由于气候变化导致许多地区降雨频率增加，预计内涝将成为大麦产量限制的一个更突出的压力。田间涝渍事件的持续时间在整个季节变化很大，在试验涝渍研究中也观察到这种变化。复杂的生理反应难以评估和量化。为了评估大麦在受控条件下的耐涝性，本文利用基于图像的表型分析提出了模拟涝渍胁迫的最佳持续时间和设置。测试了6种方案持续时间，5、10和14天的压力，有和没有7天的恢复。为了量化涝渍对生长和绿度的生理影响，使用了自上而下和侧视图RGB(红-绿-蓝)图像。在每个方案中，每天使用成像平台拍摄这些图像。两种基因型的两行春大麦，在温室条件下生长，分别受到六种方案中的每一种，在三叶期施加压力。通过对大麦茎部生物量和根系成像数据的分析，确定了涝渍胁迫下大麦的最佳胁迫时间，并量化了大麦对涝渍胁迫的生长和形态变化。我们的时间序列结果显示了显著的生长减少和绿化率的变化，这使我们能够确定在受控条件下的最佳方案持续时间为14天的压力和7天的恢复。此外，为了确认该方案的可重复性，在配备RGB和叶绿素荧光成像传感器的不同设备上进行了相同的实验。研究结果表明，所选择的方案能够评估基因型差异，能够进一步确定温室环境中的耐受性反应。总之，这项工作提出了一种新的、可重复的基于图像的方案来评估早期涝渍耐受性，从而精确量化涝渍胁迫相关标记，如绿化率、Fv/Fm和生长率。
图1 实验1中六个实验方案持续时间的示意图总结。对于每种方案(1-6)，每种基因型(RGT Planet和Glasnevin no.5)的5个样本暴露于显示的涝渍(橙色)和随后的恢复(绿色)方案中。采用分块实验设计，在井水条件下匹配相同数量的对照样本。两组在破坏性收获前每天进行成像。
图2 试验1和试验2的成像装置，以评估春大麦对涝渍的反应。实验1的托盘结构的顶部(A)和侧面(B)。RGT Planet在胁迫施加后四天成像。绿线表示分配给每个样本的分割区域。采用支撑桩减少了样本与相邻区域的重叠。(C)实验2的顶部和(D，(E)两个侧视图(D=0°，E=90°)。绿线描绘了分配给在RGB室中拍摄的每张图像的分割区域。试验第14天对照样本样图。在每一轮浇水和图像采集之后，植物被送回生长室内每个托盘最初分配的固定位置。
图3 Glasnevin no. 5个重复的平均每日像素计数。5和RGT Planet基因型在涝渍或对照条件下。橙色区域表示压力持续时间，绿色区域表示恢复期。像素数计算为从侧面和顶部视图分割像素的总和。(A-F)：协议1-6。按天显示各处理的平均误差和标准误差。
图4 6种试验方案评定的大麦茎干质量箱线图。A-F：方案1-6。
图5 涝渍对春大麦生长和光合性能的影响。A：在内涝或控制条件下四种基因型的10个生物重复的平均每日像素计数。像素数计算为从两侧和一个顶视图分割像素的总和。按天显示各处理的平均误差和标准误差。照片不是在第6天和第14天拍摄的，数据是在这几天外推的。B：在内涝或控制条件下4个基因型10个重复的平均Fv/Fm值。橙色区域表示胁迫持续时间，绿色区域表示恢复期。
图6 绿色色调丰度对内涝的响应随基因型和时间的不同而不同。A-D: 在控制条件下四种基因型；E-H: 在内涝条件下四种基因型。红线表示胁迫结束，恢复期开始。图中给出了每种色调的RGB(红-绿-蓝)和十六进制值。色相值表示整个分割区域中特定色相的比例。所示值代表每次加入和处理的10个生物重复计算的平均值。
Langan, P., Cavel, E., Henchy, J. et al. Evaluating waterlogging stress response and recovery in barley (Hordeum vulgare L.): an image-based phenotyping approach. Plant Methods 20, 146 (2024).
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王春颖
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