水分胁迫是限制作物产量的主要因素之一。尽管过去几十年来进行了大量研究，但干旱仍然是植物生长和作物生产力的主要威胁。植物的水分平衡调节机制对胁迫反应、生产力和恢复力至关重要，这种平衡是通过结合两种调节机制来控制的：叶片导水率和蒸腾作用。叶片导水率的连续测量仍然是一个挑战，但蒸腾作用可以使用高通量功能生理表型（functional physiological phenotyping, FPP）来分析，在选择作物改良性状和预测特定环境条件下的作物表现时应考虑蒸腾作用。准确的产量预测对粮食生产和粮食安全至关重要，也有助于政策制定。从研究和开发的角度来看，产量预测工具将能够减少育种人员选择最佳亲本系和在不同环境条件下测试新杂交种所需的时间和成本。此外，可靠的产量预测也将有利于种植者进行作物管理，帮助他们做出明智的合算的决策。然而，一般来说，作物产量的早期生长阶段预测是一项具有挑战性的任务，在水分胁迫下甚至更具挑战性。最近开发的产量预测模型基于深度神经网络，输入2247个地点的天气和土壤条件数据以及2267个玉米杂交种的产量数据，可准确预测产量。该模型的开发者得出结论，环境因素比基因型对作物产量的影响更大。因此，早期产量预测可能需要来自土壤-植物-大气连续体（Soil-Plant-Atmosphere Continuum, SPAC）的大量数据。植物的生理特性与生产力关系最密切，对环境条件反应最灵敏，有望成为重要的产量预测因子。
作物生理学的最新进展表明，在干旱条件下，气孔导度、渗透调节、茎秆贮藏物质的积累和再利用以及光合效率等数量生理性状与产量密切相关。然而，大多数可用的产量预测模型不包括有助于作物生产力的关键植物生理性状，如气孔导度和光合作用。这些性状是植物对变化环境的主要和最敏感的反应之一，这些性状有助于优化植物对变化环境条件的反应，也可能有助于最大限度地提高产量。
为了解决预测田间番茄产量的挑战，Sanbon Chaka Gosa等使用全植株功能表型（whole-plant functional phenotyping）来评估灌溉和干旱条件下的水分关系。供试番茄在灌溉和干旱处理条件下表现出产量的变异性。供试番茄包括两个与加工番茄品种M82同源的隐性突变体：zeta z2083 (ZET) 和tangerine t3406 (TAN)。作为增加产量变异和评估根ABA对表型的相对贡献的一种方式，本试验进行了七种嫁接组合：四种异质嫁接（M82与ZET和TAN相互嫁接）以及每种基因型的三种自嫁接。使用Plantarray植物高通量生理学特征监测系统（以色列Plant-DiTech）连续测定干旱处理前、中、后的多种生理特性。温室和大田产量的对比分析表明，早晨整个冠层气孔导度和累积蒸腾量与大田总产量（TY: r2分别为0.9和0.77）和植物营养体重量（PW: r2分别为0.6和0.94）密切相关。此外，干旱期间的最小累积蒸腾量和恢复灌溉时的恢复率都可以预测恢复力。
图1 大气条件和试验进度表示为温室试验过程中盆栽重量的波动
（A） 在连续29天的实验中，每日蒸汽压差（VPD）和光合有效辐射（PAR）；（B）在试验的29天内，对所有植株进行连续重量测量。
图2 田间种植的嫁接番茄的植株重量和总产量
（A）充分灌溉条件下自嫁接和异质嫁接植株的鲜重差异；（B）有限灌溉条件下自嫁接和异质嫁接植株的鲜重差异；（C）充分灌溉条件下自嫁接和异质嫁接植株的总果实产量；（D）有限灌溉条件下自嫁接和异质嫁接植株的总果实产量。2018年实验的数据以灰色（小写字母）表示，2019年实验的数据以红色（大写字母）表示。
图3 冠层气孔导度的日变化模式作为连续全株生理测量的一个例子
图4 番茄产量构成因素与累积蒸腾作用的相关性
图 5 蒸腾周期对产量预测的贡献差异
表1 充分灌溉条件下温室番茄幼苗的生理性状与其田间产量和生物量的相关性
Plantarray植物高通量生理学特征监测系统局部
原文出处
Gosa S, Koch A, Shenhar I, et al. Predicting tomato field-yield using continuous monitoring of young tomato water status. Plant Science, 2021, 315, 111122.
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