(shè)4種較多TIP和一種較多的PIP (其表達(dá)水平在兩個(gè)品系中無(wú)不同或在響應(yīng)干旱條件時(shí)降低)對(duì)兩個(gè)品系的滲透性水通透性和水力概況具有較小的作用(圖23A-E)。

討論

在高VPD存在下，如果通過(guò)蒸騰失去的含水量大于通過(guò)莖接受的含水量，則葉有脫水的危險(xiǎn)。蒸騰的細(xì)微調(diào)節(jié)取決于沿土壤–植物–大氣連續(xù)體(SPAC)的許多控制點(diǎn)。沿SPAC的不同要素靈敏度的輕微改變可導(dǎo)致采用不同的水分平衡管理策略，這可反應(yīng)在植物的蒸騰速率上(Monteith，1965；Farquhar和Wong，1984；Franks等，1997；Feddes和Raats 2004；Buckley，2005)。在本實(shí)施例中，監(jiān)測(cè)不同處理中植物蒸騰速率的變化。

具有相似的氣孔密度的等水番茄品系M82和非等水番茄品系MP1間的比較，顯示這2個(gè)品系所采用的全植物E和gs_c調(diào)節(jié)機(jī)制的顯著差異。因此，這些番茄品系用作良好的模式植物用于分離將等水行為與非等水行為相區(qū)分的葉狀態(tài)與環(huán)境閾值信號(hào)。

蒸騰和土壤含水量之間的關(guān)系

有關(guān)葉內(nèi)部“關(guān)閉”信號(hào)的問(wèn)題，這些信號(hào)如何通過(guò)保衛(wèi)細(xì)胞轉(zhuǎn)移和表征什么不同的控制行為仍未解決(Buckley，2005)。本實(shí)施例中的結(jié)果顯示在兩個(gè)品系中相似的E和gs_c形式，其中對(duì)環(huán)境信號(hào)的敏感度不同(圖13A-E)。然而，為了揭示調(diào)節(jié)這些過(guò)程的生物學(xué)機(jī)制，需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中消除或減少與土壤水分變化有關(guān)的環(huán)境差異。因此，將兩個(gè)品系的中午E值與SWC水平進(jìn)行比較，而不是評(píng)估隨時(shí)間推移的E (圖14A-C)。不論環(huán)境條件如何(冬季或夏季)，在相似SWC水平下MP1保持高于M82的E水平的事實(shí)表明，在品系莖間觀察到的差異主要來(lái)自生物學(xué)調(diào)節(jié)的差異而不是來(lái)自土壤水分可用性的差異。夏季中兩個(gè)品系的E_max值大大提高可為對(duì)一些大氣參數(shù)(例如輻射強(qiáng)度和/或VPD)的直接敏感的結(jié)果。共識(shí)是保衛(wèi)細(xì)胞不感知相對(duì)濕度或VPD (Mott等，1999)和在響應(yīng)VPD增加時(shí)所觀察到的氣孔關(guān)閉是對(duì)葉片水分狀況改變的間接反應(yīng)(Farquhar，1978；Mott和Franks，2001；Buckley，2005)。另一方面，氣孔孔徑對(duì)光的反應(yīng)是眾所周知的。

在相似VPD條件下重復(fù)該實(shí)驗(yàn)，但顯著不同的光條件(夏季和冬季；圖13A和圖21A)顯示輻射強(qiáng)度強(qiáng)烈影響兩個(gè)品系的E_max。與冬季實(shí)驗(yàn)相比，夏季實(shí)驗(yàn)期間自然輻射強(qiáng)度約35%增加(分別~1400 μmol sec^-1 m^-2與~900 μmol sec^-1 m^-2)增加MP1的E_max和gs_c 3.6倍，并增加M82的E_max和gs_c 2.9倍。盡管響應(yīng)光改變的相似模式，但MP1植物顯示對(duì)這種輻射差異較大的敏感性。然而，雖然當(dāng)在土壤中容易獲得水時(shí)，光和VPD控制E_max，但在較低的SWC水平下，土壤水分可用性變成蒸騰的限制因素。當(dāng)SWC下降低于θ_cr時(shí)觀察到E_max逐步降低，表明當(dāng)θ < θ_cr時(shí)，土壤水分可用性變成E_max的限制因素，阻止植物滿足大氣水分要求(參見(jiàn)與SWC有關(guān)的線性E_max，圖14A-B)。此外，θ_cr的值取決于瞬間大氣水分要求，并隨E降低而降低(如冬季實(shí)驗(yàn)中所觀察到的)。引人關(guān)注的是，雖然在MP1和M82的E_max值間觀察到顯著差異，但在相關(guān)的θ_cr值間未記錄到差異(圖14C)。這表明蒸騰水分流失的一些來(lái)自植物RWC而不是來(lái)自土壤(這點(diǎn)在下文進(jìn)一步講述)。

蒸騰和葉片水分狀況之間的關(guān)系

MP1和M82的不同的氣孔調(diào)節(jié)可由對(duì)相似的葉片水分狀況的差異性氣孔敏感性或在相似環(huán)境條件下葉片水分狀況的差異性調(diào)節(jié)所致。在相似和較低的RWC和Ψ_葉水平下觀察到MP1的較高水平的E和gs (圖15A-C)表明與M82相比，該品系對(duì)這些參數(shù)的差異較不敏感。

M82比MP1更好地保持其RWC，正如對(duì)等水品系所預(yù)期的。另一方面，M82的Ψ_葉在整個(gè)SWC水平范圍內(nèi)下降。實(shí)際上，在整個(gè)干旱期間在兩個(gè)品系中RWC比Ψ_葉更慢地降低(圖15A-C，圖22)，與等水植物的經(jīng)典定義不一致(Tardieu和Simonneau，1998)。在對(duì)遺傳修飾的M82植物的品系進(jìn)行的研究中報(bào)告了類似的結(jié)果，該品系通過(guò)增加液泡膜對(duì)水的通透性實(shí)現(xiàn)了非等水(Sade等，2012)。較高的膨壓?jiǎn)适c(diǎn)被視為耐旱性性狀(Kramer和Boyer，1995；McDowell，2011；Bartlett等，2012)。物種內(nèi)和物種間膨壓?jiǎn)适c(diǎn)處葉水勢(shì)的變化允許保持膨壓?jiǎn)适c(diǎn)處較高的相對(duì)含水量，如最新綜述所報(bào)告的(Bartlett等，2012)，表明了RWC在葉片水分狀況層次上處于較高位置。按照這些結(jié)論，我們認(rèn)為應(yīng)修改等水行為的定義以強(qiáng)調(diào)RWC在葉片水分狀況中的作用(即“等水植物在正午達(dá)到恒定的葉RWC并且在比非等水植物更寬的SWC水平范圍內(nèi)保持該RWC水平”)。

從細(xì)胞水平到全植物：造成等水和非等水行為之間的差異的機(jī)制

當(dāng)SWC高時(shí)，兩個(gè)番茄品系顯示顯著不同的E和gs_c水平和顯著不同的氣孔孔徑。盡管MP1的較高蒸騰速率，但是所觀察到的MP1的RWC和Ψ_葉水平與所觀察到的M82的無(wú)不同，極可能是由于高K_植物所致，其支持充分流入以保持穩(wěn)態(tài)的葉片水分狀況。然而，K_植物可能不被視為特別在亞最佳土壤水分條件下區(qū)分等水與非等水行為的唯一參數(shù)。隨SWC降低，MP1的K_植物比M82更快下降(圖16B)。然而，在充分的水可用性下且在輕微干旱脅迫下，MP1保持較高的E和gs_c，導(dǎo)致葉中顯著水分虧缺。甚至在最干的土壤(10-20%含水量)，MP1植物比M82植物保持較高的水流入量和流出量間的差異(圖17A-C)，導(dǎo)致這些植物的葉中甚至更大的水分虧缺。

對(duì)付水分虧缺需要緩沖機(jī)制以保護(hù)胞質(zhì)中進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)。最近，我們提出通過(guò)其AQP調(diào)節(jié)液泡膜的滲透性水通透性，在胞質(zhì)的這種補(bǔ)償機(jī)制中起重要作用(Sade等，2009；Sade等，2012)。其它研究表明TIP的表達(dá)和植物生長(zhǎng)勢(shì)和干旱脅迫抗性(Tyerman等，1999；Lin等，2007；Peng等，2007)以及TIP和PIP表達(dá)之間的相似關(guān)系，所述TIP和PIP表達(dá)與高gs和K_葉正相關(guān)(Pou等，2012)。

的確，兩種TIP的轉(zhuǎn)錄物表達(dá)譜顯示MP1葉和M82葉中的差異表達(dá)，包括在所有條件下在MP1中較大的SlTIP1;2表達(dá)。在MP1中，SlTIP1;1在高和中等SWC水平下以相似水平表達(dá)。然而，在M82中，SlTIP1;1在50% SW處理中以顯著較低的水平表達(dá)(圖18B)。另外，質(zhì)膜PIP，SlPIP1;5的表達(dá)水平，在MP1中是在M82中觀察到的5倍(圖18C)。引人關(guān)注的是，隨干旱的發(fā)展，該基因的表達(dá)以類似于針對(duì)MP1的K_植物觀察到的方式快速降低。SlPIP1;5與AtPIP1;2 (來(lái)自擬南芥(Arabidopsis thaliana))和NtAQP1 (來(lái)自煙草(Nicotiana tabacum)近緣，其顯示在這些物種中在植物導(dǎo)水率的調(diào)節(jié)中起重要作用(Sade等，2010)。

若干研究顯示K_葉的動(dòng)態(tài)閥樣行為(Cochard等，2007；Levin等，2007)和根徑向傳導(dǎo)(Maggio和Joly，1995；Carvajal等，1996；Clarkson等，2000；Tournaire-Roux等，2003；Gorska等，2008；Bramley等，2010)，其強(qiáng)有力地取決于環(huán)境信號(hào)并對(duì)環(huán)境信號(hào)起反應(yīng)。這種徑向流動(dòng)在葉和根兩者中很可能由水通道蛋白調(diào)節(jié)(Tournaire-Roux等，2003；Maurel等，2009；Shatil-Cohen等，2011；Shatil-Cohen和Moshelion，2012)。我們提出差異性TIP和PIP表達(dá)在區(qū)分等水與非等水行為的滲透-液壓調(diào)節(jié)機(jī)制中起作用。因此，較大的導(dǎo)水率(支持較大的水流入)將抗衡作為較高gs_c的結(jié)果的較高E速率。高水平的液泡滲透通透性可提供液壓緩沖，使胞質(zhì)的滲透內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)能夠面對(duì)葉供需水分平衡的短暫改變。我們提出較大的滲透緩沖可導(dǎo)致胞質(zhì)中啟動(dòng)脅迫信號(hào)之前較長(zhǎng)的時(shí)間，導(dǎo)致氣孔保持較長(zhǎng)時(shí)間的開(kāi)放、較長(zhǎng)時(shí)間的光合作用和非等水品系較快速的生長(zhǎng)(圖24)。然而，一達(dá)到θ_cr，這種控制策略就導(dǎo)致較快的RWC損失、較快的葉干燥和較大的液壓失效風(fēng)險(xiǎn)。

本實(shí)施例提供SPAC中水運(yùn)動(dòng)的液壓模擬(圖19A和19B)。液壓模擬基于動(dòng)態(tài)徑向流體阻力，其隨電勢(shì)非線性變化并且據(jù)推定受PIP控制。液泡水庫(kù)通過(guò)TIP保留并釋放水以補(bǔ)償在負(fù)葉水分平衡存在時(shí)的胞質(zhì)水分虧缺。

本文所用術(shù)語(yǔ)“約”是指±10%。

本文使用措詞“示例性”意指“用作實(shí)例、例子或例證”。描述為“示例性”的任何實(shí)施方案不一定解釋為相對(duì)于其它實(shí)施方案是優(yōu)選的或有利的和/或排除來(lái)自其它實(shí)施方案的特征的并入。

本文使用措詞“任選”意指“在一些實(shí)施方案提供且不在其它實(shí)施方案中提供”。本發(fā)明的任何具體實(shí)施方案可包括多個(gè)“任選的”特征，除非所述特征有抵觸。

術(shù)語(yǔ)“包括”、“構(gòu)成”、“包括”、“含有”、“具有”及其同根詞意指“包括但不限于”。

術(shù)語(yǔ)“由……組成”意指“包括并限于”。

術(shù)語(yǔ)“基本由……組成”意指組合物、方法或結(jié)構(gòu)可包括其它成分、步驟和/或部分，但只有其它成分、步驟和/或部分不實(shí)質(zhì)性地改變所要求保護(hù)的組合物、方法或結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)特征和新特征。

如本文所用，單數(shù)形式“a”、“an”和“the”包括復(fù)數(shù)指代物，除非文中另有明確規(guī)定。例如，術(shù)語(yǔ)“化合物”或“至少一種化合物”可包括多種化合物，包括其混合物。

在本申請(qǐng)中，本發(fā)明的不同的實(shí)施方案可以范圍形式存在。應(yīng)了解，范圍形式的描述僅出于方便和簡(jiǎn)潔，不應(yīng)解釋為本發(fā)明范圍的不可變更的限制。因此，范圍的描述應(yīng)視為具體公開(kāi)了所有可能的子范圍以及該范圍的各個(gè)數(shù)值。例如，范圍例如1-6的描述應(yīng)視為具體公開(kāi)了例如1-3、1-4、1-5、2-4、2-6、3-6等子范圍，以及該范圍的各個(gè)數(shù)，例如1、2、3、4、5和6。不論范圍寬度均適用。

每當(dāng)本文規(guī)定數(shù)值范圍時(shí)，均意指包括該指定范圍的任何引述的數(shù)值(分?jǐn)?shù)或整數(shù))。短語(yǔ)“介于”第一標(biāo)示數(shù)字和第二標(biāo)示數(shù)字“之間的范圍”和“從”第一標(biāo)示數(shù)字“到”第二標(biāo)示數(shù)字“的范圍”在本文互換使用，意指包括第一標(biāo)示數(shù)字和第二標(biāo)示數(shù)字和期間的所有分?jǐn)?shù)和整數(shù)。

盡管本發(fā)明結(jié)合其具體的實(shí)施方案加以描述，但是十分明顯的是，許多替換、修改和變化對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明旨在包括所有落入所附權(quán)利要求書的精神和廣大范圍內(nèi)的這些替換、修改和變動(dòng)。

本說(shuō)明書所提及的所有出版物、專利、專利申請(qǐng)都通過(guò)引用以其整體結(jié)合到本說(shuō)明書中，其程度與每個(gè)獨(dú)立出版物、專利、專利申請(qǐng)具體而單獨(dú)指明通過(guò)引用結(jié)合到本文中一樣。另外，在本申請(qǐng)任何參考文獻(xiàn)的引用或標(biāo)示都不得解釋為承認(rèn)這樣的參考文獻(xiàn)都可作為本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)獲得。就使用章節(jié)標(biāo)題而言，不應(yīng)解釋為必然的限制。

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