תכננו פרוטוקול פנוטיפ מבוסס תמונה כדי לקבוע את התגובות המורפולוגיות והפיזיולוגיות לטיפולי חום, בצורת וכריתת מים בודדים ומשולבים. גישה זו אפשרה זיהוי של תגובות מוקדמות, מאוחרות והתאוששות ברמת צמח שלם, במיוחד חלקים מעל פני הקרקע, והדגישה את הצורך בשימוש בחיישני הדמיה מרובים.
פנוטיפ מבוסס תמונה בתפוקה גבוהה הוא כלי רב עוצמה לקביעה לא פולשנית של התפתחות וביצועים של צמחים בתנאים ספציפיים לאורך זמן. על ידי שימוש בחיישני הדמיה מרובים, ניתן להעריך תכונות מעניינות רבות, כולל ביומסה של צמחים, יעילות פוטוסינתטית, טמפרטורת חופה ומדדי החזרת עלים. צמחים חשופים לעתים קרובות לעקות מרובות בתנאי שדה שבהם גלי חום קשים, שיטפונות ואירועי בצורת מאיימים באופן חמור על פריון היבול. כאשר לחצים חופפים, ההשפעות הנובעות מכך על צמחים יכולות להיות שונות עקב אינטראקציות סינרגטיות או אנטגוניסטיות. כדי להבהיר כיצד צמחי תפוחי אדמה מגיבים לעקות בודדות ומשולבות הדומות לתרחישי עקה טבעיים, הוטלו חמישה טיפולים שונים על זן תפוחי אדמה נבחר (Solanum tuberosum L., cv. Lady Rosetta) בתחילת השחפת, כלומר בקרה, בצורת, חום, כריתת מים ושילובים של חום, בצורת ועקות מים. הניתוח שלנו מראה כי לעקה של כריתת מים הייתה ההשפעה המזיקה ביותר על ביצועי הצמח, מה שהוביל לתגובות פיזיולוגיות מהירות ודרסטיות הקשורות לסגירת סטומטל, כולל ירידה בתפוקה הקוונטית וביעילות של פוטוסיסטם II ועלייה בטמפרטורת החופה ובמדד המים. תחת חום וטיפולי מאמץ משולבים, קצב הצמיחה היחסי הופחת בשלב המוקדם של הלחץ. תחת בצורת ועקות משולבות, נפח הצמח וביצועי הפוטוסינתזה ירדו עם עלייה בטמפרטורה וסגירת הפיוניות בשלב המאוחר של העקה. השילוב של טיפול אופטימלי בלחץ בתנאים סביבתיים מוגדרים יחד עם פרוטוקולים פנוטיפיים נבחרים איפשר לחשוף את הדינמיקה של תגובות מורפולוגיות ופיזיולוגיות ללחצים בודדים ומשולבים. כאן מוצג כלי שימושי לחוקרי צמחים המעוניינים לזהות תכונות צמחיות המעידות על עמידות למספר לחצים הקשורים לשינויי אקלים.
ההשפעות האפשריות של שינויי האקלים, לרבות העלייה בעוצמתם ובתדירותם של גלי חום, שיטפונות ואירועי בצורת, הן בעלות השפעות שליליות על גידול יבולים1. חשוב להבין את השפעת שינויי האקלים על השתנות היבול ואת התנודות הנובעות מכך בייצור היבול השנתי2. עם הגידול באוכלוסייה ובביקוש למזון, שמירה על תנובת צמחי היבול היא אתגר, ולכן מציאת גידולים עמידים לאקלים לרבייה נדרשת בדחיפות 3,4. תפוח אדמה (Solanum tuberosum L.) הוא אחד מגידולי המזון החיוניים התורמים לביטחון המזון העולמי בשל ערכו התזונתי הגבוה ויעילות השימוש המוגברת במים. עם זאת, ירידה בצמיחה וביבול בתנאים שליליים היא בעיה עיקרית, במיוחד בזנים רגישים 5,6. מחקרים רבים הדגישו את החשיבות של חקירת גישות חלופיות לשמירה על תפוקת יבולי תפוחי האדמה, כולל שיטות חקלאיות, מציאת גנוטיפים סובלניים והבנת ההשפעה של לחץ על הפיתוח והיבול 7,8,9, המבוקש מאוד גם על ידי מגדלי תפוחי אדמה אירופיים (או חקלאים)10.
פלטפורמות פנוטיפ אוטומטיות, כולל פנוטיפ מבוסס תמונה, מאפשרות ניתוחים כמותיים של מבנה הצמח ותפקודו החיוניים לבחירת תכונות רלוונטיות המעניינות11,12. פנוטיפ בתפוקה גבוהה הוא טכניקה מתקדמת ולא פולשנית לקביעת תכונות מורפולוגיות ופיזיולוגיות שונות המעניינות באופן ניתן לשחזור ומהיר 13. למרות שהפנוטיפ משקף הבדלים גנוטיפיים בקשר להשפעות סביבתיות, השוואת צמחים בתנאים מבוקרים עם עקה מאפשרת לקשר את המידע הפנוטיפ הנרחב למצב ספציפי (עקה)14. פנוטיפ מבוסס תמונה חיוני לתיאור שונות פנוטיפית, והוא גם מסוגל לסנן קבוצה של תכונות לאורך התפתחות הצמח ללא קשר לגודל האוכלוסייה15. לדוגמה, מדידת תכונות מורפולוגיות, כולל הצורה, הגודל ואינדקס הצבע של עלים באמצעות חיישני הדמיה אדום-ירוק-כחול (RGB), משמשת לקביעת הצמיחה וההתפתחות של צמחים. יתר על כן, מדידות של תכונות פיזיולוגיות, כולל ביצועים פוטוסינתטיים, טמפרטורת חופה והחזרת עלים, מכומתות באמצעות סוגים רבים של חיישנים, כגון פלואורסצנטיות כלורופיל, אינפרא אדום תרמי (IR) והדמיה היפרספקטרלית16. מחקרים שנערכו לאחרונה בסביבות מבוקרות הראו את הפוטנציאל של שימוש בפנוטיפ מבוסס תמונה בהערכת מנגנונים שונים ותגובות פיזיולוגיות של צמחים תחת עקה אביוטית כגון חום בתפוח אדמה17, בצורת בשעורה18, אורז19, וטיפול משולב בצורת וחום בחיטה20. אף על פי שחקר תגובותיהם של צמחים לאינטראקציות עקה מרובות הוא מורכב, הממצאים חושפים תובנות חדשות בהבנת מנגנוני צמחים בהתמודדות עם שינויים מהירים בתנאי אקלים21.
תגובות פיזיולוגיות ומורפולוגיות של צמחים מושפעות ישירות מתנאי עקה אביוטיים (טמפרטורה גבוהה, גירעון מים והצפות), וכתוצאה מכך ירידה ביבול22. למרות שלתפוחי אדמה יש יעילות שימוש גבוהה במים בהשוואה לגידולים אחרים, גירעון המים משפיע לרעה על כמות היבול ואיכותו בשל ארכיטקטורת השורשים הרדודים5. בהתאם לעוצמת ומשך הבצורת, מדד שטח העלה מצטמצם, ופיגור בצמיחת החופה עם עיכוב היווצרות עלים חדשים בולט בשלבים מאוחרים יותר של עקה המוביל לירידה בקצב הפוטוסינתזה23. רמת הסף של המים היא קריטית עם עודף מים או תקופות בצורת ממושכות, וכתוצאה מכך השפעה שלילית על גדילת הצמח והתפתחות פקעות עקב הגבלת חמצן, ירידה במוליכות הידראולית השורש והגבלת חילופי הגזים24,25. יתר על כן, תפוחי אדמה רגישים לטמפרטורות גבוהות שבהן טמפרטורות מעל רמות אופטימליות גורמות לעיכוב בהתחלת פקעות, צמיחה ושיעורי הטמעה26. כאשר מופיעים לחצים בשילוב, התקנות הביוכימיות והתגובות הפיזיולוגיות שונות מתגובות העקה האינדיבידואליות, מה שמדגיש את הצורך לחקור את תגובות הצמחים לשילובי עקה27. לחצים משולבים יכולים לגרום (אפילו יותר) להפחתה חמורה בצמיחת צמחים ולהשפעות דטרמיננטיות על תכונות הקשורות למערכת הרבייה28. ההשפעה של שילוב עקה תלויה בדומיננטיות של כל עקה על פני האחרות, מה שמוביל לתגובה משופרת או מדוכאת של הצמח (למשל, בצורת בדרך כלל מובילה לסגירת הפיוניות בעוד הפיוניות פתוחות כדי לאפשר קירור של פני השטח של העלים תחת עקת חום). עם זאת, מחקר הלחץ המשולב עדיין מתפתח, ונדרשות חקירות נוספות כדי להבין טוב יותר את הרגולציה המורכבת המתווכת את תגובות הצמחים בתנאים אלה29. לפיכך, מחקר זה שואף להדגיש ולהמליץ על פרוטוקול פנוטיפ באמצעות חיישני הדמיה מרובים שיכולים להתאים להערכת תגובות מורפו-פיזיולוגיות ולהבין את המנגנונים הבסיסיים של הביצועים הכוללים של תפוחי אדמה תחת טיפולי לחץ בודדים ומשולבים. כפי ששוער, שילוב חיישני הדמיה מרובים התגלה ככלי רב ערך לאפיון האסטרטגיות המוקדמות והמאוחרות במהלך תגובת העקה של צמחים. אופטימיזציה של פרוטוקול פנוטיפ מבוסס תמונה תהיה כלי אינטראקטיבי עבור חוקרי צמחים ומגדלים כדי למצוא תכונות מעניינות עבור עמידות לעקה אביוטית.
1. הכנת חומר צמחי ותנאי גידול
2. יישום מתח
3. הכנת צמחים לפנוטיפ
4. פרוטוקול פנוטייפ
5. התאמת הגדרות עבור כל חיישן הדמיה
6. ייצוא נתונים וניתוח תמונות
7. שקילה והשקיה
8. ניתוח נתונים
במחקר זה, נעשה שימוש בפנוטיפ אוטומטי מבוסס תמונה כדי לחקור את התגובות המורפולוגיות והפיזיולוגיות של תפוח אדמה (cv. Lady Rosetta) תחת לחץ יחיד ומשולב. הגישה היישומית הראתה את התגובות הדינמיות של צמחים ברזולוציה מרחבית-טמפורלית גבוהה כאשר נוצר לחץ בשלב התחלת הפקעת. כדי להעריך את השלבים המוקדמים והמאוחרים של סטרס, התוצאות הוצגו כ-3 פרקי זמן ([0-5 ימים של פנוטיפ (DOP)], [6-10 DOP] ו-[11-15 DOP]) (איור 1). עד 0 DOP, כל הצמחים גודלו בתנאי בקרה (C), ולאחר מכן מ 1-5 DOP, שבו מתח כריתת מים (W) ועקה חום (H) יושמו. לפיכך, התגובות נצפו כדלקמן: (i) ב 0-5 DOP, ציין את החום הראשוני ואת waterlogging; (ii) ב-6-10 DOP, שיקף את הבצורת המוקדמת (D) ונצפו חום ובצורת משולבים (HD) ו-(iii) ב-11-15 DOP, הראה את החום המאוחר, הבצורת והחום המשולב + בצורת + כריתת מים (HDW). ההתאוששות מכריתת מים נצפתה ב 6-10 DOP ו 11-15 DOP.
תכונות מורפולוגיות
הדמיית RGB יושמה כדי לקבוע את ההשפעה של לחצים ושילובים שונים על צמיחת צמחים מעל פני הקרקע. התוצאות באיור 4 מראות שטיפול בחום ועקה של כריתת מים (0-5 DOP) כבר גורמים לירידה בנפח הצמח וב-RGR בהשוואה לביקורת. במהלך 6-10 DOP, נפח הצמחים וה-RGR של מפעלי הבקרה גדלו ברציפות, בעוד שתחת חום, בשילוב חום, בצורת וכריתת מים, הגידול הזה בנפח הצמחים הופחת בבירור (איור 4A). מאחר שצמחים רגישים מאוד לעקה של כריתת מים, נצפתה ירידה ב-RGR (איור 4B). במהלך לחץ בצורת מאוחר (11-15 DOP), שבו SRWC נשמר על 20%, נצפתה ירידה ברורה ב- RGR בהשוואה לביקורת. עם זאת, בשלב המאוחר של HDW משולב, היישום של טיפול waterlogging גרם לעלייה RGR ביום האחרון של מתח.
תכונות פיזיולוגיות
השילוב של פנוטיפ מבני ופיזיולוגי יושם כדי לחשוף תגובות נוספות ללחץ. שימוש בחיישני הדמיה מרובים מאפשר לקבוע את התגובות הפיזיולוגיות בשלב המוקדם של הלחץ. ניתוח נוסף של נתוני כלורופיל פלואורסצנטי הראה כי כריתת המים השפיעה לרעה על יעילות הפוטוסינתזה כאשר Fv'/Fm' (Fv/Fm_Lss) ירדה באופן דרמטי ב-0-5 DOP וב-6-10 DOP, אך תגובת התאוששות נצפתה ב-11-15 DOP שבו Fv'/Fm' עלה מעט (איור 5A). במהלך שלב העקה המאוחרת (11-15 DOP), נצפתה ירידה של Fv'/Fm' בבצורת בשילוב חום ובצורת. במפעלים ספוגי מים, יעילות ההפעלה של צמחים (QY_Lss aka φPSII) הייתה נמוכה משמעותית בהשוואה לטיפולים אחרים ב-0-5 DOP וב-6-10 DOP, אך עלייה קלה ב-11-15 DOP, מה שמצביע על התאוששות הצמח (איור 5B). יתר על כן, המנגנונים השונים בוויסות היעילות התורמת להגנה על PSII נקבעו על-ידי חישוב החלק של מרכזי התגובה הפתוחים ב-PSII במצב יציב קל (qL_Lss) (איור 5C). רק תחת בצורת נצפתה עלייה ב-qL, כנראה בגלל פוטואינהיביציה.
ממצאים אלה היו בהתאם לנתוני IR ששיקפו מנגנונים בסיסיים שונים תחת לחצים (איור 6). עלייה בדלתא T (ΔT) נצפתה בכריתת מים, מה שהפחית את שער החליפין של הגז. תחת בצורת מאוחרת ועקות משולבות של חום ובצורת, עלייה ב-ΔT נבעה מסגירת פיוניות, שנחשבה לאחת התגובות העיקריות למניעת אובדן מים עודף. מצד שני, נצפתה ירידה ב- ΔT תחת טיפולי חום כאשר הפיוניות נפתחות כדי לשפר את יעילות השעתוק ולקרר את פני העלה.
על ידי חקירת הנתונים ההיפרספקטרליים, נבחרו שני פרמטרים מתוך נתוני VNIR היפרספקטרליים כדי להעריך את מדדי החזרת העלים, כולל NDVI כאינדיקטור לתכולת הכלורופיל ו- PRI כאינדיקטור ליעילות הפוטוסינתזה. התוצאות הראו ירידה ב-NDVI וב-PRI רק תחת כריתת מים בקשר לירידה שנצפתה בתכונות המורפולוגיות (איור 7A,B). יתר על כן, מהנתונים ההיפרספקטרליים של SWIR המשמשים להערכת תכולת המים בצמחים, נצפתה עלייה במדד המים בכריתת מים במהלך 0-5 DOP (איור 7C). עם זאת, תחת טיפולי חום, נצפתה תגובה הפוכה כאשר מדד המים היה נמוך יותר מהביקורת. ממצאים אלה היו בהתאם לבחינת צמחייה מפילוח הצבעים של מבט RGB למעלה. השינויים בשיעור הגוונים מצביעים על תגובות הלחץ לאורך זמן (איור 8). מדד הירוק הראה ירידה בתכולת הפיגמנטים תחת בצורת ושילב HDW בשלב הלחץ המאוחר והתאוששות הדרגתית מטיפול בכריתת מים. לפיכך, השימוש בחיישני הדימות המרובים שיקף את המתאם בין תכונות מורפו-פיזיולוגיות ואיפשר להעריך את הביצועים הכוללים של הצמח תחת עקה אביוטית.
איור 1: ציר הזמן של יישום הטיפולים השונים, כולל גיל הצמחים בימים שלאחר השתלת הייחורים במבחנה . יום 0 של פנוטיפ (DOP) נמדד בתנאי בקרה (C), ואז הלחצים השונים הושרו עם משכי זמן שונים. מ 1-5 DOP waterlogging (W) מתח הוחל ואת התגובה הראשונית של טיפול בחום (H). בימים שלאחר מכן 6-10 DOP, שם הוצג השלב הראשוני של עקת בצורת (D) ועקה משולבת של חום ובצורת (HD). במהלך 11-15 DOP, התגובה של צמחים לשלב המאוחר של בצורת וטיפולי חום ויישום של כריתת מים ל- HD (HDW) ליום אחד השתקפה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: סכימה המסכמת את פרוטוקול הפנוטיפ וניתוח הנתונים. (A) סקירה כללית של פרוטוקול הפנוטיפ. צמחים מועברים למערכת הפנוטיפ מהתנאים המבוקרים בתא הגידול FS-WI (PSI). הצמחים התאקלמו באור בתא הסתגלות האור במשך 5 דקות בטמפרטורה של 500 μmol.m-2.s-1 לפני המדידות. חיישני הדמיה מרובים שימשו לקביעת תכונות מורפולוגיות ופיזיולוגיות, ולאחר מכן תחנת השקלול וההשקיה. בהתאם לטיפול, הצמחים הוחזרו בתנאים מבוקרים, בטמפרטורה של 22°C/19°C או 30°C/28°C. (B) חילוץ וסגמנטציה אוטומטיים של צינור עיבוד התמונה מכל חיישן הדמיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: סקירה כללית של פרוטוקול אור קצר עבור דימות פלואורסצנטי של כלורופיל. פרוטוקול המדידה החל בהפעלת אור אקטיני לבן-קר כדי למדוד את פלואורסצנטיות המצב היציב באור (Ft_Lss) ולאחר מכן הפעלת פולס רוויה כדי למדוד את הפלואורסצנטיות המרבית באור במצב יציב (Fm_Lss). האור האקטין כובה, והאור האדום הרחוק הופעל כדי לקבוע את הפלואורסצנטיות המינימלית במצב יציב באור (Fo_Lss). משך הפרוטוקול היה 10 שניות לכל מפעל. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: דימות RGB המשמש להערכה מורפולוגית. (A) נפח הצמח מחושב מאזור התצוגה העליונה והצידית של RGB. (B) קצב גדילה יחסי (RGR) בשלב התחלת הפקעת. הנתונים מייצגים ערכים ממוצעים ± סטיית תקן (n = 10). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: דימות פלואורסצנטי של כלורופיל בצמחים מותאמי אור. (A) יעילות מרבית של פוטוכימיה PSII של דגימה מותאמת אור במצב יציב של אור (Fv/Fm_Lss). (B) תפוקה קוונטית או יעילות תפעולית של פוטוסיסטם II במצב יציב של אור (QY_Lss). (C) חלק ממרכזי התגובה הפתוחים ב-PSII במצב יציב של אור (QA מחומצן) (qL_Lss). הנתונים מייצגים ערכים ממוצעים ± סטיית תקן (n = 10). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: הדמיית IR תרמי שימשה לחישוב ההבדל בין הטמפרטורה הממוצעת של החופה שחולצה מתמונות IR תרמיות לבין טמפרטורת האוויר (ΔT). הנתונים מייצגים ערכים ממוצעים ± סטיית תקן (n = 10). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: הדמיה היפרספקטרלית לקביעת מדדי צמחייה ותכולת מים. (A) מדד צמחייה הפרשי מנורמל (NDVI). (B) אינדקס החזרה פוטוכימית (PRI) המחושב מהדמיית VNIR. (C) מדד מים המחושב מהדמיית SWIR. הנתונים מייצגים ערכים ממוצעים ± סטיית תקן (n = 10). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
תרשים 8: מדד הירוק לצמחים בטיפולים שונים. עיבוד התמונה מבוסס על שינוי צורה של תמונת RGB המקורית במפת צבע הכוללת 6 גוונים מוגדרים. הנתונים מייצגים ערכים ממוצעים ± סטיית תקן (n = 10). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור משלים 1: עוצמת האור שנמדדה במהלך ימי הפנוטיפ (DOP). משך המדידות בין השעות 9: 00-12: 35. LI_Buff מתייחס לנתונים החציוניים מ -5 חיישני אור המופצים בחממה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור משלים 2: לחות יחסית (RH) שנמדדה בימי הפנוטיפ (DOP). משך המדידות בין השעות 9: 00-12: 35. RH_Buff מתייחס לנתונים החציוניים מ -5 חיישני לחות המופצים בחממה. RH2 מתייחס ללחות היחסית בתא ההסתגלות. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
תרשים משלים 3: הטמפרטורה שנמדדה בימי הפנוטיפ (DOP). משך המדידות בין השעות 9: 00-12: 35. T_Buff מתייחס לנתונים החציוניים מ -5 חיישני טמפרטורה המופצים בחממה. T2 מתייחס לטמפרטורה בתא ההסתגלות. T3 מתייחס לטמפרטורה של קיר החימום. T4 מתייחס לטמפרטורה ביחידת ההדמיה התרמית IR. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור משלים 4: צילום מסך מתוכנת Data Analyzer המציג את הפרמטרים שהותאמו לניתוח מסכות צמחים בחיישני הדמיה פלואורסצנטית של כלורופיל. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
תרשים משלים 5: צילום מסך מתוכנת מנתח נתונים המציג את הפרמטרים המותאמים לניתוח מסכות צמחים בחיישני הדמיה תרמית אינפרא אדום. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
תרשים משלים 6: צילום מסך מתוכנת מנתח נתונים המציג את הפרמטרים המותאמים לניתוח מסיכות צמחים בחיישני הדמיה של תצוגת RGB בצד אחד. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
תרשים משלים 7: צילום מסך מתוכנת מנתח נתונים המציג את הפרמטרים המותאמים לניתוח מסיכות צמחים בחיישני הדמיה מסוג RGB2-top. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
תרשים משלים 8: צילום מסך מתוכנת ניתוח נתונים המציג את הפרמטרים המותאמים לניתוח מסכות צמחים בחיישני הדמיה VNIR. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
תרשים משלים 9: צילום מסך מתוכנת Data Analyzer המציג את הפרמטרים המותאמים לניתוח מסכות צמחים בחיישני הדמיה SWIR. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
כלי הדמיה מתקדמים משופרים ברזולוציה גבוהה וטכניקות ראייה ממוחשבת אפשרו את הפיתוח המהיר של פנוטיפ צמחים כדי לקבל נתונים כמותיים מתמונות צמחים מסיביות באופן הניתן לשחזור39. מחקר זה נועד להתאים ולמטב מתודולוגיה מבוססת תמונה בתפוקה גבוהה באמצעות מערך של חיישני הדמיה הזמינים כיום כדי לנטר את התגובות הדינמיות של צמחים תחת עקה אביוטית יחידה ומשולבת. מספר שלבים קריטיים של הגישה היישומית דורשים התאמות, כולל הפעלת לחץ ובחירת פרוטוקול הדמיה מתאים למדידות. שימוש בחיישנים מרובים לרכישת תמונה מאפשר לכמת תכונות פנוטיפיות מרכזיות (כגון גדילת צמחים, יעילות פוטוסינתטית, ויסות סטומטאלי, החזרת עלים וכו'). בנוסף, משפר את ההבנה של האופן שבו צמחי תפוחי אדמה מגיבים לעקות אביוטיות שונות. זהו תנאי מוקדם מרכזי להאצת פרויקטים של גידול צמחים לפיתוח גנוטיפים עמידים לאקלים40. התגובות המורפולוגיות ללחץ המושרה תלויות בשלב ההתפתחות. לדוגמה, הפעלת לחץ בשלב התחלת הסטולון או הפקעת מעכבת את התפתחות העלים והצמחים ומגבילה את מספר הסטולונים, ובכך מפחיתה את היבול הסופי41. עם זאת, בתנאים שליליים, צמחים משתמשים בתגובות עקה כתגובה אדפטיבית כדי למנוע ולתקן נזק תאי הנגרם על ידי עקה42. לצמחים יש מנגנוני הסתגלות כדי להימנע ולסבול תנאי עקה בהתאם לרמת החומרה43.
כדי להבין את המנגנונים של צמחים, גרימת משך ועוצמת העקה המתאימים וקביעת תגובות הצמח לעקה באמצעות חיישני הדמיה נחשבים לאחד השלבים הקריטיים. כאשר מספר לחצים חופפים, העוצמה של מתח אחד יכולה לבטל את ההשפעה של האחרים בהתאם לשילוב, עוצמה ומשך של הלחצים. לכן, השפעות העקה יכולות להצטבר, או שתגובות מנוגדות יכולות (חלקית) לבטל זו את זו, ובסופו של דבר לגרום להשפעות חיוביות או שליליות על צמחים. הפרוטוקול שנבחר במחקר זה התבסס על ניסיון קודם כדי להבטיח שיושמו רמות מתח מספיקות. לדוגמה, היישום של עקה בצורת הותאם לרמה מתונה כמו בניסוי קודם, התגובה לא הייתה שונה מטיפולי ביקורת בשלב מוקדם של לחץ המבוססים על הדמיית כלורופיל פלואורסצנטית. זאת בשל התרחשות של photorespiration המשמש כיור חלופי עבור אלקטרונים בקרום thylakoid ומנגנון הגנה עבור photosystem II44,45. תחת תגובת העקה המשולבת, חשיפה צמחית לגורם עקה ראשוני מתון עשויה להגביר את הסבילות לגורם עקה עוקב, דבר שיכול להיות בעל השפעה מועילה או מזיקה46. במחקר זה נצפתה תגובה חזקה יותר תחת לחץ משולב בהשוואה לעקה אישית של בצורת. על ידי חקירת תגובות פיזיולוגיות אחרות, התוצאות הראו עלייה ב- ΔT (דלתא) תחת בצורת כמו פיוניות קרובות כדי למנוע אובדן מים עודף. לעומת זאת, התגובה ההפוכה נצפתה תחת עקת חום שבה ΔT היה נמוך יותר בהשוואה לביקורת המשקפת פתח פיוניות כדי להגביר את קירור העלים בהתאם לממצאים בחיטה תחת לחץ משולב של חום ובצורת20. במהלך כריתת מים, העלייה ב-ΔT עקב סגירה סטומטית נבעה ממחסור בחמצן בקרקע ומהפרעה בהומאוסטזיס של מי השורש, ובכך הורידה את זרם השעתוק עם עלייה ב-ABA, הורמון מפתח בתגובות לעקה במים47.
במחקרי עקה צמחית, משך הסטרס וטיפולי ההתאוששות שלאחריו עומדים ביחס ישר לעוצמת העקה. לדוגמה, עקת בצורת מתונה, כגון שמירה על לחות הקרקע בקיבולת שדה של 20% (FC), גורמת לשינויים פנוטיפיים הפיכים שבדרך כלל מתאוששים לאחר יום אחד של השקיה מחדש. לעומת זאת, תנאי עקה חמורים כמו כריתת מים גורמים לנזק פנוטיפי נרחב, המחייב תקופת החלמה ארוכה יותר. למרות שסטנדרטיזציה של משכי הטיפול היא אידיאלית, יש לקחת בחשבון את השונות האינהרנטית בעוצמות הלחץ בתכנון הניסוי.
השלב הקריטי השני הוא לבחור פרוטוקול מתאים ולמטב את ההגדרות עבור כל חיישן. כלורופיל פלואורסצנטי הוא כלי רב עוצמה בקביעת הביצועים של מכשיר פוטוסינתטי תחת לחץ48. ניתן לבחור פרוטוקולים שונים למדידת פלואורסצנטיות של כלורופיל עם צמחים מותאמים לאור או כהה, בהתאם לשאלת המחקר ולתכנון הניסוי49. במחקר זה, הפרוטוקול שנבחר (תגובת אור קצרה) מאפשר לקבוע תכונות שונות, כולל Fv'/Fm', φPSII ו-qL, המציינות את ביצועי הפוטוסינתזה בתנאים שונים50. מחקרים קודמים הראו כי הפרוטוקול המשמש בפנוטיפ בתפוקה גבוהה יעיל בחקירת יעילות הפוטוסינתזה של צמחים תחת יישומים שונים של טיפולי עקה והבחנה בין צמחים בריאים לצמחים בסטרס14,20. בהתבסס על תכנון הניסוי, קריטי מאוד לקחת בחשבון את משך הזמן של הפרוטוקול שנבחר בעת מדידה במערכת תפוקה גבוהה עם אוכלוסיית צמחים גבוהה. לפיכך, מדידת פלואורסצנטיות כלורופיל על צמחים מותאמים לאור באמצעות פרוטוקול זמן קצר נבחרה כדי להבחין בתגובות תחת טיפולים שונים. אינטראקציות גנוטיפ-סביבה יכולות להשפיע על תכונות פנוטיפיות רבות, וזה קריטי במהלך מדידה12. חשוב לקחת בחשבון כי יש להשלים את משך המדידה בזמן קצר כדי למזער את ההשפעה היומית על מגבלות פוטוסינתטיות51.
הדמיית IR תרמית שימשה לקביעת טמפרטורת החופה ולהבנת ויסות הסטומטלית תחת טיפולים שונים52. ראוי להזכיר כי אופטימיזציה טכנולוגית שימשה כאשר קיר החימום היה ממוקם בצד הנגדי של המצלמה, ואת הטמפרטורה של הקיר היה נשלט באופן דינמי לתכנות. לפיכך, התאמת הקיר המחומם ברקע עם חיישנים סביבתיים משולבים נחוצה כדי לבחור כראוי צמחים מהרקע על ידי הגדלת הניגודיות של טמפרטורת הרקע על טמפרטורת האובייקט המצולם.
למרות שניתוח התמונה הוא אוטומטי, עדיין נדרשת התאמת אינדקסי סף RGB כדי לקבל מסיכה בינארית מתאימה בהדמיית RGB כדי לבחור במדויק צמחים53. בנוסף, בחירת זוויות מרובות חשובה להערכה נכונה של פרמטרים כמותיים, כולל ביומסה דיגיטלית וקצב צמיחה. במחקר זה נבחרו שלוש זוויות (0°, 120° ו-240°) בתצוגת הצד של RGB כדי לחשב את נפח הצמח ואת קצב הצמיחה היחסי במדויק.
בהתאם לטווח הספקטרלי, תכונות פיזיולוגיות רבות ניתן לחקור באמצעות הדמיה היפרספקטרלית54. יש לקבוע איזה ממדדי ההשתקפות מספק את המידע הדרוש ומראה את תגובת הצמחים בתנאים שונים14. הוא נדרש מאוד בסינון זנים סבילים ופנוטיפ צמחים כדי לקבוע את המתאם בין המדדים ההיפרספקטרליים לבין תכונות פיזיולוגיות אחרות55. במחקר זה, צמחים תחת טיפול בכריתת מים הראו תגובה בולטת בתכולת הכלורופיל וביעילות הפוטוסינתטית מהדמיית VNIR. יתר על כן, נצפו תגובות שונות במדד המים שחושב מהדמיית SWIR תחת טיפולי חום וסתימת מים עקב תקנות סטומטליות שונות ותכולת המים בעלים.
לפיכך, ממצאים אלה מדגישים את התועלת של גישה כזו לאחר אופטימיזציה של ההגדרות ואת הפוטנציאל של שימוש בחיישנים מרובים כדי למצוא תכונות לחץ רלוונטיות לסובלנות אקלימית. הערכת הדינמיקה של התגובות באמצעות חיישני הדמיה מרובים יכולה לשמש כאחד הכלים רבי העוצמה בשיפור תוכניות הרבייה.
המחברים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים ידועים או קשרים אישיים שיכלו להשפיע לכאורה על העבודה המדווחת במאמר זה.
פרויקט ADAPT זה (פיתוח מואץ של תפוח אדמה עמיד ללחצים מרובים) קיבל מימון מתוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי תחת הסכם מענק No GA 2020 862-858. עבודה זו נתמכה חלקית על ידי משרד החינוך, הנוער והספורט של הרפובליקה הצ'כית עם הקרן האירופית לפיתוח אזורי - פרויקט "SINGING PLANT" (לא. CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_026/0008446). מדעי צמחי מתקן הליבה של CEITEC MU מוכרים בזכות תמיכתם במתקני הטיפוח שלה. אנו מודים ל- Meijer BV על אספקת ייחורים במבחנה המשמשים במחקר זה. אנו מודים ללנקה סוצ'ורקובה על הסיוע בעיצוב הגרפי של איור 2 ולפאבלה הומולובה על העזרה בהכנת חומר צמחי במהלך הניסויים במרכז המחקר Photon Systems Instruments (PSI) (דראסוב, צ'כיה).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.1” CMOS Sensor with RGB camera | PSI, Drásov, Czech Republic | https://psi.cz/ | The sensor delivers a resolution of 4112 × 4168 pixels for side view and 2560 × 1920 pixels for top view. The sensor is extremely sensitive and is a real megapixel CCD replacement and produces sharp, low-noise images |
FluorCam | PSI, Drásov, Czech Republic | FC1300/8080-15 | Pulse amplitude modulated (PAM) chlorophyll fluorometer |
Fluorcam 10 software | PSI, Drásov, Czech Republic | Version 1.0.0.18106 | For Chlorophyll fluorescence images visualization and analysis |
GigE PSI RGB – 12.36 Megapixels Camera | PSI, Drásov, Czech Republic | https://psi.cz/ | For the side view projections, line scan mode was used with a resolution of 4112 px/line, 200 lines per second. The imaged area from the side view was 1205 × 1005 mm (height × width), while the imaged area from the top view position was 800 × 800 mm. |
Hyperspectral Analyzer software | PSI, Drásov, Czech Republic | Version 1.0.0.14 | For hyperspectral images visualization and analysis |
Hyperspectral camera HC-900 Series | PSI, Drásov, Czech Republic | https://hyperspec.org/products/ | Visible-near-infrared (VNIR) camera 380-900 nm with a spectral resolution of 0.8 nm FWHM |
Hyperspectral camera SWIR1700 | PSI, Drásov, Czech Republic | https://hyperspec.org/products/ | Short-wavelength infrared camera (SWIR) camera 900 - 1700 nm with a spectral resolution of 2 nm FWHM |
InfraTec thermal camera (VarioCam HEAD 820(800)) | Flir, United States | https://www.infratec.eu/thermography/infrared-camera/variocam-hd-head-800/ | Resolution of 1024 × 768 pixels, thermal sensitivity of < 20 mK and thermal emissivity value set default to 0.95. with a scanning speed of 30 Hz and each line consisting of 768 pixels. The imaged area was 1205 × 1005 mm (height × width). |
LED panel | PSI, Drásov, Czech Republic | https://led-growing-lights.com/products/ | Equipped with 4 × 240 red-orange (618 nm), 120 cool-white LEDs (6500 K) and 240 far-red LEDs (735 nm) distributed equally over an imaging area of 80 × 80 cm |
Light, temperature and relative humidity sensors | PSI, Drásov, Czech Republic | https://psi.cz/ | Sensors used to monitor controlled conditions in greenhouse |
MEGASTOP Blue mats | Friedola | 75831 | To cover soil surface |
Morphoanalyzer software | PSI, Drásov, Czech Republic | Version 1.0.9.8 | For RGB images visualization and analysis and color segmentation analysis |
PlantScreen Data Analyzer software (Version 3.3.17.0) | PSI, Drásov, Czech Republic | https://plantphenotyping.com/products/plantscreen-modular-system/ | To visualize and analyze the data from all imaging sensors, watering-weighing unit and environmental conditions in greenhouse |
PlantScreen Modular system | PSI, Drásov, Czech Republic | https://plantphenotyping.com/products/plantscreen-modular-system/ | Type of phenotyping platform |
Plantscreen Scheduler software | PSI, Drásov, Czech Republic | Version 2.6.8368.25987 | To plan the experiment and set the measuring protocol |
SpectraPen MINI | PSI, Drásov, Czech Republic | https://handheld.psi.cz/products/spectrapen-mini/#details | Light meter to adjust light level on a canopy level |
TOMI-2 high-resolution camera | PSI, Drásov, Czech Republic | https://fluorcams.psi.cz/products/handy-fluorcam/ | Resolution of 1360 × 1024 pixels, frame rate 20 fps and 16-bit depth) with a 7-position filter wheel is mounted on a robotic arm positioned in the middle of the multi-color LED light panel with dimensions of 1326 x 1586 mm. |
Walk-in FytoScope growth chamber | PSI, Drásov, Czech Republic | https://growth-chambers.com/products/walk-in-fytoscope-fs-wi/ | Type of chambers used to grow the plant |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionExplore More Articles
This article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved