本申請要求2014年4月28日提交的美國臨時專利申請號61/985,308的優先權的權益，其內容通過引用以其整體結合到本文中。

發明領域和背景

本發明在其某些實施方案中涉及農業，更具體但并非唯一地講涉及用于表征植物行為的方法和系統。

由于農業擴展到之前未開墾區域所致，新的非生物脅迫抗性栽培種(即對諸如干旱、極端溫度或鹽分等脅迫條件有抗性的栽培種)的全世界的開發生產正在增長。所述區域常常遇到土壤肥力低、可變鹽分的地下水、對水浸的敏感性、灌溉水品質惡化和用含高氯化物濃度的邊際水灌溉。預期全球變暖的威脅和氣象條件和降水水平的相關波動加快農業擴展到之前未開墾區域。

許多植物種對非生物脅迫的主要和直接反應是生長速率下降，這最終導致產量顯著降低。在非生物脅迫下生長速率下降的原因中有根傳導性降低，這引起突然的氣孔關閉，導致蒸騰速率和光合作用降低。植物能夠利用多種脅迫防御機制(尤其例如滲透壓調節、抗氧化保護和離子內環境穩定機制)應付非生物脅迫。這些機制使植物甚至在脅迫條件下都能夠完成其生命周期同時維持某種產量水平。

兩種主要方法通過產生新的脅迫抗性栽培種來應付這些問題。第一種是使用不同候選基因的基因工程，第二種是傳統育種。然而，由于田間的土壤質地、水分含量和鹽分的空間變異、鹽分和變化的光強度，故難以評價脅迫條件下的植物產量。

本申請的同一發明人的WO2010/049939涉及在兩種或更多種植物的群體中鑒定一種或多種植物的系統和方法。所述方法包括監測該群植物的一個或多個參數并產生表明一個或多個參數的值的一個或多個時間信號。對信號進行處理以計算隨一個或多個時間間隔各自的推移各植物的蒸騰速率和蒸騰速率的變化率的一個或兩個。然后應用包括所計算的蒸騰速率的算法以評定植物的等級，鑒定出等級高于預定等級的植物。

發明概述

按照本發明一些實施方案的一個方面，提供用于表征植物的系統。該系統包括多個傳感器，所述傳感器經配置以感測表明出自全植物的蒸騰速率的第一參數和表明進入全植物的吸水速率的第二參數。該系統還包括處理器，所述處理器經配置接收來自傳感器的信號，對信號進行處理以計算兩個參數，并根據計算的參數表征植物。在本發明的一些實施方案中，處理器經配置以時刻計算第一參數和第二參數的至少一個。按照本發明的一些實施方案，處理器經配置以時刻計算第一參數和第二參數兩者。

按照本發明的一些實施方案，處理器經配置以根據計算的參數來計算分值。

按照本發明的一些實施方案，植物是一群植物的成員，且處理器經配置以計算該群中各植物的分值，并根據分值評定該群的植物的等級。

按照本發明的一些實施方案，傳感器包括用于感測第二參數的土壤含水量傳感器和用于感測第一參數的重量傳感器。

按照本發明的一些實施方案，該系統包括含有土壤和水并經設定以接受植物的容器，其中重量傳感器是經布置以感測容器及其內含物的重量或重量變化的測壓元件(load cell)。

按照本發明的一些實施方案，容器被覆蓋以減少或防止水從容器中蒸發。

按照本發明的一些實施方案，處理器經配置以時刻從由測壓元件產生的時間相關信號計算蒸騰速率，從而提供蒸騰速率的時間相關性。

按照本發明的一些實施方案，處理器經配置以根據蒸騰速率的時間相關性計算蒸騰速率的變化率。

按照本發明的一些實施方案，處理器經配置以時刻從由土壤含水量傳感器產生的時間相關信號計算吸水速率，從而提供吸水速率的時間相關性。

按照本發明的一些實施方案，處理器經配置以從吸水速率的時間相關性計算吸水速率的變化率。

按照本發明的一些實施方案，處理器經配置以計算植物的水分利用效率。

按照本發明的一些實施方案，該系統包括經配置用于測量表明大氣水分需要的其它參數的裝置，其中處理器經配置以從裝置接收時間相關信號，計算其它參數，并計算第一參數和其它參數間的比率。

按照本發明的一些實施方案，處理器經配置以計算蒸騰速率并將計算的蒸騰速率歸一化至選自以下的至少一個歸一化量值(normalizing quantity)：植物葉表面積、葉的氣孔密度和土壤水分含量。

按照本發明的一些實施方案，處理器經配置以將植物歸類為至少一個分類群。

按照本發明的一些實施方案，處理器經配置以將植物歸類為以下之一的分類群：(i)顯示等水行為(isohydric behavior)的植物的分類群，和(ii)顯示非等水行為的植物的分類群。

按照本發明的一些實施方案，處理器經配置以計算葉相對含水量的變化性，且其中分類依照變化性進行。

按照本發明的一些實施方案，處理器經配置以計算嫩枝重量比和根攝入率，且其中變化性根據嫩枝重量比和根攝入率間的差異計算。

按照本發明的一些實施方案，處理器經配置以接收至少一種水通道蛋白的表達譜，且其中分類部分基于所接收的表達譜。

按照本發明的一些實施方案，處理器經配置以根據參數的至少一個估算全植物導水率，且其中分類部分基于植物導水率。

按照本發明一些實施方案的一個方面，提供表征植物的方法。所述方法包括從多個傳感器接收信號，所述信號與表明出自全植物的蒸騰速率的第一參數和表明進入全植物的吸水速率的第二參數有關。所述方法進一步包括處理信號以計算兩個參數，并根據計算的參數表征植物。在本發明的一些實施方案中，時刻計算第一參數和第二參數的至少一個。在本發明的一些實施方案中，時刻計算第一參數和第二參數兩者。

按照本發明的一些實施方案，所述方法包括根據計算的參數計算分值。

按照本發明的一些實施方案，所述方法包括可控制地改變植物所暴露的環境條件，并在改變后重新計算分值。

按照本發明的一些實施方案，所述方法包括選擇針對其計算的分值高于預定閾值的環境條件的范圍。

按照本發明的一些實施方案，植物是一群植物的成員，所述方法包括計算該群中各植物的分值，并根據分值評定植物的等級。

按照本發明的一些實施方案，所述方法包括選擇植物群所暴露的環境條件，其中等級評定與所選的環境條件有關。

按照本發明的一些實施方案，計算包括時刻從由測壓元件產生的時間相關信號計算蒸騰速率，從而提供蒸騰速率的時間相關性。

按照本發明的一些實施方案，所述方法包括根據蒸騰速率的時間相關性計算蒸騰速率的變化率。

按照本發明的一些實施方案，計算包括時刻從由土壤含水量傳感器產生的時間相關信號計算吸水速率，從而提供吸水速率的時間相關性。

按照本發明的一些實施方案，所述方法包括從吸水速率的時間相關性計算吸水速率的變化率。

按照本發明的一些實施方案，所述方法包括計算植物的水分利用效率。

按照本發明的一些實施方案，所述方法包括接收與表明大氣水分需要的其它參數有關的時間相關，其中所述方法包括計算其它參數和第一參數和其它參數間的比率。

按照本發明的一些實施方案，所述方法包括使計算的蒸騰速率歸一化至選自以下的至少一個歸一化量值：植物葉表面積、葉的氣孔密度和土壤水分含量。

按照本發明的一些實施方案，所述方法包括將植物歸類為至少一個分類群。

按照本發明的一些實施方案，所述方法包括將植物歸類為以下之一的分類群：(i)顯示等水行為的植物的分類群，和(ii)顯示非等水行為的植物的分類群。

按照本發明的一些實施方案，所述方法包括計算葉相對含水量的變化性，其中分類根據變化性進行。

按照本發明的一些實施方案，所述方法包括計算嫩枝重量比和根攝入率，其中變化性根據嫩枝重量比和根攝入率間的差異計算。

按照本發明的一些實施方案，所述方法包括根據參數的至少一個估算全植物導水率，且其中分類至少部分地基于植物導水率。

除非另有定義，否則本文所用的所有技術和/或科學術語具有本發明所屬領域普通技術人員通常理解的相同含義。雖然類似或等同于本文所述那些方法和材料的方法和材料可用于本發明實施方案的實施或測試，但下面描述了示例性的方法和/或材料。萬一有抵觸，將以本專利說明書(包括定義)為準。另外，材料、方法和實施例只是說明性的，無意是必然限制性的。

本發明實施方案的方法和/或系統的實施可包括以手工、自動或其組合進行或完成選定的任務。此外，按照本發明的方法和/或系統的實施方案的實際儀器和設備，可利用操作系統，通過硬件、軟件或固件或其組合執行若干選定的任務。

例如，按照本發明的實施方案，用于進行選定任務的硬件可作為芯片或回路實施。作為軟件，本發明實施方案的選定任務可利用任何合適的操作系統以多個被計算機執行的軟件指令實施。在本發明的一個示例性實施方案中，本文所述方法和/或系統的示例性實施方案的一個或多個任務通過數據處理器(例如用于執行多個指令的計算平臺)進行。任選數據處理器包括用于存儲指令和/或數據的易失性存儲器和/或用于存儲指令和/或數據的持久性存儲器，例如硬磁盤和/或可移動介質。任選還提供網絡接線。還任選提供顯示器和/或用戶輸入裝置(例如鍵盤或鼠標)。

若干附圖簡述

本文參照附圖，僅通過舉例描述了本發明的一些實施方案。雖然現詳細具體地參照附圖，但要強調的是所示細節僅通過舉例并用于說明性論述本發明的實施方案的目的。在這一方面，隨附圖一起的描述使本領域技術人員清楚可如何實施本發明的實施方案。

附圖中：

圖1A顯示由于在夜晚和隨后的白天時間內的蒸騰所致溫度受控溫室中生長的對照番茄植物的重量變化；

圖1B顯示圖1A植物的計算的全植物蒸騰(WPT)；

圖2A-C分別顯示植物、濕燈芯(wet wick)和恒重的重量變化速率中的平均和疊加振蕩；

圖3A-C分別顯示圖2A、2B和2C示圖的自相關函數；

圖3B-F分別顯示全植物、浸水燈芯(submerged wick)和恒重殘差時間系列的波譜；

圖4A顯示5天脫水對瞬間WPT速率的作用(平滑振蕩的)；

圖4B顯示在圖4A的平滑圖形上疊加的WPT速率中觀察到的振蕩圖形；

圖4C顯示濕燈芯的平滑和振蕩蒸發速率；

圖4D顯示在圖4C的平滑圖形上疊加的蒸發的振蕩圖形；

圖5A-F顯示典型番茄全植物、切離嫩枝的平滑WPT速率和疊加振蕩及濕燈芯的蒸發速率和疊加振蕩；

圖6A-C顯示ABA缺陷型sitiens植物和對照植物的振蕩和平滑WPT速率及濕燈芯的蒸發速率和疊加振蕩的代表性結果；

圖7A-D顯示兩株楊樹(銀白楊(Populus alba))植物的振蕩和平滑WPT速率及濕燈芯的蒸發速率和疊加振蕩的代表性結果；

圖8A-B顯示對照植物和突變體植物；

圖9A和9B分別顯示圖8中的對照植物和突變型植物的蒸騰；

圖10顯示圖8中的對照植物和突變型植物的氣孔孔徑大??；

圖11是適于表征本發明一些實施方案的一種或多種植物的系統的示意圖；

圖12A-C顯示與圖12C所示參比(浸水燈芯)環境蒸氣壓不足(VPD)相比，在5天脫水處理期間2株番茄植物的蒸騰速率(圖12A和12B)；

圖13A-E顯示不同的全植物參數沿土壤-環境水梯度的變化。(A)連續6天的實驗期間(包括3天的充分灌溉接著3天的干旱)的每日VPD和輻射(Rad)。(B)在充分灌溉和干旱處理過程中M82和MP1植物的重量變化(相對于這些植物的最初重量)。觀察到的重量增加(用箭頭標示)是灌溉直到排水孔水平的結果(圖20B)。(C) 6天實驗期間SWC的變化。(D)在實驗過程中的全植物蒸騰E [mmole m^-2 s^-1]。為了排除植物大小對蒸騰速率的作用，我們將植物水分散失速率歸一化至葉表面積。(E)全植物冠層蒸氣導度gs_c [mmole m^-2 s^-1]計算為E與同時計算的VPD的比率。各曲線(B-E)是各系9-10株植物的均值；每90分鐘計算SE。

圖14A-C顯示中午蒸騰與SWC。在(A)夏季實驗(與圖1相同的植物)和(B)冬季實驗的整個期間隨SWC而變化的中午全植物蒸騰(對于MP1，n = 11，對于M82，n = 9，有關環境條件的描述參見圖21A)。(C)最大日蒸騰速率(E_max)的均值(±SE)和臨界SWC (θ_cr)的均值(±SE)。星號標示非重疊95%置信區間。

圖15A-C顯示不同SWC水平上的gs_c、葉RWC和Ψ_葉的變化。使植物在土壤滲透儀系統中生長，并連續監測(A)均值(±SE，n = 5)和全植物gs_c。當盆達到預先確定的高SWC水平(70-80%)、中等SWC水平(40-50%，夏季實驗約θ_cr)和低SWC水平(10-20%)時，從這些盆中的植物上收獲葉，并測量(B) RWC和(C) Ψ_葉。各數據點是來自在測量時達到精確SWC的盆中的5株不同植物的5片葉的均值± SE (圖13A-E所述相同的植物)。星號標示處理內各品系間的顯著性差異(Student t檢驗，p < 0.05)。不同的字母表示不同處理中相同品系中午測量之間的顯著差異[單因素方差分析(ANOVA)檢驗，P < 0.05]。

圖16A-C顯示在不同的SWC水平下系統的不同組件的導水率。(A)土壤導水率(K_土壤)，(B)全植物導水率(K_植物)和(C)壤-植物連續體的導率(K_總)。各點是各品系的5株植物的均值± SE。不同的字母表示不同處理中相同品系中午測量之間的顯著差異[單因素方差分析(ANOVA)檢驗，P < 0.05]。

圖17A-C顯示在不同的SWC水平下每日水分流入量和流出量及全植物水平衡。同時測量(A) M82和(B) MP1的植物水分散失速率(ET)和根吸水速率(J_r)的每日形式。流入量和流出量間的累積差異為(C)全植物相對含水量(RWC)的改變。各數據點為各品系的至少9株植物的均值± SE。斜率下的連線標示蒸騰速率和在該蒸騰速率下由根吸收水的速率之間的顯著性差異(Student t檢驗，p < 0.05每30分鐘進行)。插圖顯示7和9:30 am之間斜率的幅度。

圖18A-C顯示不同的SWC水平下M82和MP1中SlTIP1;1、SlTIP1;2和SlPIP1;5的相對表達譜。在不同的SWC條件(~80%、~50%、~20%)下MP1(灰色條形柱)和M82 (黑色條形柱)中的(A) SlTIP1;2、(B) SlTIP2;1和(C) SlPIP1;5的相對表達的qPCR分析。數據表示為均值± SE (N = 5)。柱上不同的字母表示顯著差異(t檢驗，P < 0.05)。

圖19A和19B顯示液泡水分供應：不間斷蒸騰圖示。葉片水分狀況的動力學緩沖的水流量控制。(A)黎明前在高土壤水分可用性條件下的葉和(B)中午在低土壤水分可用性條件下的相同葉。在緊密靠近細胞質的葉肉細胞壁的微細管結構內產生葉的負水勢(Nobel，2009)，這使得胞質有脫水危險。我們提出如下避免這種危險：(i)通過維持分隔這2個區室的質膜的低傳導性，和(ii)根據液泡膜的水分傳導升高對液泡的緩沖作用(P_ft)。平行地，降低細胞壁中的水勢從木質部吸入水分。另外，K_葉“閥” (維管束鞘水分傳導)控制水分向葉中移動(Shatil-Cohen等，2011；Shatil-Cohen和Moshelion，2012；Pantin等，2013)，這與葉水勢、相對含水量(RWC)和膨壓喪失速率有關。分別由于TIP和PIP的長期活性所致，較高的P_ft和K_葉水平被認為是造成非等水和等水植物間的差異的分子機制的一部分。

圖20A-C顯示土壤滲透儀系統和完整處理概括方案。(A)加載MP1和M82番茄植物的原型溫室陳列(由48個稱重土壤滲透儀組成)。該完全自動化的系統同時從全部植物中收集數據。(B)包括3.9-L盆的單一單位的圖示，將盆通過容器頂部的開口插入不透明塑料排水容器中。盆-容器系統坐落在靈敏的溫度補償測壓元件上。排水容器的目的是在一天內保持植物可獲得水(0-600 mL)以避免由白天灌溉事件引起的重量改變，所述灌溉事件將使連續的瞬間蒸騰速率的計算復雜化。每盆中的土壤探頭連續監測生長介質的體積含水量和電導率。灌溉系統受預編程的閥(CPV)控制。開發了用于植物專用的多項生理學分析的算法以提供(C)在充分灌溉、干旱和恢復期內在不同的受測品系中重量的平均變化和SE。

圖21A-D顯示在響應土壤-環境水梯度時的全植物蒸騰調節(冬季實驗)。(A)在連續8天實驗期間的每日VPD和輻射(Rad)，該實驗包括2天充分灌溉，接著5天干旱。(B)與其初始重量相比，在充分灌溉和干旱處理過程中M82和MP1植物重量的相對變化。從開始灌溉直到水達到排水孔時盆的重量增加(另參見圖20B)。(C)在這些階段的土壤含水量(SWC)。為了排除植物大小對蒸騰速率的作用(這可能與MP1植物中所觀察到的較快的重量丟失和較快的SWC降低有關)，使植物水分散失速率歸一化至葉表面積。(D)全植物蒸騰E [mmole m^-2 s^-1]和(E)全植物冠層蒸氣導度(gs_c [mmole m^-2 s^-1])計算為E與同時測量的VPD的比率。如所預期的，浸水燈芯對照處理顯示在實驗期間幾乎不變的水分流失。各曲線(B-E)為9株M82植物或11株MP1植物的均值。每90分鐘計算SE值。

圖22顯示在冬季實驗中在不同的SWC水平下葉RWC和Ψ_葉之間的關系。使植物在土壤滲透儀系統中生長，并連續監測SWC。當觀察到SWC = 70-80%、SWC = 40-50% (約θ_cr)和SWC = 10-20%的預先規定的值時，從植物上收獲葉，并測量其中午(A) RWC和(B) Ψ_葉。各條柱為3-5株不同的植物的9片葉的均值± SE，所述植物的盆在測量時達到精確SWC。星號標示處理中各品系間的顯著差異(Student t檢驗，p < 0.05)。不同的字母表示不同處理中相同品系中午測量間的顯著差異[單因素方差分析(ANOVA)檢驗，P < 0.05]。

圖23A-E顯示不同的SWC水平下M82和MP1植物中SlTIP2;2、SlTIP2;3、SlTIP3;1、SlTIP4;1和SlPIP2;5 AQP的相對表達譜。在不同的SWC水平(~80%、~50%、~20%)下MP1 (灰色條形柱)和M82 (黑色條形柱)中(A) SlTIP2;2，(B) SlTIP2;3，(C) SlTIP3;1，(D) SlTIP4;1和(E) SlPIP2;5相對表達的qPCR分析。數據表示為均值± SE (N = 5)。柱上不同的字母表示顯著差異(t檢驗，P < 0.05)。

圖24顯示全植物生長速率。全植物重量(g)的均值(±SE)。星號標示品系間的顯著性差異(Student t檢驗，p < 0.05)。

本發明具體實施方案的描述

本發明在其某些實施方案中涉及農業，更具體但并非唯一地講涉及用于表征植物的方法和系統。

本發明實施方案基于以下認識：為了正確地評價植物參數，除了測定水從全植物流向大氣(通過計算蒸騰速率相關參數)以外，還要了解進入全植物的水流入量(例如通過測量特別但不必在植物根附近的土壤濕度(moister))是有利的。在本發明不同的示例性實施方案中，時刻，例如至少每60分鐘一次或至少每30分鐘一次或至少每10分鐘一次或至少每5分鐘一次或至少每4分鐘一次或至少每3分鐘一次或至少每2分鐘一次或至少每1分鐘一次計算表示蒸騰速率的參數和表示水流入量的參數的至少一個、更優選兩個。

如本文所用，出自全植物的蒸騰意指總體通過葉、更優選總體通過植物的所有蒸騰器官(例如葉、莖、花、果實)離開植物的總水量。

如本文所用，出自全植物的蒸騰速率為總體通過葉、更優選總體通過植物的所有蒸騰器官(例如葉、莖、花、果實)離開植物的每單位時間的總水量。

按照本發明的一些實施方案，利用離開植物和進入植物的水通量以根據其在正常和異常(例如水脅迫)條件下的根功能估算根系的相對活性并表征植物。本發明實施方案的系統任選和優選執行自動化篩選總體和更優選在干旱下的生理學根部性能性狀。在本發明不同的示例性實施方案中，同時執行兩種或更多種、更優選許多植物的數據收集、分析和表征。篩選任選和優選精確找出顯示在不同發育階段和土壤類型中在不同處理下有優良的根吸水的植物。

本發明在至少一些實施方案中提供這樣的系統，其同時監測兩個或更多個植物的群中的蒸騰速率和土壤水分變化，并鑒定群中相對于其它植物的特性提高的那些植物，如按其蒸騰速率和由植物根吸收的水分之間的關系所測定的。

按照本發明的一些實施方案，植物的重量增加通過重量傳感器測量并用作其蒸騰速率的代表。還考慮了測量表示蒸騰速率的參數的其它裝置。例如，可使用紅外攝像機以生成平面的熱成像，數據處理器可分析熱成像，并估算植物的散熱速率，在此情況下散熱速率用作植物蒸騰速率的代表。

按照本發明的一些實施方案，土壤濕度或土壤含水量(SWC)通過土壤濕度傳感器測量并用作由植物吸收的水量的代表。優選將土壤濕度傳感器置于植物附近。還考慮了用于測量表示由植物吸收的水量的參數的其它裝置。代表性實例包括而不限于用于測量土壤中的含水量的NMR裝置或X射線裝置、用于測量土壤水分濕張力的張力計等。

上述裝置的任一個可單獨或通過系統補充使用。優選系統包括測量表示植物的蒸騰速率的參數的至少一個裝置或傳感器和測量表示由植物吸收的水量的參數的至少一個裝置或傳感器。

傳感器產生時間相關信號，所述信號表示由傳感器感測的各個參數(重量、含水量)并任選和優選對其進行分析。在一些實施方案中，植物是封閉在容器中的盆栽植物，所述容器含有與盆的內含物有流體連通的適量的水。在這些實施方案中，傳感器可以是測量容器以及容器的內含物(包括水)的質量或重量的測壓元件。植物所致蒸騰引起容器中水的量隨時間減少，這反映在由傳感器感測的質量或重量下降。因此，通過監測一段時間內容器的質量或重量(例如同時用于兩個或更多個容器)，可計算隨時間變化的蒸騰速率，并且通過監測一段時間內的SWC，評價植物利用水的量和任選還有利用水的速率。

在本發明不同的示例性實施方案中，處理隨時間推移由傳感器產生的信號以測定兩個或更多個時期內的蒸騰速率和吸水。對于每個時期，處理可包括計算該時期內蒸發水的平均數和標準偏差，提取該時期內蒸發水和植物質量增加之間的比率。該比率稱為植物的“水分利用效率”(WUE)。另外，還通過測定被植物吸收的水分提取每個時期的水分利用。

處理任選和優選根據統計分析評定植物的等級，例如，根據至少一個參數，例如但不限于蒸騰速率和/或吸水速率和/或吸水速率和蒸騰速率間的差異和/或具體SWC中的WUE和蒸騰評定植物的等級。這允許鑒定群中具有優選特性的植物。

等級評定可用于一個以上的目的。在本發明的一些實施方案中，植物暴露于其中的環境條件(溫度、干旱水平、濕度、光等)是可控變化的，并根據變化后的至少一個參數計算分值。這可重復一次或多次使得描述植物特性的分值與各環境條件相關。這允許選擇改進植物行為的環境條件的所需范圍。例如，在使分值歸一化至0和1之間的數值時，分值超過介于0和1之間的預定閾值的任何環境條件可定義為適于植物生長的環境條件。預定閾值的代表性實例為至少0.5或至少0.6或至少0.7或至少0.8或至少0.9。

在本發明的一些實施方案中，植物是一群植物的成員，計算選定環境條件的群中各植物的分值。在這些實施方案中，根據分值評定植物的等級，其中等級評定與所選的環境條件有關。這允許選擇所選環境條件的最佳植物或植物組。環境條件還可變化，并在變化后重復群中植物的分值計算和等級評定。這也允許選擇變化環境條件的最佳植物或植物組。最后，可產生輸出以提供環境條件范圍列表，和預期在各個環境條件范圍下行為改進的植物或植物組的相應列表。

在一個實施方案中，在兩個或更多個時期內處理信號，其中通過植物群所暴露的一組的一個或多個環境條件表征兩個或更多個時期的每一個。在一個時期內，環境條件可以是對照環境條件，而在另一個時期內，環境條件可以是脅迫條件。為了檢查植物從脅迫中恢復，可回設條件以控制?？赏ㄟ^脅迫和恢復的不同組合重復該方案。在兩個時期之間可改變的環境因素包括例如水的可用性、濕度、溫度、輻照、鹽分、土壤礦物質含量以及生物參數例如土壤中細菌和病原體。例如，可指定在脅迫環境條件下具有高蒸騰速率的植物比在相同條件下具有較低蒸騰的植物高的等級。在該實施方案中，處理可進一步包括計算在植物暴露于環境條件的改變和在從該脅迫中恢復期間蒸騰速率和水分利用的變化率。等級評定還可包括當植物的環境條件改變時檢測的蒸騰速率和/或吸水的變化率。任選和優選指定其中當環境條件更多脅迫時蒸騰速率慢慢降低的植物比其蒸騰較快降低的植物高的等級評定。任選和優選指定其中當環境條件變得較少脅迫時蒸騰速率快速提高的植物比其蒸騰較慢增加的植物高的等級評定。任選和優選指定在脅迫條件下吸水較高的植物比吸水低的植物高的等級。

在一個實施方案中，利用本發明鑒定植物生長的最適環境條件。在該實施方案中，在兩個或更多個時期的每一個中，將植物暴露于不同的環境條件中。

植物的等級評定可通過若干方法的任一種進行，使不同水平的篩選成為可能。一種方法包括預先確定的時間內目標和對照植物的累積重量的比較。通過統計工具將每個個別植物的重量增加與目標植物群和對照植物的平均重量增加進行比較。

在評定植物等級的另一種方法中，利用累積蒸騰，通過每日蒸騰和每日吸水求和，以提供指定時期內植物蒸騰的水含量的度量。任選和優選將每個個別植物的累積蒸騰和吸水與目標植物群和對照植物的平均累積蒸騰進行比較，并且將兩者與潛在蒸騰速率(大氣需要)進行比較。

在另一種方法中，通過將某一時期內的累積重量增加除以該時期內的累積蒸騰，來測定WUE。

可通過信號采樣，從通過重量傳感器產生的信號測定瞬間蒸騰速率，以獲得重量時間系列。重量時間系列任選和優選被平滑至某種程度(例如經噪聲降低處理)以分離出晝間蒸騰(水分流失)趨勢。然后通過平滑重量變化的時間導數(例如一階時間導數)計算晝間蒸騰速率的形式。任選和優選將每個個別植物的峰值蒸騰速率及其計時與目標植物群和對照植物的平均峰值蒸騰速率和計時進行比較，并且將兩者與潛在蒸騰速率進行比較。

可通過信號采樣，從通過土壤濕度傳感器產生的信號測定瞬間吸水速率，以獲得濕度時間系列。濕度時間系列任選和優選被平滑至某種程度(例如經噪聲降低處理)。然后可通過濕度時間系列中變化的時間導數(例如一階時間導數)計算吸水速率。

現參照附圖，圖11是按照本發明的至少一些實施方案用于同時監測植物或兩個或更多個植物的群體的蒸騰速率的系統1的示意圖。系統1任選和優選還鑒定群中相對于其它植物特性提高的那些植物。

系統1包括一個或多個監測裝置2，其中各監測裝置2用來監測各個植物4的蒸騰速率和吸水。為簡要起見，且僅舉例來說，圖11顯示了2個監測裝置2a和2b。通常，可配置系統1以包括等于待監測的群中的植物數的多個監測裝置2。

各監測裝置2任選和優選包括感測一個或多個與植物有關的參數的兩個或更多個傳感器3、6。在圖11 (其不被視為限制性的)中，裝置2a包括傳感器3a和傳感器6a，裝置2b包括傳感器3b和傳感器6b。各傳感器3、6產生表示由傳感器感測的相應的測量參數的時間相關信號，所述信號被傳送到處理站8用于如下解釋的進一步處理。傳感器6和處理站8間的通信可通過如圖11所示的有線信道，其中傳感器6的每一個通過通信線10與處理站8連接，所述通信線可任選為有線的?；蛘撸瑐鞲衅骺山洘o線信道與處理站8通信。在圖11所示的一個優選的實施方案中，植物4為保持在盆12中的盆栽植物，每盆12被封裝在容器14中。容器14在圖11中以剖視圖顯示，以顯示盆12和裝在容器14中的植物4的部分。每盆12含有生長介質，所述介質可為固體，例如土壤或人工生長介質，或可為液體，如水培植物生長的情況。

傳感器3可為置于土壤中的濕度傳感器，任選和優選在植物根的附近。各個容器14含有適量的水18，所述水通過盆12中的孔16與盆12的內含物流體連通。在這個優選的實施方案中，傳感器6是測量容器14以及容器內含物(包括水18)的質量的測壓元件，而將傳感器3置于盆內部的土壤中。植物4所致蒸騰引起容器14中水18的量隨時間推移減少，這反映在由傳感器6感測的質量的減少。

測壓元件可被校準以指示室的絕對重量或相對于基線的重量或相對于基線或相對于之前的重量測量的重量變化。測壓元件優選足夠靈敏，足以檢測重量的極快(例如在10分鐘或更短內，或在1分鐘或更短內，或在10秒鐘或更短內，或在5秒鐘或更短內或在1秒鐘或更短內)的變化和重量的極小變化(例如小于1 gr、或小于0.1 gr或小于0.01 gr的變化)。

在試驗站，優選提供多個容器14和植物4。一天一次(通常在蒸騰速率非常低的夜里)給容器14裝水到預先確定的水平(取決于所采用的脅迫)，在干旱脅迫期間，一個或多個容器14不裝水，或在鹽分脅迫期間可裝入含鹽水等。盆12任選和優選用蓋子20(植物的莖22通過蓋子穿過)蓋上以減少或防止水分從盆的內含物中蒸發。同樣地，各個容器14任選和優選用蓋子24 (莖22通過蓋子穿過)蓋上以防止水從容器14中蒸發。

因此通過監測一段時期內容器14的質量，可在處理裝置8中計算一段時期內的蒸騰速率，并且通過監測SWC，可按如下解釋的計算吸水速率。

傳感器6，當作為測壓元件執行時，也可用來監測盆12以及其包括植物4的內含物的質量。在植物4生長時，植物4的質量增加，并且通過監測盆12的質量，使得監測一段時期內的盆12的質量允許按如下解釋的在處理站8計算一段時期內植物的生長速率，并由此計算產量。

系統1任選和優選進一步包括裝置26以測定大氣水分需要。裝置26包括優選由紡織品制成的燈芯28。將燈芯28的一部分浸入容器32的水30中，相當于下述“濕燈芯”。任選和優選將燈芯28的大部分暴露于環境空氣中，使得燈芯28從容器32吸收的水可從燈芯蒸發。裝置26進一步包括傳感器34，所述傳感器是用于監測容器32及其內含物的質量的測壓元件。測壓元件34產生表示容器32及其內含物的質量的時間相關信號，所述信號經可為有線信道或無線信道的信道36與處理站8通信。容器32任選每日用水充滿至預先確定的水平。

系統1可任選包括其它傳感器(未顯示)，例如監測隨時間推移的株冠溫度、盆12的含水量或水勢的傳感器。還考慮了其它外部傳感器(未顯示)，用于測量環境光、環境溫度和環境相對濕度的至少一種。

傳感器(例如傳感器3、6和34)的一個或多個產生與處理站8通信的時間相關信號。處理站8包括CPU 38，所述CPU包括多路復用器40，其相繼將各輸入信號發送至模數轉換器42，所述轉換器以預先確定的時間并以預先確定的頻率采集輸入信號樣本。采樣頻率可為例如每12小時，更優選，更優選，更優選，甚至更優選，還更優選每2小時、每小時、每10分鐘、5分鐘或每分鐘、每30秒鐘或每10秒鐘。越高的采樣頻率允許越短的采樣時間，越短的采樣時間趨于顯示包括蒸騰速率的振蕩(否則在較低的采樣頻率時可忽略)的瞬間蒸騰速率。數字化信號的樣本通過鐘43計時打印，計時打印樣本被存儲在CPU的存儲器44中。各信號存儲在存儲器44的文件45中，所述文件通過在其中產生信號的監測裝置的標識符是可尋址的。CPU含有經配置以處理存儲在存儲器44中的信號的處理器46。處理優選包括從信號中過濾裝置相關噪聲。

對于通過測壓元件6產生的信號，處理任選和優選包括例如通過計算濾過信號的時間導數，來計算監測裝置的植物4的蒸騰速率。對于通過濕度傳感器3產生的信號，處理任選和優選包括例如通過計算濾過信號的時間導數，來計算植物4的吸水速率。

處理還可包括例如通過計算信號的時間導數，來計算監測裝置上的植物4的生長速率。處理還可包括將計算的蒸騰速率與來自燈芯28的蒸發速率進行比較。處理還可包括計算各植物的蒸騰速率與其生長速率間的比率。處理還可包括計算植物4的根吸水作為SWC的時間導數。

在本發明的一些實施方案中，處理包括計算葉相對含水量(RWC)的變化性，并將植物歸類為以下之一的分類群：(i)顯示等水行為的植物的分類群，和(ii)顯示非等水行為的植物的分類群。例如，當特定植物的葉RWC的變化性高于預先確定的RWC變化性閾值時，處理器可將植物歸類為非等水的，而當特定植物的葉RWC的變化性低于預先確定的RWC變化性閾值時，處理器可將植物歸類為等水的。RWC變化性閾值可以百分比表示。適于本發明實施方案的代表性RWC變化性閾值包括而不限于約5%或約10%或約15%或約20%。

RWC變化性的測量優選在預先確定的時間內，其可以是而不限于約1小時至約一天。因此，例如，當在預先確定的時間內相對于基線RWC，葉的RWC改變超過P%時，處理器可將植物歸類為非等水的，而當在預先確定的時間內相對于基線RWC，葉的RWC改變小于P%時，處理器可將植物歸類為等水的，其中P為約5-約20?；€RWC可方便地設置為100%，當可選擇任何其它的基線水平。

RWC的變化性可根據根攝入率和蒸騰速率計算。在本發明的一些實施方案中，對根攝入率和蒸騰速率間的差異隨時間求積分，將積分的結果除以植物的重量以求出RWC的變化性。積分優選但不必是離散積分。以下的實施例部分提供所述計算的代表性實例。

處理站8還任選和優選包括用戶輸入裝置48，其可為鍵盤50或計算機鼠標52，可允許用戶將任何相關信息輸入存儲器44中，所述信息例如在各個監測裝置中的植物4的標識符、在其下獲得信號的環境條件。顯示裝置54用來顯示任何輸入信號或任何處理的結果。

按照本發明的至少一些實施方案，信號處理在兩個或更多個時期的每一個內進行。通常，通過植物群所暴露的一組的一個或多個環境條件表征兩個或更多個時期的每一個。在一個時期內，環境條件可以是對照環境條件，而在另一個時期內，環境條件可以是脅迫條件。系統1因此可進一步包括用于在植物4的環境中產生所需條件的裝置(圖11中未顯示)。所述裝置可包括用于產生所需溫度、濕度、水鹽分等的裝置。

可配置處理器46以使蒸騰速率歸一化至各植物葉的表面積或至葉中的氣孔密度。可按本領域已知，使用掃描儀測定葉的表面積。

對于每個時期，處理可任選和優選包括計算在一段期間內在群中觀察到的蒸騰速率的平均數和標準偏差或蒸騰速率和生長速率間的比率。處理可任選和優選還包括按照下面更詳細描述的本領域的任何已知方法使信號的任何波動或其它噪聲平滑。然而，應注意到，信號仍可振蕩，表示植物蒸騰速率的振蕩，而非噪聲。

處理可任選和優選進一步包括根據統計分析評定群中各植物的等級，例如，根據其蒸騰速率或其蒸騰速率和生長根攝取的比率和脅迫耐受性評定植物的等級。任選比較多個植物群間的平滑蒸騰速率圖，另外或備選振蕩蒸騰速率圖之間的差異，所述植物群可例如任選根據物種、物種內的品系或所述品系的遺傳修飾形式而不同；對于最后的選擇，任選將特定品系的一個或多個遺傳修飾的形式與非修飾品系或與修飾品系的其它形式進行比較。

要認識到，為清楚起見在單獨的實施方案的情況下描述的本發明的某些特征，也可在單一實施方案中組合提供。相反地，為簡明起見在單一實施方案的情況下描述的本發明的各種特征，也可單獨或以任何合適的亞組合或在本發明的任何其它描述的實施方案中合適地提供。在不同實施方案的情況下描述的某些特征不被視為那些實施方案的必要特征，除非實施方案沒有那些要素便無效。

在下列實施例中提供如上文描述和如隨附權利要求書部分要求保護的本發明的不同實施方案和方面的實驗支持。

實施例

現參照下列實施例，所述實施例與上述描述一起以非限制性方式說明本發明的一些實施方案

實施例1

在Faculty of Agricultural, Food and Environmental Quality Sciences, Rehovot, Israel，使用本發明的系統在溫室中進行實驗研究。該系統包括3.9升種植盆，該盆放置在與CR10數據記錄器(Campbell, scientific inc. USA)連接的溫度補償的測壓元件(Tadea-Huntleigh，Israel)上。盆裝入商品化種植介質(一種泥炭和凝灰巖熔渣的混合物)，并使單株植物在各盆中生長。將每盆通過容器頂蓋的孔沉入塑料容器(13x21.5x31.5 cm H W L)中。將盆和容器的頂部用鋁箔密封以防止蒸發。在高水平灌溉條件下，每日向容器中加水到高于盆底2 cm的高度。用過量的水灌溉易于濾去每天在種植介質中蓄積的鹽。將商品化肥料溶液0.2% (Super Grow，Hortical Israel)加入灌溉水中，一種稱為“加肥灌溉”的過程。加肥灌溉確保a)植物不遭受水脅迫，和b)白天容器重量只通過植物蒸騰單調地減少。

在3分鐘時間段內對每10 s記錄的盆重量讀數取平均。該平均時間段低于振蕩頻率(20-40分鐘)且高于奈奎斯特頻率(可從一組數據獲得有用信息的最高頻率)，而且發現對振蕩具有較小作用。在通過將70 gr鋼珠從700 mm的高度投下激發后，測壓元件讀數在2 s后穩定(生產商的數據)。因此，10秒鐘重量采樣間隔確保適當遵循0.5 g/10秒鐘重量降低的最大速率。

為了從植物蒸騰速率的短期振蕩中鑒定和隔離由測量和數據采集系統引起的任何噪聲，將約6 kg的恒重(大致等于容器+盆+植物的質量)放入溫室中的測壓元件上2天。

植物

使番茄植物(Solanum lycopersicom，之前稱為Lycopersicon esculentum L.)在由14小時光和10小時暗構成的光照周期中在受控環境溫室和商品化溫室兩者中生長。受控環境溫室中的溫度在夜晚時間為18℃，在正午時間為35℃，在這2個極端溫度之間逐漸變化。商品化溫室中的環境條件用帶有濕墊子的風扇控制。使脫落酸(ABA)缺陷型系sitiens栽培種(Ailsa Craig如近等基因系的背景，Andrew J. Thompson博士惠贈)和楊樹植物(銀白楊)在商品化溫室中生長。在這些實驗中使用從1年齡楊樹植物插條(高出種植介質表面約10厘米)再生的4月齡嫩枝。

通過將放在測壓元件上的5株植物中的2株野生型番茄植物的根切下，來進行切割番茄嫩枝實驗(Cut tomato shoot experiment)。在晚上進行根切除，同時將植物浸入自來水中以防氣泡滲入木質部中。然后將番茄嫩枝浸入含有2升自來水的容器中，所述容器放置在測壓元件上。通過停止灌溉6天產生脫水條件。

葉面積測量；在實驗結束時立即切下番茄葉，使用自動掃描儀(Li cor，Li 3100型面積計量儀)掃描。使用便攜式葉面積掃描儀(Li cor，Li-3000A型)，在不切割葉的情況下測量楊樹葉面積。

測量垂直懸掛的編織布條(0.14 m²)的重量丟失，將所述布條的較低端浸入水中(本文稱為“濕燈芯”)。自濕燈芯的重量丟失速率提供對瞬間大氣需要的評估。與濕燈芯重量下降有關的噪聲也用來表明與對動態單調重量變化的測壓元件響應有關的噪聲水平。通過下面解釋的時間系列分析，對來自具有植物、濕燈芯的測壓元件的數據和恒重數據進行分析。

數據分析

通過所測重量時間系列的一階導數，計算容器的水分流失速率，為全植物蒸騰(WPT)速率的負值

其中W_k和W_k+1是在時間t_k和隨后的時間步長t_k+1測量的容器重量。一般來說，微分法起高通濾波器的作用，因此顯著放大高頻噪聲。噪聲可通過平滑(消除長期趨勢)所測數據(時間系列)降低或消除，使得它在光譜分析之前變成固定的。引導變分模式(leading variation pattern)的微分法提供平滑圖形WPT速率。任何方法均可用于平滑數據，包括非參數平滑(例如移動平均數、Savitzky-Golay和FFT過濾)和非參數回歸(將若干階的多項式、指數函數、對稱和不對稱轉移函數等擬合至所測數據)。

本文假設容器-重量時間系列遵循累加模型

其中W為在時間t_k的重量，假如它隨時間平緩變化，為與該值的偏差。在平滑時間系列上疊加的系統重量振蕩也是時間系列，被稱為“殘差時間系列” (殘差是所測數據和擬合曲線之間的差異)。當殘差時間系列的均值為零時，所測時間-系列的趨勢被適當地去除。我們假定殘差時間系列 (方程式2)是2個時間系列的疊加；一個由起源于數據采集和其它系統相關噪聲的殘差造成，，另一個來自起源于WPT的固有振蕩的殘差，。對于恒重、濕燈芯和植物運行的獨立測量的時間系列被用來通過自相關函數研究和的性質并檢查其隨機性(白噪音)。

的光譜分析來用探索循環模式的存在。光譜分析將具有周期分量的復雜時間系列分解成少數特定波長的基礎正弦波(正弦和余弦)函數。通過鑒定重要的基礎周期分量，可實現目標現象的特性，即鑒定WPT速率中基礎周期分量的波長和重要性。這種光譜分析顯示時間系列中不同長度的周期。

殘差時間系列的光譜(振幅與頻率)通過快速傅里葉變換(FFT)計算，所述快速傅里葉變換將時域信號或時間系列分解成復指數(正弦和余弦)。恒重殘差時間系列的光譜將用來確定頻率閾值，所述頻率閾值可用來從植物-重量殘差時間系列濾出高頻噪聲(低通濾波器)。隨后，通過逆FFT將過濾光譜重建成時間系列(在時域中)。重建的低通過濾的時間系列的時間導數 (為的低通濾波)提供使平滑WPT速率疊加的振蕩蒸騰速率。

實驗1

全植物蒸騰(WPT)速率的振蕩

圖1A顯示在溫度受控的溫室中生長的對照番茄植物在夜晚和隨后的白天時間內通過蒸騰的典型的實測重量變化。通過如圖1B所示的實測重量時間系列的時間導數(方程式1)計算WPT速率。該時間導數有噪聲，盡管表觀相對平滑重量減輕圖形(圖1A)。噪聲振幅在夜晚和上午早期時間較低，隨后增加，在上午后期和下午早期時間達到最大，并在晚上時間再次下降。平滑圖形附近的重量振蕩通常被視為隨機信號(白噪音)，其不含有關蒸騰速率的圖形及其依賴于環境條件的有用信息，因此在數據平滑過程中忽略。

或者，通過先使重量時間系列平滑，然后計算時間導數，來計算WPT速率(圖1B)。使用30個數據點窗口寬度，通過Savitzky-Golay (S-G)方法使度量-重量時間系列平滑。該平滑方法基于數據內移動窗口間的最小平方二次多項式(盡管也可使用較高級次)擬合。S-G方法可應用于過濾窗口的不同寬度，并且被視為產生精確平滑導數的非常好的方法，為其中蒸騰/蒸發速率通過重量減輕的導數測定的本研究的一個優勢。用針對寬范圍的過濾窗口寬度的S-G方法獲得非常高的R²值，并且由于過濾窗口寬度減小，擬合改進。然而，由于過濾窗口寬度減小，預測的吸水圖形包括較低頻率和較高振幅的振蕩，并且對于極窄窗口R²→1，這意味著平滑曲線穿過所有數據點，且導數的圖形與所測數據的數值微分法獲得的相同(圖1B)。圖1B顯示之前用S-G方法針對全植物平滑的數據時間系列的時間導數。

圖2A、B、C分別顯示全植物、濕燈芯和恒重的重量變化速率的平均振蕩和疊加振蕩。之后說明了計算振蕩蒸騰速率的方法。全植物、濕燈芯和恒重的不同的振蕩圖形表明WPT速率的振蕩的確是一種生理現象，在測壓元件和數據采集系統中獨立于噪聲或在環境條件下的直接振蕩。

為了排除WPT速率中的振蕩是系統和環境噪聲的可能性，通過計算信號的自相關，針對隨機性(白噪音)檢查了全植物、濕燈芯和恒重的殘差(所測數據和通過S-G方法時間系列的數據平滑之間的差異)。圖3A、C、E分別顯示3種情況的自相關函數。受控重量殘差時間系列的自相關函數 (圖3E)在滯后=0時具有強峰，且對于所有其它的滯后接近零。該形狀表明可被視為白噪音。與此相反，全植物殘差時間系列自相關函數 (圖3A)對前200滯后是周期性的，其中峰與峰間的差異平均為40滯后。這表明了全植物殘差時間系列可與白噪音相區分。濕燈芯的自相關函數(圖3C)表明該數據的殘差時間系列也不是隨機的。在這種情況下隨機性偏離可與溫室內環境條件的改變相關。全植物與濕燈芯的自相關函數之間(分別為圖3A和C)和兩者與恒重的自相關函數之間(圖3E)的顯著差異表明全植物的殘差時間系列含有與使平滑重量減輕圖形疊加的振蕩植物蒸騰圖形相關的非隨機噪聲，超出濕燈芯蒸發的疊加振蕩。

隨機性的其它試驗是光譜分析，其也被用來從“有色”噪聲中過濾白(隨機)噪聲。圖3B、D和F分別顯示全植物、浸水燈芯和恒重殘差時間系列的光譜。恒重大體平坦的光譜(圖3F)表明其殘差時間系列幾乎是隨機信號(白噪音)。全植物的光譜(圖3B)在低于2.5 h^-1的頻率下具有高振幅，在較高頻率下具有較低的振幅。濕燈芯光譜在低于2 h^-1的頻率下具有高振幅(仍低于全植物)，在較高頻率下具有較低的振幅。為了過濾白噪音，在進一步分析前，對低于2 h^-1的一段過濾器通過頻率對兩種光譜進行低通過濾。重建的低通過濾的殘差時間系列的時間導數分別顯示植物的WPT速率的振蕩和使平均蒸騰/蒸發速率疊加的濕燈芯的蒸發速率(圖2A、B)。對于不同天數和不同環境條件的植物獲得圖2和3中的相似結果。

干旱對WPT速率圖形的振蕩的作用

圖4A顯示通過逐漸消耗種植介質中的水獲得的5天脫水對瞬間WPT速率(平滑振蕩的)作用。圖4B中分別顯示疊加在圖4A中的平滑圖形上的WPT速率中所觀察到的振蕩圖形。在圖4的第1天之前的晚上提供最后一次灌溉。出于比較，在圖4C中顯示了濕燈芯的平滑和振蕩蒸發速率，且在圖4D中分別顯示了疊加在圖4C中的平滑圖形上的蒸發的振蕩圖形。圖4顯示：1)在前兩天植物可獲得水以滿足大氣需要，且平滑和振蕩WPT速率的特征圖形與圖2A所示的特征圖形類似。平滑蒸騰速率圖形在每天具有兩個峰(圖4A)；早晨一個較低峰和和午后一個較高峰。2)由于種植介質中水消耗所致，蒸騰速率在最后兩天顯著降低。這些天每一天的兩個峰具有相似的高度，它們之間有明顯的下降。與全植物的每日兩峰圖形不同，平滑濕燈芯蒸發速率的恒定值中有一個峰(圖4C)。單個每日峰的計時與平滑WPT速率的第二峰一致。3) WPT速率的振蕩圖形明顯不同于濕燈芯蒸發速率的振蕩圖形，后者在白天時間內具有一致的振幅值，略不同于夜晚時間的振幅值(圖4C、D)。相比之下，WPT速率的每日振蕩圖形隨時間顯著變化。它在夜晚時間低，在9:00 AM左右開始增加，接近正午和下午早期加強，此時VPD和蒸騰速率高，并在下午較后時間逐漸降低(圖4A、B)。白天和夜晚時間WPT和蒸發速率間振蕩振幅的顯著差異(分別為圖4B和D)表明WPT速率的振蕩是與變化的周圍環境條件有關的固有生理過程。4) WPT速率振蕩的振幅取決于水可用性，如圖4A、B中最后2天可見。在前3天其相對于正午時間內平滑蒸騰速率的值高得多。5)預料不到地，觀察到振蕩夜晚蒸騰速率圖形(圖4A、B)；在前3個夜晚較高并且在隨后的2個夜晚接近零。

全植物與切離嫩枝

圖5顯示典型的番茄全植物、切離嫩枝的平滑WPT速率和疊加振蕩及濕燈芯的蒸發速率和疊加振蕩。圖5D顯示“母體”植物(其結果見圖5C)的嫩枝的結果。與兩峰每日平滑WPT速率圖形(圖2、4和5A-C)不同，切離嫩枝的平滑蒸騰速率圖形(圖5D)在早晨具有單峰，接著蒸騰速率的單調下降。如前所見(圖2和4A)，WPT速率的每日第二峰與濕燈芯的單峰一致(圖5E、F)。注意，圖5D中的單峰高于此時(圖5B)和之前白天同一時間(圖5A、C)的全植物的瞬間蒸騰速率，可能由于在全植物中流動的根阻力所致。嫩枝蒸騰速率的振蕩圖形和振幅(圖5D)總的來說與自濕燈芯的蒸發速率獲得的類似(圖5E、F)，且兩者均低于WPT速率的振蕩圖形和振幅(圖5A-C)。

ABA缺陷型突變體

圖6顯示ABA缺陷型sitiens植物和對照植物的振蕩和平滑WPT速率和濕燈芯的蒸發速率和疊加振蕩的代表性結果。因為比較兩種不同的植物，所以使蒸騰速率歸一化至各植物的葉面積，并使濕燈芯歸一化至其自身的表面積。當與對照相比時，sitiens突變體顯示顯著較高的每日蒸騰速率(圖6A)。與對照植物相比，這些植物顯示特有的和高得多的振幅和頻率振蕩圖形。這些振蕩始于黎明時，并持續一整天(圖6B和C)。雖然sitiens植物在早晨9 AM左右失去膨脹，但它在一整天繼續蒸騰，并在夜晚保持膨脹度。

與作為較高木質部脆弱植物的楊樹比較

圖7顯示2株楊樹(Populus alba)植物的振蕩和平滑WPT速率和濕燈芯的蒸發速率和疊加振蕩的代表性結果。使蒸騰速率歸一化至各植物的葉面積。楊樹相對的低蒸騰速率是(與燈芯大致相同)由于其尺寸小所致(圖7)。楊樹植物的振蕩圖形與對照番茄植物大不相同(圖2和4-6)，但與sitiens植物的類似(圖6)。如WPT的黎明后振蕩檢測的(圖7)，振蕩加劇，并在整個白天時間保持相同圖形。該蒸騰速率圖形(包括振蕩)可能與番茄和楊樹之間空腔脆弱性脅迫(cavitation vulnerability stress)的差異有關。

實驗2

針對蒸騰模式測試等基因番茄突變

在近交品種M82的遺傳背景下的等基因番茄“突變文庫”中應用本發明的方法。該文庫的田間預篩選得到甚至在用水充分澆灌的營養物供應條件下顯示萎蔫反應的29個突變體品系。各品系成員的量自1到11變化，總共350株個體。

篩選方法包括6個十分靈敏的溫度補償測壓元件(稱重土壤滲透儀)，所述元件與數據記錄器連接，并每3分鐘采樣。將單一盆栽植物置于測壓元件上1-2天。時間取決于鑒定與對照植物和浸水燈芯相比受測突變體的蒸騰模式的能力(提供有關大氣需要的信息)。通過用鋁箔覆蓋種植介質表面來防止盆表面的蒸發。每天傍晚對植物進行水肥混合灌溉。將盆浸入容器中以保持根的恒定的水可用性。從350株植物中，鑒定出表示兩個突變體品系2株單獨的植物。

2株植物(選自在溫室中同時監測的系列中的42株植物)表示干旱處理期間蒸騰速率的2種不同模式(策略)。該圖表示在高通量選擇過程中PLANTarray所用的5個標準之一(參見材料與方法)。

突變體#30，具有低于對照植物40%的葉面積(圖8)蒸騰相似的水量(圖9a)，即每葉面積單位較高的蒸騰速率。突變體#7，具有比對照植物小得多的葉面積(圖8)蒸騰比對照少得多(圖9b)。尋找突變體間蒸騰差異的原因，我們發現氣孔孔徑大小(圖10)和密度顯著改變。與對照(17± 0.14；均值± SE，N=29)相比，突變體#7的每0.1 (mm)²葉尺寸的平均氣孔數顯著較低(11± 0.16；均值± SE，N=29)，而其它突變體(#30)每0.1 (mm)²葉具有顯著較高的氣孔數(23± 0.16；均值± SE，N=29)。與對照相比(26.94±12.4；均值± SE，N=29)，突變體#30的平均氣孔孔徑顯著較小(11.86 ± 6.3；均值± SE，N=29)，其中突變體#7平均氣孔孔徑顯著較高(66±12.4：均值± SE，N=29；P值= 0.001)。

這些結果允許在約8周監測后在350株植物群中鑒定出氣孔缺陷突變體，這顯著短于常規的田間篩選方法。

實施例2

不完全了解在面臨土壤水分可用性和大氣水分需要的波動時維管植物管理其水分平衡所采用的不同策略的調整。

該實施例涉及對在響應土壤水分可用性和大氣需要間的失衡時，在等水和非等水番茄(Solanum lycopersicum)品系中水分內環境穩態調節的動力學和動態學進行的研究。除環境輻射亮度和蒸氣壓不足以外，采用根據自稱重裝置和SWC推導的蒸騰速率和根吸水間的差異連續監測全植物蒸騰速率、根-嫩枝水通量比率的新系統，在特定環境條件下表征植物的行為。同時從幾十株植物中收集這些測量數據，支持所有植物的全植物氣孔導度、用水效率、相對含水量變化和導水率的計算(還考慮根吸水計算相對含水量變化)。各種SWC水平下兩個栽培種的幾種水通道蛋白(AQP)的表達譜顯示2種液泡膜AQP (TIP)和1種質膜AQP (PIP)的表達的差異。

該實施例顯示將等水與非等水行為區分開來的主要特征是葉相對含水量的變化性(RWC)。在兩個品系中，葉水勢隨干旱發展而降低。然而，與在非等水品系中相比，在等水品系中，RWC在較窄的范圍內波動。下面還描述了液泡特別是其TIP對調節葉片水分狀況和用于蒸騰的不間斷供水的動態緩沖作用。

材料與方法

實驗設置

該研究在位于以色列Rehovot的Faculty of Agriculture, Food and Environment的溫室中在2011年12月和2012年6月進行(分別稱為冬季和夏季實驗)。在溫室中，將植物保持在自然光條件下，并使用通風孔和/或冷卻的濕空氣以確保溫室中的最高溫度不超過35℃。溫度和相對濕度在夏季實驗中為25-35℃和40-60%的范圍，在冬季實驗中為18-35℃和20-35%。實驗設置包括42個置于溫度補償的測壓元件(1042 C4；Vishay Intertechnology，USA)上的3.9-L盆。將盆裝載商品化種植介質(Matza Gan；Shaham，Givat-Ada，Israel)，每盆含1株植物。自此，該種植介質可稱為“土壤”。將每盆通過其頂蓋上的孔放入塑料容器(13 × 21.5 × 31.5 cm；高×寬×長)中。土壤表面和容器用鋁箔覆蓋以避免蒸發。將土壤濕度傳感器(5TE；Decagon Devices，USA)放置在各盆中。通過校準傳感器測定Topp三階多項式方程(Topp等，1980)的特定系數。

在充分灌溉處理時，每日用水裝入容器中以確保一整天的水可用性，并避免日間對任何補充灌溉的需要，這可能產生重量。在干旱處理時不供水。各個容器中的排水孔保持容器中水的水平在每次澆水后高于盆底2 cm。過量灌溉旨在防止鹽在土壤中的任何蓄積。這種設置確保了容器重量在白天進程中只因植物蒸騰而單調地降低。每日與灌溉水一起以0.2% (v/v)供應商品化肥料溶液(Super Grow 6-6-6+3；Hortical，Kadima，Israel) (加肥灌溉)。

將6個濕燈芯置于另外6個測壓元件上，其輸出提供環境條件對蒸騰的作用的參考。各燈芯為編織的地板抹布，將其下部分浸入水中。使用傳感器(HC2-S3-L；Rotronic，Switzerland和LI-COR 190 Quantum Sensor；LI-COR，USA)監測溫室中的溫度和相對濕度和光合有效輻射(PAR)。

將稱重土壤滲透儀、土壤濕度傳感器和環境傳感器通過AM16/32B多路復用器(Campbell Scientific，USA)與CR1000數據記錄器連接。每15秒鐘記錄稱重土壤滲透儀和環境傳感器的讀數，并且將每3分鐘時期的平均數儲存在數據記錄器中用于進一步分析。每3分鐘測量土壤濕度。

該研究包括番茄植物(Solanum lycopersicum)的2個品系MP1和M82，其分別顯示非等水和等水行為。各實驗包括3個階段。在第一個階段，稱為預處理，每日灌溉植物(參見上文詳情)。在第二個階段，稱為干旱處理，終止灌溉。在第三個階段，稱為恢復處理，重新開始每日灌溉。在完成所有這些階段后，取出植物嫩枝，稱重并測量各嫩枝的葉面積(LI-COR 3100面積計量儀；LI-COR，USA)。

在干旱處理期間的不同的3天同時測量葉水勢(Ψ_葉) (Arimad 3000 Pressure Chamber；MRC，Israel)和相對含水量(RWC)。每次測量包括經過相似SWC水平(~80%、~50%和~20%)處理的各品系的5株植物。在白天6 am、10 am和2 pm當盆中的含水量達到規定的SWC水平時，收集測量數據。從每株植物的單片葉中收集測量數據。采用Sade等(2009)中描述的方案，評價RWC。

根據黎明前(W_m)和晚上(W_e)的測壓元件讀數之間的差異，計算植物每日蒸騰(PDT)。W_m和W_e計算為30分鐘時間內的平均重量。當在灌溉事件后從容器中的排水結束時，根據連續兩天早晨(分別為k+1和k)容器重量間的差異(W_k+1 - W_k)，測定每日植物重量增加(ΔPW_k)。注意由于排水受容器壁中的孔控制，只由植物重量增加決定所觀察到的重量差異。

對農藝用水效率(WUE) (定義為植物重量增加(ΔPW)和蒸騰的水量之間的比率)進行了評估，而不是評估植物的生理用水效率(累積的CO₂分子和蒸發的H₂O分子間的比率)。通過擬合在預處理階段累積植物重量增加與累積水蒸騰的線性曲線，測定各品系的WUE。在干旱處理進程中每日植物重量增加應用以下方程式2.1計算，其中WUE為各品系的擬合線性曲線的斜率。

計算每株植物的葉面積比率(LAR) (定義為實驗結束時葉面積(LA)和嫩枝重量之間的比率)，并對不同的品系取平均。還計算了不同植物的嫩枝-重量比率(SWR) (定義為實驗結束時所測嫩枝重量和計算的植物重量之間的比率) (對于兩個品系SWR = 0.6)。葉面積(單位：cm²)應用以下方程式2.2估算。

全植物蒸騰速率[ET (g/h)]是白天重量減輕的一階時間導數的負值。重量數據的數值導數有噪聲，應在計算導數前進行數據-平滑程序。將Savitzki-Golay (1964)方法用于此目的(Wallach等，2010)。通過將平滑SWR數據的一階導數(采用盆重量數據所用的相同方法測定)乘以盆中種植介質的體積，計算根攝入率j_r。在預先確定的時間內的水流入量(根攝取)和水流出量(蒸騰)間的差異誘導植物RWC的變化。瞬間全植物RWC變化(ΔRWC)為自午夜(n = 0；RWC = 100%)開始的RWC變化的總和除以植物重量。在方程式2.3 (下文所示)中，Δt為采樣事件間的時間間隔(0.05小時)，PW為特定天的植物重量。

蒸氣壓不足(VPD)為飽和空氣的蒸氣壓和環境空氣的蒸氣壓之間的差異(單位：KPa)。在植物中，這是指氣孔下腔中的壓力和大氣壓之間的差異。在方程式4 (下文所示)中，T為空氣溫度(℃)，RH為相對濕度(0-1)，0.611為0℃下的飽和蒸氣壓，17.502和240.97為常數(Buck，1981)。

歸一化至植物葉面積的蒸騰速率(E [mmol sec^-1 m^-2])等同于通過氣體交換裝置測量的公值，但是指全植物，不僅僅是通過裝置測量的小面積。冠層蒸氣導度(gs_c [mmol sec^-1 m^-2])可應用方程式2.5計算，其中P_atm為大氣壓(101.3 KPa)。

通過將van Genuchten模型(Van-Genuchten，1980)擬合至所采集的ψ(θ)數據，計算ψ(θ)之間的關系的特征曲線(其中ψ為土壤基質電勢，θ為SWC)和土壤導水率函數K(θ)。

表1

用于該研究的種植介質的van Genuchten模型參數

植物導水率

一般來說，全植物導水率等于蒸騰(E，歸一化至葉面積)除以葉(Ψ_葉)和根之間的勢差。在該研究中不測量根電勢，所以我們假設黎明前葉水勢(Ψ_PD)與根電勢平衡(Holloway-Phillips和Brodribb，2011)。因此，全植物導水率(K_植物)應用以下方程式2.6計算：

蒸騰與土壤含水量

比較不同植物隨時間推移的行為可導致錯誤的推論，因為未在相似的水可用性水平下比較植物的固有參數。在某一時間，比其它植物蒸騰多的植物將面對較低的SWC水平。為此，將植物的蒸騰(E)對SWC (θ)作圖。所提供的每日E和θ值為在11 am和1 pm之間觀察到的平均值。應用方程式2.7以擬合各番茄品系的E(θ)數據。在方程式2.7中，E_max、b和θ_cr為模型擬合參數。

數據分析

應用Matlab軟件(MathWorks，USA)進行所有的數據分析。數據集包括每日數據(每株植物每天1個值)和每3分鐘計算的連續數據(每株植物每天480個值)。在P < 0.05下被視為顯著不同的均值利用Student t檢驗和單因素ANOVA比較(在圖例中注釋)。對于兩個品系方程式2.7的參數比較使用95%置信區間進行。非重疊置信區間標示在P < 0.05下的顯著性差異。

氣孔孔徑和密度

如(Geisler和Sack，2002)中的詳述將背軸葉氣孔印在玻璃上。在夏季實驗約11 am時采用所有樣品。對氣孔計數，并在安裝了Hitachi (Hitachi；Japan) HV-D30 CCD照相機的亮場倒置顯微鏡(Zeiss 1M7100；Zeiss，Jena，Germany)下拍照。稍后應用ImageJ軟件面積測量工具，分析氣孔圖像以測定孔徑尺寸。將顯微鏡標尺(Olympus；Tokyo，Japan)用于尺寸校準。

定量PCR (qPCR)定量分析基因表達

在與用于測量RWC和葉水勢的其它葉片相同的時間收獲用于該分析的番茄葉(參見上文“實驗設置”)。使用Tri-Reagent (Molecular Research Center，USA)提取總的RNA，并用無RNA酶的DNA酶(Fermentas，Vilnius，Lithuania)處理。按照生產商說明書，使用EZ-First Strand cDNA Synthesis Kit (Biological Industries，Israel)制備cDNA。在Corbett Research Rotor-Gene 6000 Cycler中，在SYBR Green I (Takara，Japan)存在下進行qPCR。番茄β-肌動蛋白基因(Sade等，2012)用為參比用于cDNA量的標準化。反應程序如下：94℃下30秒鐘，接著由94℃下10秒鐘、在60℃下30秒鐘組成的40個循環，然后在72℃下再20秒鐘。用于擴增特定片段的引物對列于下表2。

表2

結果

多種植物每日蒸騰速率的比較

兩個十分近緣的番茄品系M82和MP1用于該研究，因為(按照我們之前收集的未發表數據)這些品系分別顯示等水和非等水行為。首先使用新的高通量全植物診斷系統定義了一組可比較的標準和參數，其使我們能夠強調在特定環境條件下的不同全植物水-調節行為的生理差異(參見材料與方法和圖20A-C)。

大范圍SWC (θ)水平下全植物蒸騰速率(E)和冠層蒸氣導度(gs_c)的觀察結果(圖13A-E)顯示MP1的E和gs_c始終高于M82品系的E和gs_c。發現與E隨時間推移的圖相比，對E與θ作圖(圖14A-C)提供用于比較不同植物的蒸騰調節的更多生理相關性。植物蒸騰越多SWC降低越快且越早面臨水分不足的事實為使用作為比較植物蒸騰行為基礎的θ提供依據。

MP1顯示更易變的蒸騰與土壤含水量比率

E隨θ作圖(圖14A-C)顯示指定環境條件下至臨界SWC水平(θ_cr)的一致的中午蒸騰水平(E_max)，且當θ進一步下降時E急劇減少。所述E相對于θ的變化表明只有當θ < θ_cr時，土壤水分可用性才是限制因素；而當SWC大于臨界水平(θ > θ_cr)時，大氣水分要求控制E。在所檢查的θ水平和光條件范圍內，MP1的E/θ比率始終高于M82的E/θ比率，正如我們在夏季(圖14A)和冬季實驗兩者中測量的(圖14；天然輻照度的水平在冬季較低；而采用人工手段以在不同季節保持VPD在類似水平下，圖21A和圖13A)。

當土壤中可獲得充足的水分時，植物運送水的能力與許多生理、形態和解剖特征有關，所述特征一起決定各植物的E_max。這些近緣的番茄品系的氣孔密度和孔徑的比較顯示兩個品系相似的氣孔密度(對于MP1和M82分別為24 ± 3和21.3 ± 1.3個氣孔/0.1 mm²，均值± SE，MP1 n = 至少16片葉)，且相似的土壤-環境水勢差存在下MP1的氣孔孔徑大于M82的氣孔孔徑(分別為45.5 ± 1.6 μm²和25.2 ± 2 μm²，均值± SE，n = 至少16片葉)。因此，可以得出結論，M82顯示比MP1更保守的水分平衡管理行為。這種差異可影響相似的葉-水分狀態的氣孔反應的差別靈敏性或葉片水分狀況(LWS)調節的不同機制的利用。

非等水和等水植物中葉片水分狀況調節中的差異

我們監測在相似的大氣條件下在3種不同的SWC水平下計算的gs_c，葉RWC和Ψ_葉之間的關系(圖15A-C)。在夏季，在充分的土壤水分可用性下，兩個品系顯示類似的每日gs_c變化形式，即在8 am左右達到峰值，接著在1 pm左右下降，在白天后期達到平衡。兩個品系的葉RWC和Ψ_葉下降直到10 am左右，之后達到平衡。雖然在兩個品系的葉RWC形式間未記錄到差異，但MP1植物在中午之前比M82達到較低的Ψ_葉值(圖15A-C，左欄)。

在中等土壤水分可用性(40-50%，恰低于θ_cr)的條件下，gs_c的速率在兩個品系中逐漸增加，在9 am左右達到峰值，然后在白天的其余時間內適度下降。MP1植物在整個上午時間保持較高的gs_c值，但是兩個品系間的差異在午后消失。兩個品系葉RWC形式與在充分灌溉處理時所觀察到的類似(即在早晨快速降低，在10 am左右穩定)。然而，雖然在這種處理下中午在M82中觀察到RWC水平與在充分灌溉處理時觀察到的類似，但在這種處理下MP1植物的RWC水平比在充分灌溉處理時所觀察到的顯著較低(~6%)。另一方面，Ψ_葉，在兩個品系中在白天時間單調下降，其中觀察到M82的較高值。兩個品系間的差異在白天是顯著的(圖15A-C，中欄)。

在最低的SWC水平(10-20%)下，在兩個品系的gs_c速率間未檢測出差異，所述各gs_c速率非常低。Ψ_葉值在SWC降低時持續降低，但是在兩個品系的中午Ψ_葉值間沒有顯著性差異。然而，M82的RWC值顯著高于所觀察到的MP1的RWC值；在這些條件下MP1的含水量為~22%，低于正常灌溉條件(圖15A-C，右欄)。這些結果(在冬季實驗中證實的，參見圖22)表明MP1比M82利用更多的非等水調節策略。

非等水和等水植物中全植物水分調節的差異

引人關注的是，RWC是葉片水分狀況的最保守的要素。此外，與M82形成對比，MP1在充分灌溉條件下在其RWC不降低的情況下保持較高的蒸騰水平的事實，表明MP1植物具有較高的植物導水率水平(K_植物)。測量SWC允許評估土壤基質電勢和土壤導水率(K_土壤；圖16A)。連同葉水勢(參見材料與方法)和瞬間蒸騰速率(方程式2.6)一起，這些數據可用來評估植物導水率(K_植物；圖16B)。在充分灌溉的條件下，K_土壤不降低K_植物，K_植物保持高水平。MPI的中午K_植物比M82的更快下降，導致在SWC降低時MP1的K_植物較大下降。2個液壓系統的綜合傳導性(在單位調整后)為土壤–植物系統的導水率，稱為K_總 (圖16C)。

在K_土壤降低時MP1植物保持比M82植物高的蒸騰速率、導致MP1中K_植物較急劇下降的事實，表明這2個品系在其水分平衡調節的嫩枝-根協調形式上不同?？赏ㄟ^比較隨著水流出株冠的同時水流入根(J_根)，來評估全植物水平衡(ET；圖17A-C)。J_根通過連續測量SWC (使用土壤探頭)來測定，ET通過同時連續測量植物重量來評估(參見材料與方法)。兩種流動之間無差異表明始終如一的全植物RWC；而兩種流動間的偏差表明全植物RWC降低或增加(圖17C；材料與方法)。從MP1植物收集的每日RWC數據圖顯示，與M82相比，在嚴重的脅迫下，該品系遭受相當大的水分流失；這個觀察結果與我們的人工葉RWC測量一致。

一般來說，在兩個品系中，在清晨，流出植物的水分比流入植物的水分多。這之后是上午后期的流量平衡，其在正午持續，并在午后流入量大于流出量。

在不同的土壤含水量水平存在下非等水和等水植物的TIP和PIP表達譜

雖然在甚至較干燥的土壤中在M82中觀察到嫩枝-根協調的這種模式，但MP1植物顯示少得多的根-嫩枝同步，允許與攝取相比大得多的流出量。這種流動平衡評估與MP1植物中測量的較低RWC值一致(圖15A-C和圖17A-C)。

已知質膜固有蛋白PIP AQP控制細胞的滲透通透性和植物的導水率。已表明液泡膜AQP即TIP調節植物RWC和等水行為，表明了AQP可能參與造成這2個番茄品系水分平衡調節差異的細胞機制。當我們比較從3種SWC處理中收集的MP1和M82葉中幾種TIP和PIP的表達水平時，我們發現在強烈和中等干旱條件兩者下與在M82中相比，MP1中以顯著較高的水平表達兩種TIP和一種PIP (圖18)。假設4種較多TIP和一種較多的PIP (其表達水平在兩個品系中無不同或在響應干旱條件時降低)對兩個品系的滲透性水通透性和水力概況具有較小的作用(圖23A-E)。

討論

在高VPD存在下，如果通過蒸騰失去的含水量大于通過莖接受的含水量，則葉有脫水的危險。蒸騰的細微調節取決于沿土壤–植物–大氣連續體(SPAC)的許多控制點。沿SPAC的不同要素靈敏度的輕微改變可導致采用不同的水分平衡管理策略，這可反應在植物的蒸騰速率上(Monteith，1965；Farquhar和Wong，1984；Franks等，1997；Feddes和Raats 2004；Buckley，2005)。在本實施例中，監測不同處理中植物蒸騰速率的變化。

具有相似的氣孔密度的等水番茄品系M82和非等水番茄品系MP1間的比較，顯示這2個品系所采用的全植物E和gs_c調節機制的顯著差異。因此，這些番茄品系用作良好的模式植物用于分離將等水行為與非等水行為相區分的葉狀態與環境閾值信號。

蒸騰和土壤含水量之間的關系

有關葉內部“關閉”信號的問題，這些信號如何通過保衛細胞轉移和表征什么不同的控制行為仍未解決(Buckley，2005)。本實施例中的結果顯示在兩個品系中相似的E和gs_c形式，其中對環境信號的敏感度不同(圖13A-E)。然而，為了揭示調節這些過程的生物學機制，需要在實驗過程中消除或減少與土壤水分變化有關的環境差異。因此，將兩個品系的中午E值與SWC水平進行比較，而不是評估隨時間推移的E (圖14A-C)。不論環境條件如何(冬季或夏季)，在相似SWC水平下MP1保持高于M82的E水平的事實表明，在品系莖間觀察到的差異主要來自生物學調節的差異而不是來自土壤水分可用性的差異。夏季中兩個品系的E_max值大大提高可為對一些大氣參數(例如輻射強度和/或VPD)的直接敏感的結果。共識是保衛細胞不感知相對濕度或VPD (Mott等，1999)和在響應VPD增加時所觀察到的氣孔關閉是對葉片水分狀況改變的間接反應(Farquhar，1978；Mott和Franks，2001；Buckley，2005)。另一方面，氣孔孔徑對光的反應是眾所周知的。

在相似VPD條件下重復該實驗，但顯著不同的光條件(夏季和冬季；圖13A和圖21A)顯示輻射強度強烈影響兩個品系的E_max。與冬季實驗相比，夏季實驗期間自然輻射強度約35%增加(分別~1400 μmol sec^-1 m^-2與~900 μmol sec^-1 m^-2)增加MP1的E_max和gs_c 3.6倍，并增加M82的E_max和gs_c 2.9倍。盡管響應光改變的相似模式，但MP1植物顯示對這種輻射差異較大的敏感性。然而，雖然當在土壤中容易獲得水時，光和VPD控制E_max，但在較低的SWC水平下，土壤水分可用性變成蒸騰的限制因素。當SWC下降低于θ_cr時觀察到E_max逐步降低，表明當θ < θ_cr時，土壤水分可用性變成E_max的限制因素，阻止植物滿足大氣水分要求(參見與SWC有關的線性E_max，圖14A-B)。此外，θ_cr的值取決于瞬間大氣水分要求，并隨E降低而降低(如冬季實驗中所觀察到的)。引人關注的是，雖然在MP1和M82的E_max值間觀察到顯著差異，但在相關的θ_cr值間未記錄到差異(圖14C)。這表明蒸騰水分流失的一些來自植物RWC而不是來自土壤(這點在下文進一步講述)。

蒸騰和葉片水分狀況之間的關系

MP1和M82的不同的氣孔調節可由對相似的葉片水分狀況的差異性氣孔敏感性或在相似環境條件下葉片水分狀況的差異性調節所致。在相似和較低的RWC和Ψ_葉水平下觀察到MP1的較高水平的E和gs (圖15A-C)表明與M82相比，該品系對這些參數的差異較不敏感。

M82比MP1更好地保持其RWC，正如對等水品系所預期的。另一方面，M82的Ψ_葉在整個SWC水平范圍內下降。實際上，在整個干旱期間在兩個品系中RWC比Ψ_葉更慢地降低(圖15A-C，圖22)，與等水植物的經典定義不一致(Tardieu和Simonneau，1998)。在對遺傳修飾的M82植物的品系進行的研究中報告了類似的結果，該品系通過增加液泡膜對水的通透性實現了非等水(Sade等，2012)。較高的膨壓喪失點被視為耐旱性性狀(Kramer和Boyer，1995；McDowell，2011；Bartlett等，2012)。物種內和物種間膨壓喪失點處葉水勢的變化允許保持膨壓喪失點處較高的相對含水量，如最新綜述所報告的(Bartlett等，2012)，表明了RWC在葉片水分狀況層次上處于較高位置。按照這些結論，我們認為應修改等水行為的定義以強調RWC在葉片水分狀況中的作用(即“等水植物在正午達到恒定的葉RWC并且在比非等水植物更寬的SWC水平范圍內保持該RWC水平”)。

從細胞水平到全植物：造成等水和非等水行為之間的差異的機制

當SWC高時，兩個番茄品系顯示顯著不同的E和gs_c水平和顯著不同的氣孔孔徑。盡管MP1的較高蒸騰速率，但是所觀察到的MP1的RWC和Ψ_葉水平與所觀察到的M82的無不同，極可能是由于高K_植物所致，其支持充分流入以保持穩態的葉片水分狀況。然而，K_植物可能不被視為特別在亞最佳土壤水分條件下區分等水與非等水行為的唯一參數。隨SWC降低，MP1的K_植物比M82更快下降(圖16B)。然而，在充分的水可用性下且在輕微干旱脅迫下，MP1保持較高的E和gs_c，導致葉中顯著水分虧缺。甚至在最干的土壤(10-20%含水量)，MP1植物比M82植物保持較高的水流入量和流出量間的差異(圖17A-C)，導致這些植物的葉中甚至更大的水分虧缺。

對付水分虧缺需要緩沖機制以保護胞質中進行的生物化學反應。最近，我們提出通過其AQP調節液泡膜的滲透性水通透性，在胞質的這種補償機制中起重要作用(Sade等，2009；Sade等，2012)。其它研究表明TIP的表達和植物生長勢和干旱脅迫抗性(Tyerman等，1999；Lin等，2007；Peng等，2007)以及TIP和PIP表達之間的相似關系，所述TIP和PIP表達與高gs和K_葉正相關(Pou等，2012)。

的確，兩種TIP的轉錄物表達譜顯示MP1葉和M82葉中的差異表達，包括在所有條件下在MP1中較大的SlTIP1;2表達。在MP1中，SlTIP1;1在高和中等SWC水平下以相似水平表達。然而，在M82中，SlTIP1;1在50% SW處理中以顯著較低的水平表達(圖18B)。另外，質膜PIP，SlPIP1;5的表達水平，在MP1中是在M82中觀察到的5倍(圖18C)。引人關注的是，隨干旱的發展，該基因的表達以類似于針對MP1的K_植物觀察到的方式快速降低。SlPIP1;5與AtPIP1;2 (來自擬南芥(Arabidopsis thaliana))和NtAQP1 (來自煙草(Nicotiana tabacum)近緣，其顯示在這些物種中在植物導水率的調節中起重要作用(Sade等，2010)。

若干研究顯示K_葉的動態閥樣行為(Cochard等，2007；Levin等，2007)和根徑向傳導(Maggio和Joly，1995；Carvajal等，1996；Clarkson等，2000；Tournaire-Roux等，2003；Gorska等，2008；Bramley等，2010)，其強有力地取決于環境信號并對環境信號起反應。這種徑向流動在葉和根兩者中很可能由水通道蛋白調節(Tournaire-Roux等，2003；Maurel等，2009；Shatil-Cohen等，2011；Shatil-Cohen和Moshelion，2012)。我們提出差異性TIP和PIP表達在區分等水與非等水行為的滲透-液壓調節機制中起作用。因此，較大的導水率(支持較大的水流入)將抗衡作為較高gs_c的結果的較高E速率。高水平的液泡滲透通透性可提供液壓緩沖，使胞質的滲透內環境穩態能夠面對葉供需水分平衡的短暫改變。我們提出較大的滲透緩沖可導致胞質中啟動脅迫信號之前較長的時間，導致氣孔保持較長時間的開放、較長時間的光合作用和非等水品系較快速的生長(圖24)。然而，一達到θ_cr，這種控制策略就導致較快的RWC損失、較快的葉干燥和較大的液壓失效風險。

本實施例提供SPAC中水運動的液壓模擬(圖19A和19B)。液壓模擬基于動態徑向流體阻力，其隨電勢非線性變化并且據推定受PIP控制。液泡水庫通過TIP保留并釋放水以補償在負葉水分平衡存在時的胞質水分虧缺。

本文所用術語“約”是指±10%。

本文使用措詞“示例性”意指“用作實例、例子或例證”。描述為“示例性”的任何實施方案不一定解釋為相對于其它實施方案是優選的或有利的和/或排除來自其它實施方案的特征的并入。

本文使用措詞“任選”意指“在一些實施方案提供且不在其它實施方案中提供”。本發明的任何具體實施方案可包括多個“任選的”特征，除非所述特征有抵觸。

術語“包括”、“構成”、“包括”、“含有”、“具有”及其同根詞意指“包括但不限于”。

術語“由……組成”意指“包括并限于”。

術語“基本由……組成”意指組合物、方法或結構可包括其它成分、步驟和/或部分，但只有其它成分、步驟和/或部分不實質性地改變所要求保護的組合物、方法或結構的基礎特征和新特征。

如本文所用，單數形式“a”、“an”和“the”包括復數指代物，除非文中另有明確規定。例如，術語“化合物”或“至少一種化合物”可包括多種化合物，包括其混合物。

在本申請中，本發明的不同的實施方案可以范圍形式存在。應了解，范圍形式的描述僅出于方便和簡潔，不應解釋為本發明范圍的不可變更的限制。因此，范圍的描述應視為具體公開了所有可能的子范圍以及該范圍的各個數值。例如，范圍例如1-6的描述應視為具體公開了例如1-3、1-4、1-5、2-4、2-6、3-6等子范圍，以及該范圍的各個數，例如1、2、3、4、5和6。不論范圍寬度均適用。

每當本文規定數值范圍時，均意指包括該指定范圍的任何引述的數值(分數或整數)。短語“介于”第一標示數字和第二標示數字“之間的范圍”和“從”第一標示數字“到”第二標示數字“的范圍”在本文互換使用，意指包括第一標示數字和第二標示數字和期間的所有分數和整數。

盡管本發明結合其具體的實施方案加以描述，但是十分明顯的是，許多替換、修改和變化對本領域技術人員而言是顯而易見的。因此，本發明旨在包括所有落入所附權利要求書的精神和廣大范圍內的這些替換、修改和變動。

本說明書所提及的所有出版物、專利、專利申請都通過引用以其整體結合到本說明書中，其程度與每個獨立出版物、專利、專利申請具體而單獨指明通過引用結合到本文中一樣。另外，在本申請任何參考文獻的引用或標示都不得解釋為承認這樣的參考文獻都可作為本發明的現有技術獲得。就使用章節標題而言，不應解釋為必然的限制。

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