在非生物脅迫下提高作物生產力是農業科學界面臨的最大挑戰之一。盡管進行了廣泛的研究，但對非生物抗逆作物商業轉移率的研究產出很低。這主要是由于基因型×環境相互作用的復雜性，特別是能夠量化植物對動態環境的動態生理反應能力。大多數現有的表型分析設備使用機器人和自動圖像采集和分析來收集信息。然而，它們直接測量整株植物生理特性的能力是有限的。我們展示了一種高通量功能表型系統 (HFPS)，該系統能夠比較植物在動態環境中對不同環境條件的動態響應，因為它可以直接和同時測量幾種處理下與植物的產量相關生理性狀。該系統被設計為一對一 (1:1) 的植物單元[傳感器+控制器]，即每個單獨的植株都有自己的個性化傳感器、控制器和灌溉閥，能夠（i）以高時空分辨率監測每株植物的水關系動力學——以及植株整個生命周期內的環境響應，（ii）由于每株植物的多個獨立處理方案，采用了真正的隨機實驗設計，以及（iii）由于植物或其他物體的靜止性而減少人為環境干擾。此外，我們提出了兩個新的彈性量化相關性狀，也可以使用 HFPS 進行表型分析：蒸騰恢復率和夜間水分重吸收。我們使用HFPS篩選了兩種商業生物刺激劑（海藻提取物-ICL-SW和代謝物配方-ICL-NewFo1）在不同灌溉制度下對辣椒生長的影響。生物刺激劑被認為是提高作物生產力的一種替代方法。然而，它們復雜的作用模式需要具有成本效益的田間表型鑒定。兩種處理方式（生物刺激劑和干旱）的組合使我們能夠評估系統在研究生物刺激劑對耐旱性影響方面的精度和分辨率。我們分析和討論植物在不同階段的行為特征，并評估生產力和恢復力之間的懲罰和權衡。在這個測試案例中，我們提出了一個篩選生物刺激劑生理作用機制的方案。
圖1.實驗裝置
(A) 隨機實驗裝置陣列視圖，由 72 個裝有辣椒植株的測量單元組成。
(B) 系統框圖。實心圓圈 - 灌溉良好的植株；空心圓圈 - 干旱恢復條件下的植株。綠色 - ICL-SW 處理過的植株，橙色 - ICL NewFo1 處理過的植株，藍色 - 對照（無生物刺激劑）植株。所有盆栽表面都被覆蓋以減少蒸發，灌溉通過多出口滴頭注入土壤，以確保灌溉施肥和生物刺激素的均勻分布。
圖2.在整個實驗過程中，大氣條件和實驗進度以系統相對重量表示
采用隨機實驗設計，定量比較兩種生物刺激劑（海藻提取物ICL-SW和代謝物配方ICL-NewFo1）對植物關鍵生理特性的影響。在兩種灌溉條件下下，比較了兩種生物刺激劑與對照（無生物刺激劑）的效果：（i）灌溉良好，和（ii）干旱脅迫，從灌溉良好時期開始，然后是控制干旱期和連續恢復期（圖2B）。
圖3.生物刺激劑對植物蒸騰作用的影響
在良好灌溉期間，所有六組的日蒸騰量均逐漸增加（圖3A）。而在實驗第13天開始的干旱處理期間，植株的日蒸騰量和VWC逐漸減少（圖3A、B）。在實驗第31天（恢復期）恢復灌溉后，日蒸騰量和VWC快速增加（圖3A、B）。干旱臨界值（定義為開始限制蒸騰速率的土壤VWC值 [臨界VWC，(θc)]）是為遭受干旱的植物確定的（圖3C）。對照組和兩種生物刺激劑處理VWC值為θc = 0.15，但由于ICL SW處理的植物與其他兩組相比VWC下降的模式不同（圖3B），二者在不同的時間達到了θc，對照和ICL-NewFo1處理的植株在第22.5天達到θc，ICL-SW處理植物在第21天達到θc（圖3B、C）。在第27-29天干旱對處理和未處理植株每日蒸騰速率模式的影響（相對于三個充分灌溉組的蒸騰速率模式）如圖3D所示，這表明ICL SW處理的植株在干旱條件下午間（1200至1400小時）的蒸騰速率顯著降低，但在充分灌溉條件下達到了明顯較高的蒸騰速率（圖3E）。在充足的灌溉條件下，ICL-NewFo1處理的植株蒸騰速率介于對照和ICL-SW處理之間，并且在干旱條件下蒸騰速率也有類似的降低（圖3E)。
圖4.在整個試驗期間，平均值±SE計算的整株重量
通過使用所有六組在整個試驗期間（36天）計算的植物重量，將蒸騰作用標準化為生物量（圖4A）。六個組在充分灌溉期間的植株增重率相似，并且三個干旱脅迫組在干旱期間下降。在恢復期，后兩組的重量增加率再次開始增加（圖4A）。然而在試驗結束時，ICL SW處理的植株在后一階段的增重率較高，導致干枝生物量顯著高于對照，這可能是由于這種趨勢的累積效應（圖4B）。對于灌溉良好和缺水的植物，地上部分的干生物量與累積日蒸騰量（即與干重相關的WUE）之間的相關性相對較高（R2>0.8）（圖4C）。盡管ICL SW處理的植株蒸騰速率較高，但其蒸騰作用歸一化為植株重量E（圖4D），與對照在充分灌溉條件下的蒸騰作用相似。同樣，ICL SW處理的植株在干旱條件下表現出的午間蒸騰速率（圖3E）。在充分灌溉條件下，與對照相比，生物刺激劑處理的植株測得的蒸騰速率（圖3E）和干枝生物量（圖4B）較高，表明與鮮重相關的水分利用效率有所提高。然而，這種改善（增加～ICL SW治療和～ICL-NewFo1處理過的植物的14%）不顯著（圖4E）。
圖5.生物刺激劑對植物恢復力的影響
估測植物從干旱脅迫中恢復需要考慮兩個特征：（i）全株蒸騰恢復：恢復灌溉后日蒸騰增加的速率與干旱期間日蒸騰減少的速率相比較。圖5A顯示了這兩種速率的數據點，表明與對照和ICL-NewFo1處理的植株相比，ICL-SW降低了植株的恢復力（圖5B）(ii）夜間水分再吸收（即恢復白天損失的水），分別如圖5C-F所示。與對照組相比，生物刺激劑處理的植株在預處理期間的夜間水分重吸收顯著更高，用ICL-NewFo1處理植株的夜間水分重吸收值最高（圖5C）。干旱脅迫降低了三組恢復期夜間水分的再吸收能力。然而，與對照組相比，生物刺激劑提高了恢復期間的再吸收能力，ICL-NewFo1處理的植株再吸收能力最高（圖5E）。當夜間水分重吸收標準化為植物重量時，觀察到類似的趨勢，與對照相比，ICL-NewFo1處理過植株的重吸收能力明顯是最高的（圖5D，F）。
