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用低成本电湿度传感器测量叶片湿度:小麦案例研究- 流氓

摘要

背景

叶片上水分的存在和持久性会影响作物的生产性能,因此可能是在育种计划中选择支持或反对的相关性状。低成本、快速和相对简单的方法是筛选大量植物群体进行离体叶片水分分析的重要方法。叶子的水分可以通过电路检测,其中电阻的变化与被测表面的水分成正比。在这项研究中,我们提出了一项协议,通过使用商业设备,通过活体或储存组织的电特性来分析基因型差异。通过比较展开叶和未展开叶,确定叶片成熟度对这些数据的影响。利用两个对结合水亲和力不同的小麦基因型来确定水分状况的影响。

结果

该装置间接估计使用施加到新鲜和储存样品的叶片薄片的两个电极估计叶片水分含量。使用这种水分仪的单一湿度读数平均执行时间〜1.0分钟。指数关联提供了适用于施加到电极的水分抄表(MMR)与电阻之间的关系的良好拟合。用于水/干物质比(MMRNOMM)的MMR为成熟的叶片较低- 对野生叶片的野生叶子的融合体。在27℃下在10分钟后部分脱水和测量时,完全成熟的叶片在27℃下测量40%相对湿度比野生型突变。

结论

本案例研究提供了一种低成本的工具,可比较叶湿度含量的电阻估计,以及在标准环境条件下小麦基因型筛选的有前途和快速的表型方案。测量MMR与时间,新鲜和部分脱水叶片的变化,或MMR归一化为组织水含量,允许基因型之间的分化。此外,本文涉及结合水的基因型之间观察到的差异表明,不仅是自由水分,而且还可以影响这些电估计的叶片湿度措施。

背景

叶片Lamina的水的存在和持续存在是一种可以或多或少明显的现象,可以影响作物性能。水的高持久性增加了微生物和昆虫感染[12],冰层[3.,以及通过聚焦阳光而造成的组织损伤[4.].此外,通过增加叶片表面水膜的存在,不耐水的叶片可以显著减少气体交换,并从根系中减少水分[5.].

可以通过测量应用电路的电阻来检测叶子的水分。在某些情况下,叶片湿润源自植物本身,不同植物对湿润的敏感性不同[6.].叶湿度的电气估计受植物表面,解剖学,生物化学,生物物理和功能性的环境条件,排斥性和亲水性的影响[7.8.9.].组织抗性(例如,穿过细胞质细胞质,空泡,细胞壁,细胞外空间)和组织电容(例如,血浆膜,调色剂)比率也可以随着叶龄而变化,因此叶子的化学成分[10.].此外,从上个世纪初开始研究纤维素材料的电导率的研究突出显示,结合的水(具有不同于自由水的生物物理性质)可以改变纤维素材料的水分含量与特定电导之间的关系[11.12.].在木材和小麦中,由于细胞壁大分子表面不同的带电基团,有不同类型的结合水,有强结合水、弱结合水和非常弱结合水[13.].

考虑到叶片水分在几种与植物性能相关的过程中的潜在累及,并且对于许多物种已经观察到叶片润湿性和表面水保持的可变性[14.],比较基因型在电气特性方面的显型方法可能在育种计划中有用。为了成功地应用选择或识别分子标记,基本的先决条件是遗传变异和快速和低成本的可重复性筛选方法的可用性。目前已有几种用于分析电学性质的自动系统[15.]但它们特别受传感器设计,计算模式和协议的影响[16.].还提供夹子传感器,可以测量露水室中的单叶,或通过液滴应用来完整或分离的叶子[17.,但这些方法费力且难以应用于许多植物。

目的是开发快速且价格合理的表型方案,测试用于木材水分测量的商业,低成本,电阻传感器。扩大(成熟),没有完全扩张(未成熟)小麦叶被从杜兰姆小麦收集(Triticum Turgidum.l . var。杜伦姆)基因型,'trinakria'(野生型)及其- 通过简化水热力学性质的简化分析,选择用于强叶子亲和力的型材[18.].这-mutant也被证明在质子弛豫时间的核磁共振成像和细胞壁的组织化学特征方面与野生型不同[19.].此外,检查了完全镀肺,部分脱水和干燥的重新加湿叶的电性能。实际上,在固定植物生长阶段的育种线,重组近交系或附近的中源性线的高通量分析需要在短时间内加工许多样品(在收集后立即)。因此,通过使用干燥的样品,还检查了样品收集后几天后延迟基因型比较的可能性。

结果

MMR与施加电阻之间的关系

数字1以湿度计显示为施加到电极的电阻的函数显示的水分值。观察到测量的令人满意的可重复性,在20℃的环境温度下最大偏差为±2%。指数协会适合实验数据(自由度,25; r20.9987)。20 - 30 mmr之间的数据点在这条线上,这表明在这一范围内用插值法计算出的电阻值被略微低估(以0.1 Mohm数量级计算)。

图1
图1

MMR对电阻的经验依赖性。磁共振磁阻器和电阻率箱平行于电极安装。施加了增加的电阻,并记录了相应的直流电压信号和MMR。显示插值曲线的等式

数字2显示了水合鲜叶和干燥再湿叶片根据基因型(即野生型、-突变体)和叶片成熟度(即扩展的,未扩展的),如图所示的指数曲线所示。1.水合鲜叶的电阻与报道的鲜玉米叶的电阻相同[20.],大约是干重湿化的叶子的十分之一。在每个样品类型内(即,水合新鲜,干燥的重新加湿叶片)基因型或叶片之间没有显着差异(表1).

图2
figure2

根据基因型和叶片膨胀,估计水合新鲜和干燥再加湿叶片的电阻。数据为平均值±标准误差。WT,野生型;WM water-mutant;NE non-expanded树叶;e,膨胀叶子

表1基因型(即野生型、野生型、野生型)差异的方差分析结果- 叶子成熟度(即,扩展,非扩增)及其相互作用,叶电阻,重量含水量(干重基础),水分仪读数(MMR)和MMR标准化(MMRNORM)到组织水含量

MMRS和全叶水含量的水合和干燥的重新加湿叶片

总的来说,整个叶片的重量水分含量范围为干燥的重新加湿叶片的水合新鲜叶片的约300%(图。3.).根据水分计的读数,样品的水分范围从18% a.u(新鲜叶片)到12% a.u(干燥后再加湿的叶片)。在每个样品类型(即水合新鲜或干燥再湿)中,基因型和叶龄之间没有显著差异(表1),重量含量和MMR。

图3
图3

全叶含水率(干重),按重量法(一种),而Powerfix湿度计的读数(B.),根据基因型和叶片膨大情况,用于水合新鲜和干燥再湿叶片。数据为平均值±标准误差。WT,野生型;WM water-mutant;NE non-expanded树叶;e,膨胀叶子

方差分析结果具有显著性基因型×叶成熟用于MMRNOMM的交互式,用于新鲜完全水合叶,以及干燥的重新加湿样品。实际上,对于完全水合的新鲜叶子,MMRNOMM(图。4.)扩张的成熟叶子较低- 比野生型更流,而对于非膨胀,未成熟的叶子没有看到基因型差异。对于重新加湿的叶子,Mmrnorm为成熟的叶子- 级别高于其未成熟的叶子,而野生型不是;此外,ANOVA表现出显着的叶成熟因为扩大叶片的MMRnorm更高。

图4
装具

湿度计读数归一化(MMRNORM)到新全水合叶片的组织水含量(DW基础)和干燥的再加湿叶片。WT,野生型;WM water-mutant;NE non-expanded树叶;e,膨胀叶子。数据为平均值±标准误差。用不同字母的手段显着差异(P <0.05; Tukey的测试)

鲜叶和再湿叶MMR加工的互换性

如图1所示。5.A,水合新鲜和干燥的重新加湿叶片的MMR之间没有相关性。这种缺乏相关性表明,如果测量相同的水合新鲜或重新加湿叶片,则可以获得MMR的不同数据。另一方面,对于组织含水量的MMR标准化(MMRNOMM)(图。5.B),水合新鲜和干燥的重新加湿叶之间存在反比相关性(R = - 0.33; P = 0.047)。

图5
figure5

在没有校正的情况下,完全湿润、新鲜和干燥的叶片的Powerfix水分计读数之间的关系(一种)及随后的正常化(B.)到水含量(DW)

MMR随时间变化

定义MMR随时间变化较慢或在稳态条件下的时间间隔,从而测量结果受实验误差影响较小(图2)。6.)检查了27℃和40%相对湿度的时间水分仪表的趋势。完全膨胀的水合新鲜叶片显示出初始的快速MMR在前10分钟内减少,然后减少较慢。相反,干燥的重新加湿叶最初保持MMR,然后从脱水过程的开始显示从25分钟至40分钟的快速降低。穿过基因型,- 浓度通常保留水分,尽管干燥的重新加湿叶片不太清楚,因为它们显示出更大的平均值误差。特别是,叶子- 从脱水过程开始时,MMR比野生型更高的MMR(学生的T = 3.748; P = 0.0322; df = 2),当它们部分脱水时。

图6
figure6

水分仪表读数的时间课程,用于膨胀水合,新鲜叶子(一种)及干燥后再加湿(B.)野生型(WT;实线,填充​​符号)和水突变体(WM;虚线,打开符号)的叶子。数据是指±标准错误

讨论

降低叶片薄膜水保留的植物特征可能会影响疾病发病率,也可能影响水采集,使用和再分配[8.9.].这些特征的选择性优势会因物种和生境而异[21.22.].低成本的设备,加上快速和相对简单的方法,对于农艺评价或作为植物育种计划的一部分所需的大量植物种群的筛选是重要的。

本发明的水合新鲜,部分脱水和干燥再加湿叶的比较旨在评估商业装置与新鲜或储存的小麦叶的用途。同时,比较扩增(成熟)和非扩增(未扩增)叶子,以确定叶时代对这些数据的任何影响。最后,使用这两种基因型,其在其组织亲自的水(即,野生型,-突变)定义了水状态的影响。

MMR与电阻曲线的经验构造表明,这些相对湿度值(由水分仪表显示; A.U.)跟随与所施加的电阻的指数关系。使用这种关系,估计的叶电阻似乎是准确的,因为它们具有与其他谷物的其他相同的幅度[20.].

作为干燥处理将深入影响细胞细胞器,膜完整性和束缚/游离水比,因此组织抵抗和电容,与干燥的再加湿叶片相比,水合新鲜叶片的全水合叶片的MMR显着更大,没有样品类型内的任何差异,就叶子的基因型和成熟阶段而言。当MMR标准化到全叶含水量(即MMRNORM)时,结果不同。在这种情况下,mmrnorm为成熟的叶子较低比那些野生型的突变体,因为充分补水的新鲜叶子。因此,在使用MMR进行基因型筛选时,为了消除任何附加的实验误差来源,有必要对年龄和样本类型(新鲜或重新湿化)进行样本标准化。叶龄和基因型影响组织电学特性[10.22.23.]和化学组成,进而是亲水和疏水化合物之间的比例,大分子带电基团上吸附位点的数量和类型,以及组织对水的亲和性,从而得到水/干物质比[13.].因此,似乎叶子的电性质与叶片本身的结构特征没有紧密相关,而是它们是基因型相关和与水/干物质比和干物质比的变化的结果/或水性。'trinakria'及其- 级别非常紧密,它们的水含量非常相似,范围为约1.0-3.0 GH2O gDW- 1用于完全重新加湿和水合组织。反之亦然,基因型在它们的组织亲和力方面对非常强烈的水进行大量不同[18.,在小麦中可达~ 0.10 gH2O gDW- 1[13.因此,自由水是十分之一的第一个。这可以解释为确认假设[11.12.纤维素材料的电性质与结合的水和/或水/干物质比有关,而不是叶片的结构特征。结束水对这些叶子的电性能的影响也可能解释为什么部分脱水的叶片- 级别的水分变化随时间(从脱水过程的开始估计MMR 10分钟),而不是野生型。实际上,随着时间的推移,叶含水量随着离子导体的自由水/结合水比和自由水路径的数量减小[24.].

结论

本案例研究提供了一种用于在标准环境条件下使用商业水分仪进行商业水分仪的方案,以便在标准环境条件下进行小麦基因型的快速和低成本表型。这些室内测量与室外测量的比较是必要的,以验证这些结果从实验室的出口性,以至于开放领域的极其复杂和不同的环境条件。此外,需要比较基因型和环境变量的相对影响(包括温度,相对湿度,风强,太阳辐射的不同组合,以及麦片的湿叶,以及相互作用基因型×环境

我们对叶片电导的电气估计在室内进行固定年龄的叶片,由于环境条件或叶成熟期而导致的干扰最小,并且在基因上关闭基因型之间存在差异。因此,在非常远的基因型中可以预期更大的可变性。这种使用该商业水分仪的表型方案可以应用于在实施相关植物育种计划之前确定叶片含水量电气估计的遗传变异性,遗传和遗传性。水的亲和力增加是主要特征-突变体在这里被选中,因此这些数据表明,尽管生物体中的结合水和自由水水平较低,但水的亲和性可能是造成湿度电估价值差异的原因。

方法

样本的描述

杜兰姆小麦品种“特拉克里亚”(即野生型对照)及其“水突变体”的种子来自Crea-CI(农业研究和经济委员会 - 谷物和工业作物研究中心)收藏。2016年冬季,对于每种基因型,在CREA-CI(意大利福贾,南部的Foggia)的实验领域,播种了10平方米的剧集,有400种种子/ M2。使用的农艺法是作物和地区的标准[25.].植株在茎伸长时施肥,生长时无需灌溉。抽穗期,在每个样地随机收集旗叶以下10片展开叶和10片未展开叶(即充分展开70%左右)。这些叶子被带到实验室,在蒸馏水中充分水合2小时。另外,对于“干燥再加湿”的样品,首先在60°C的烤箱中干燥12小时,然后在20°C和90%相对湿度的烘干机中放置3天。

水分计读数

使用木材水分计(Profi +;)进行湿度计读数(MMRS)(PROFI +;Powerfix.,费用约为10欧元。这有两个电极,除了1.5厘米,是电阻表,设计用于在直流中测量。它的用途与其他夹具的不同之处不同,完全穿过叶子[26.因为这些电极会轻轻刺穿树叶。所声明的工作电压为15 mA (9 V),分辨率为0.1%。湿度计显示样品温度和标称“湿度百分比”。一个“模式”按钮覆盖范围从1(例如,桦木,樱桃,或其他木材样品)到6(砖样品),这可以根据不同的材料设置。在这里,模式1有一个从6到44%的重量的任意尺度,这被用来分析水合的新鲜叶子和干燥的重新湿润的叶子。电极沿叶片正轴侧的主脉施加。为了对所有叶子施加相同的压力,水分计被安装在一个特定的“自制”塑料支架上,该支架与叶子外壳的倾斜度为30度(图)。7.).叶子的中间部分被小心地平放,用两个旋转的塑料夹子夹住末端。测量是在室温(27°C)和40%相对湿度下进行的:(a)新鲜的完全水合的叶子;(b)干燥再加湿的叶片(在相对湿度90%的情况下平衡3天后干燥叶片);(c)新鲜叶片部分脱水。

图7
figure7

叶子湿度计的物理和概略布局定位在自制塑料支撑件上,叶子壳体的斜率为30°(一种).湿度计(B.)有两个电极,相距1.5厘米(C)轻轻刺穿叶子,叶子使用两个旋转的塑料夹(D.

从水或潮湿的空气中提取的10片叶子在吸水纸上迅速吸干,然后进行MMR测量。服用MMR后,对叶子进行称重。分析每个样品所需的时间约为1分钟。每隔5分钟在每个基因型的两片展开叶片上重复测量,以分析MMR随时间的变化。

所有叶片样品的干重(DW)通过在105°C烘箱中烘干12 h获得。叶片含水量以DW为基础表示,按式(1)计算:

$ $ {\ mathrm {gH}} _2 \ mathrm {O} / \ mathrm {gDW} = \离开(\ mathrm{弗兰克-威廉姆斯}- \ mathrm {DW} \右)/ \ mathrm {DW} $ $
(1)

这被用来将MMR (MMRnorm)归一化到单位干物质的组织含水量。

水分计校准

为了估计与水分仪表显示的值相对应的电阻(在Palazzo Sistemi Elettronici [PSL] S.R.L.,Foggia,意大利),MMR对电阻的经验依赖性在20℃下检查。磁共振毫伏(8842A; Fluke)和电阻率箱(RD-1000; Monacor;有1%误差)平行于电极安装。施加了增加的电阻,并记录了相应的直流电压信号和MMR。

统计数据

用于对两种小麦品种和两种叶片膨胀条件的手段中的差异进行单向分析。Tukey的测试和学生的T-Tests用于比较手段。进行回归分析以定义变量之间的任何关联。

可用性数据和材料

在当前的研究中使用和/或分析的数据集可从通信作者在合理的要求。

缩写

Anova:

单向方差分析

DW:

干重

MMR:

湿度计读书

mmrnorm:

归一化水分仪表读数

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致谢

我们感谢Patrizia牧师建筑师,用于制作叶子湿度仪的原理图布局,以便他们帮助帕萨奎尔迪克尼昂和Silvana Paone(Crea-CI)的田间工作和Vito Miullo(Crea-Ci)的建设湿度仪PLEXIGLAS支持。

资金

由SENSAGRI项目(H2020-EO-2016-730074)资助的研究。

作者信息

隶属关系

作者

贡献

AR构思了研究,计划了实验,开发并应用了方法学,统计分析了数据,并起草了手稿。他参与了手稿的起草。GD对手稿中重要的知识内容进行了严格的修改。NPe为本研究的设计和监督做出了重大贡献。GP获取数据以校准湿度计。NPa提出并描述了校准方法。所有作者都已阅读并批准了目前形式的手稿。

通讯作者

对应到Agata Rascio

伦理宣言

伦理批准和同意参与

不适用。

同意出版物

不适用。

利益争夺

提交人声明他们没有竞争利益。

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Rascio,A.,Rinaldi,M.,De Santis,G。等等。用低成本电湿度传感器测量叶片湿度:小麦案例研究- 压力。BMC植物BIOL.19,411(2019)。https://doi.org/10.1186/s12870-019-1987-4

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关键字

  • 叶水分
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