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泽泉开放实验室

泽 泉 科 技 有 限 公 司

Zealquest Laboratory

Zealquest Scientific Technology Co., Ltd.

LemnaTec 传送区域

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介绍 植物的表型与基因型以及环境条件密切相关。对于农田里种植的大多数作物而言,光照、水分和养 分的竞争对作物形态建成有着极为重要的影响。比如,在遮阴和快速光变化条件下,往往会引起植物对 环境因子的竞争,因此,农田中作物表型的表达在很大程度上受到环境竞争的影响。在温室中模拟农田 生态系统的环境条件,能够有效降低温室与大田间的环境差异,结合LemnaTec Scanalyzer3D系统和传送 技术,准确评价植物表型。

光竞争(玉米特例) 通常情况下,由于种植密度的差异,田间生长的玉米表型与温室盆栽玉米(种植密度小于田间)明 显不同,田间玉米往往呈线性种植,最大化的捕捉光能且避免遮阴,单株叶片伸展角度较大,有效利用 了行距空间,从而大大提高产量。田间栽培的玉米有大致相同的株高,但受限于单株生物量的差异,茎 粗往往差异较大。 大量实验表明,温室中模拟田间植株种植密度会获得大量有价值的表型信息。采用 LemnaTec 传送 系统(20cm 培养盆、行距 60cm),可以准确模拟田间种植密度(株距 13-16cm),模拟光竞争条件,同 时避免了单株间根系的竞争。如果也要模拟根系竞争条件,可以采用 40cm 培养盆,每盆中种植 2-3 个 单株的方法来实现。一些 LemnaTec 传送系统允许温室内整个传送区域平行移动,然后从第一行顺序传 送至成像暗房和自动灌溉系统。这种传送方式可以保证温室内植株在田间种植密度条件下生长,并能够 保证传送过程中单株间叶片无干扰。

水分竞争 如果植株生长过程中存在水分竞争,则需要将根系系统进行分离,用户可以在培养盆中垂直放入一 个网状物或者陶瓷材料,只允许水分交换,阻止根系交叉。这样的话,整个培养盆放在一个托盘中,植 物自下方吸收水分。如果配置了近红外根系成像单元,还可以获得竞争条件下土壤水分动力学变化曲线。

混合田间生态系统 利用 LemnaTec 系统,研究温室中不同植株间的正向相互作用是比较容易的。玉米也可以采用这种 相同的方式进行测试,同时监测培养盆中根系的生长情况(可见光和近红外),还可以在不同单株间手 动放置白色隔离板进行成像。由于在一套系统中整合了大量的功能选项,使得我们可以完全隔离外部和 培养盆内部环境效应的影响,系统研究和量化单株间的交互作用。

种植密度 对于大多数和谷类作物而言,通过LemnaTec传送系统的培养盆,保持作物田间的种植密度是比较理 想的选择,再加上综合的水分监测以及灌溉控制,有利于模拟田间土壤含水量,监测水分蒸发和植物蒸 腾。在一个 40 x 40cm(0.16m2)的培养容器内,下表列出了所需的种子数目,最后一列表示直径为 15cm http://www.zealquest.com

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的培养盆面积。 表 1 不同作物田间播种种子密度范围 作物

种子密度/m2

种子密度/0.16m2

种子密度/0.016m2

小麦

250-500

40-80

4-8

大麦

300-350

48-566

5-6

黑麦

250-350

40-56

4-6

油菜

65-100

10-16

1-2

玉米

7-11

1-2

<1

水稻

16-100

3-16

<1-2

以上提到的播种密度只是一个大致的数目,播种时还要考虑到培养盆和田间的播种深度等相关因素。尽 管如此,即使对只种植一个单株的培养盆,大多数禾谷类种子的播种量要远远低于田间播种量。因此, 我们可以看出无论是根系竞争、光竞争还是遮阴处理,只会在多粒种子播种于同一个培养容器的情况下 发生。假如我们将培养盆紧密的放置于传送系统上,完全模拟外界的环境条件,在保证成像方便和管理 方便的前提下,可以最大化的消除由于植株生长紧密而引起的边界效应。

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。

通过获得的图像和数据分析,每一个“微区(microplot)”作为一个统计单位,所有的参数适用于每一个 单株,也适用于每一个“微区(microplot)”。只是在某些情况下,测定参数的含义会发生轻微的改变。 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。

结论 模拟竞争条件能够有效缩小田间和温室间的环境差异,同时保持了温室测定植物植物表型的诸多优 点。无论是全竞争环境条件还是部分竞争环境条件模拟,LemnaTec 传送系统都可以提供广泛的植物表 型测定方法。

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72-LemnaTec传送区域—环境竞争和种植分布  

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