74-lemnatec传送区域—从温室单株到田间群体-lemnatec scanalyzer 3d系统架起桥梁

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从温室单株到田间群体——

LemnaTec Scanalyzer 3D 系统架起桥梁

LemnaTec 传送区域


介绍

为了量化温室植物的的生长模型、表性特征和产量评价，并与田间作物相结合，就必须加快促进温

室植物与大田作物的表型信息转化。对温室系统而言，严格的环境田间控制和近距离的观测条件已经广

泛用于温室植物的表型组学研究，然而如何最大程度的模拟田间的环境条件，一直以来都是科研工作者

关注的问题。出于这个原因，我们一方面应当认真考虑任何关于温室“非现实生长条件”的批评，因

为它们才是推动温室条件发挥最大化效用的基础；然而，我们同样也必须认识到，对环境条件的有效控

制以及利用全自动无损伤成像技术获得的海量数据，有时比精确模拟自然生长条件更加重要。本文着重

介绍LemnaTec Scanalyzer3D 传送区域模块，极大推动了温室环境条件下植物农艺性状和生理特性的相关

关系研究。

根系制冷

近期，许多研究表明根系生长温度对于根系生物量形成具有非常重要的作用，因此，LemnaTec 建议

客户使用白色的培养盆，最大化降低热量吸收。出于这个原因，LemnaTec 设计了一套改进的培养盆、传

送车及遮阳棚，这样可以有效的降低辐射热量。传送系统载着植物随机置于温室中的各个角落，这样能

够保证所有的培养盆和植物根系获得均匀的光照条件，并且能够降低空调系统所引起的局部过冷或者过

热的影响。

图 1 冷空气从传送车间隙和传送车底部开口穿过，对培养盆和植物根系进行冷却。

采用空调系统从传送带下方制冷，再配合传送带间的遮阳棚以及 25kg 传送车的特定开口，便能够

有效的控制植物根系温度。若想获得更加详细的信息，请参见“土壤和根系制冷”一文。

培养盆选择

原则上，LemnaTec 传送车能够适应绝大多数培养盆类型，只要保证培养盆的直径不大于传送车长度

即可。因此，LemnaTec 传送区域的概念基本上可以满足不同的土壤深度需求，这完全取决于作物本身。

为了满足不同的土壤和植物特性的需求，可以分别在培养盆上、下两侧浇水。完全封闭的培养盆易于操

作，但是摄入气体的量较少（相比较于底部开孔的培养盆），可能会抑制根系呼吸。若想获得更加详细

的信息，请参见“培养盆选择—一个生物学基本原理”一文。

灌溉



田间灌溉与温室灌溉一个最主要的区别在于绝对需水量（生物学上无需二次浇水）不同。通常情况

下，一个玉米单株的田间需水量大于 100kg，同理温室中的一个玉米单株则很少超过 5-10kg。土壤湿度

的剧烈改变，往往会引起不可预料的胁迫条件，可能会对我们关注的某一表型性状产生影响，造成实验

误差。为了弥补土壤湿度的剧烈变化，LemnaTec 传送区域的自动灌溉系统允许提前设置程序，每天几次

检查每个单株的土壤湿度水平（如保持 1-4kg），最大化降低由于土壤湿度波动而引起的实验误差。

图 2 动态灌溉考虑到某些植物需水量较大，需要给目标值增加一个偏移量。一般情况下，30%的偏移量已经足以保持各

种植物维持在平均值。目标值的设定取决于植株需水量，土壤持水力和培养盆大小。

采用这种方法，可以把水分利用监测与降低土壤湿度波动综合起来，降低土壤量会简化操作，便于

控制，并且可以重复土壤湿度变化过程。若想获得更加详细的信息，请参见“LemnaTec 自动浇水技术”

一文。

干旱胁迫模拟

有效正常灌溉对于模拟干旱胁迫非常重要！对大田作物停止灌溉或者降雨，大约要经过 3-4 周才会

对扎根较深的作物造成影响，此时土壤含水量通常已经下降了 20-30% WHC，而对于温室中的盆栽植物，

通过停止灌溉引起干旱胁迫并不是一个理想的方法，主要是因为培养盆中本身含水量较低，土壤水分会

在 20-48h 内快速下降，此时生物量较高的单株由于蒸腾速率较高，受到干旱胁迫的程度会更大（相对于

其它生物量较低的单株）。这种现象会极大的降低处理组数据的统计学比较，同时还可能引起一些其它

不可预料的胁迫条件。此外，你可能会发现一些长势较弱、生物量较低的单株表现出很强的抗旱特性，

此时筛选会有悖于我们的实验目的。

通过 LemnaTec 自动灌溉系统，可以对温室中大量植物进行程序化、可重复的土壤湿度控制，不依

赖于不同单株间蒸腾速率的差异。采用相对较小的培养盆，有利于根据植物的生物学响应来调整干旱速

率，促进表型发生。若想获得更加详细的信息，请参见“LemnaTec 自动浇水技术”一文。



图 3 两种植物的土壤含水量快速而又一致地从 80%降到 30%。下降的斜率略微浅于低需水量植物水分下降的斜率。但是

到了第八天，每天仅有小于预期 5%的水分被蒸发。这种形式的干旱处理方法最适合用于胁迫条件完全一致的植株对比。

通过使用动态灌溉，预设的目标重量测定的平均土壤含水量可能比上述图例中的值会保持的更加恒定。

随机排列

为了研究不同植物单株对某一胁迫条件的响应，那么保持其它环境条件均匀一致是极为重要的。采

用 LemnaTec 自动传送系统的随机排列模式，植物被自动运送至温室各个角落，能够有效屏蔽光、温、

湿波动对植物的影响，使实验结果更加真实可靠。

图 4 A: 99:1 标准布局；B：50:50 布局；C：蛇形布局；D：大载重量布局；托盘上的箭头（蓝色）指明传送方向与植株

方向，只有 D 型布局，植株方向始终不变，红色箭头显示植株如何传送至传送带（黑色）与穿梭带（灰色）。

复合植株/微区

除了某些植物特有的性状，如玉米的节间距和叶长，大多数表型参数能够有效说明一些复杂图像（主

要由于每个培养盆中种植多个植株造成的）。事实上，对于一些复杂性状，如冠层紧密度等，图像处理

功能能够非常有效的量化各种表型参数（包括育种家所观察到的和手动测得的参数）。大多数情况下，

每次测定大量的植物会降低单株间真正由生物变异引起的标准偏差。出于这个原因，“微区”结构允许



植物进行根系空间（只有田间植物才会存在）、光照和营养的竞争，完全模拟外界环境条件，降低实验

误差。对于一些比较大的植株（如玉米），为了保证其播种密度与田间相似，可以在 25cm 培养盆中种植

两株植物，传送带间距 60cm，这基本上与田间的种植密度一致。若想获得更加详细的信息，请参见“竞

争表型——微区”一文。

图 1 LemnaTec 传送系统中的“Field of microplots”概念，顶视图（左）和侧视图（右）。它们类似于温室或者培养室中

的“大田”，在成像过程中彼此分离，保证完成顶部和侧面成像。

根系深度和溶度

若要根系发育良好，不同的土层、根系吸收的营养（还包括根系细菌吸收的磷酸盐）以及土壤深度

都是比较关键的因素。LemnaTec 传送系统允许采用 50cm 的根柱种植植物，这基本上可以满足所有作物

的需求。根管中的土柱能够被重复利用，更加真实的模拟随着时间变化土壤结构的改变。

结论

LemnaTec植物表型组学研究系统整合了Scanalyzer3D成像单元、自动传送系统、传送车和自动灌溉系

统，有效的弥补了温室与田间植物表型测定的差距。另外，系统还提供了改进的根系温度控制、培养盆

大小自定义、采用自然土壤、大容器采用“微区、”植物特定灌溉方案模拟土壤湿度条件，这些特性都

是之前温室系统无法比拟的。

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