Określanie tolerancji roślin na suszę: Dlaczego większość ludzi robi to źle. Jak robić to dobrze.

Determining drought tolerance in plants: Why most people do it wrong. How to do it right.

Potencjał wody jest niedostatecznie wykorzystywany przez badaczy roślin w badaniach stresu abiotycznego, mimo że jest to jedyny sposób oceny rzeczywistych warunków suszy przy określaniu tolerancji roślin na suszę. Dowiedz się, czym jest potencjał wody i jak może poprawić jakość badań nad roślinami.

WSPÓŁTWÓRCY

Stres abiotyczny u roślin: Jak ocenić go we właściwy sposób

Jako badacz roślin musisz skutecznie oceniać wydajność upraw, niezależnie od tego, czy wybierasz najlepszą odmianę, próbujesz zrozumieć tolerancję na stres abiotyczny, badasz odporność na choroby, czy określasz odporność na klimat. Ale jeśli mierzysz tylko dane pogodowe, możesz tracić kluczowe wskaźniki wydajności. W tym artykule i poniższym filmie omawiamy ważny, ale często pomijany wskaźnik: potencjał wodny gleby. Potencjał wody jest niedostatecznie wykorzystywany przez badaczy roślin w badaniach stresu abiotycznego, mimo że jest to jedyny sposób oceny rzeczywistych warunków suszy przy określaniu tolerancji roślin na suszę. Dowiedz się, czym jest potencjał wodny i jak może poprawić jakość badań nad roślinami.

Genetyka ilościowa w hodowli roślin: dlaczego potrzebne są lepsze dane

Jeśli badałeś populacje roślin, prawdopodobnie znasz uproszczone równanie przedstawione na rysunku 1, które przedstawia sposób, w jaki myślimy o wpływie genetyki i środowiska na obserwowalne fenotypy.

A diagram explaining Phenotype = Genotype + Environment
Rysunek 1. Fenotyp = Genotyp + Środowisko

Równanie to rozkłada obserwowany fenotyp (wysokość rośliny, plon, kolor jądra itp.) na efekty genotypu (genetyka rośliny) i efekty środowiska (opady deszczu, średnia dzienna temperatura itp.). Z tego równania wynika, że jakość badania zależy bezpośrednio od rodzaju gromadzonych danych środowiskowych. Tak więc, jeśli nie mierzysz odpowiedniego rodzaju danych, dokładność całego badania może być zagrożona.

Potencjał wody: sekret zrozumienia stresu wodnego u roślin

Badania nad suszą są niezwykle trudne do powtórzenia, określenia ilościowego, a nawet zaprojektowania. Dzieje się tak dlatego, że nie ma nic przewidywalnego w czasie, intensywności lub czasie trwania suszy i trudno jest dokonać porównań między miejscami o różnych typach gleby. Wiemy również, że samo spojrzenie na opady, a nawet objętościową zawartość wody, nie opisuje odpowiednio warunków suszy występujących w glebie. Potencjał wody w glebie jest niezbędnym narzędziem do ilościowego określania stresu suszy w badaniach nad roślinami, ponieważ umożliwia dokonywanie ilościowych ocen suszy i zapewnia łatwy sposób porównywania tych wyników w terenie i w czasie. Przyjrzyjmy się bliżej, aby zobaczyć dlaczego.

Kiedy myślimy o glebie, to zazwyczaj w kontekście wzrostu roślin. Wiemy, że gleba wpływa na wzrost roślin poprzez dostępność składników odżywczych, potencjalną presję chorób, wzrost korzeni i dostępność wody.

A diagram showing soil impact on plant growth
Rysunek 2. Wpływ gleby na wzrost roślin

 

Wielu badaczy uważa, że dostępność wody dla roślin można określić za pomocą tradycyjnego czujnika wilgotności gleby, który mierzy objętościową zawartość wody.

A researcher holding a TEROS 12 soil moisture sensor over a wheat field
Rysunek 3. Czujnik wilgotności gleby TEROS 12 mierzy objętościową zawartość wody.

 

Jeśli jednak próbujesz scharakteryzować stres suszy, zrozumieć efektywność wykorzystania wody w uprawach lub zbadać tolerancję na stres abiotyczny u roślin za pomocą czujnika zawartości wody, mierzysz niewłaściwy parametr. Zawartość wody informuje tylko o tym, ile wody znajduje się w glebie. Nie może powiedzieć, czy woda jest dostępna dla roślin. Obejrzyj ten krótki film, aby dowiedzieć się, dlaczego tak jest.

Zrozumienie stresu abiotycznego: głębsze spojrzenie na to, dlaczego potencjał wody jest lepszy niż jej zawartość

Jedną z kwestii związanych z wykorzystaniem danych dotyczących objętościowej zawartości wody do ilościowego określenia stresu abiotycznego jest to, że trzeba zrozumieć rodzaj i teksturę gle by, aby interpolować informacje o dostępności wody w kontekście roślin. Utrudnia to porównania, jeśli typy gleby są różne w wielu lokalizacjach. Z drugiej strony potencjał wodny gleby bezpośrednio ocenia dostępność wody. Oznacza to, że uwzględnia już teksturę gleby. Mierząc potencjał wodny, uzyskuje się pomiar, który jest bezpośrednio porównywalny w różnych miejscach i czasie, bez potrzeby dodatkowej analizy lub kalibracji specyficznej dla gleby.

Innym problemem związanym z wykorzystaniem objętościowej zawartości wody do wskazania stresu suszy jest to, że zawartość wody jest tylko ilością. Informuje, ile wody zostało dodane do gleby (lub z niej usunięte). Ale nie może powiedzieć, jak dostępna jest ta woda dla roślin lub ile energii potrzeba, aby uzyskać dostęp do tej wody. Z drugiej strony potencjał wody informuje o energii wody w glebie i o tym, czy rośliny czują się komfortowo, czy są zestresowane, wskazując, ile wody w glebie jest dla nich dostępne. Dlatego potencjał wody jest znacznie bardziej informatywnym pomiarem niż zawartość wody, gdy chcesz wiedzieć, czy twoje rośliny doświadczają prawdziwych warunków suszy. Zobacz, jak to działa na poniższym filmie.

Niektórzy ludzie unikają pomiaru potencjału wodnego gleby, ponieważ jego definicja jest skomplikowana i trudna do zrozumienia. Nie trzeba jednak rozumieć potencjału wodnego gleby, aby skutecznie z niego korzystać. Potencjał wody można traktować jako rodzaj termometru wodnego dla roślin. Tak jak możesz spojrzeć na termostat w swoim domu i zobaczyć 22 C (72 F) i pomyśleć: "to jest wygodne dla mnie jako człowieka", możesz spojrzeć na dane dotyczące potencjału wody w glebie i zrozumieć, czy ilość wody w glebie jest wygodna dla twoich roślin. Poniższy film wyjaśnia dlaczego.

Rysunek 4 ilustruje, w jaki sposób możemy myśleć o potencjale wody jako o rodzaju "termometru komfortu" dla roślin. Należy zauważyć, że wartości kPa dla potencjału wody są zawsze podawane jako wartości ujemne. Jednym ze sposobów myślenia o kPa jest to, że im bardziej ujemna wartość, tym bardziej sucha gleba. Wartość zero znajduje się w zakresie pełnego nasycenia, gdzie -1000 kPa i poniżej zaczyna osiągać punkt trwałego więdnięcia.

A chart showing the optimal matric potential range for several crop types
Rysunek 4. Potencjał wody w glebie wskazuje, czy woda dostępna dla roślin znajduje się w odpowiednim zakresie. Tabela podaje optymalne zakresy dla różnych upraw. (Taylor, Sterling A. i Gaylen L. Ashcroft. Edafologia fizyczna. Fizyka gleb nawadnianych i nienawadnianych. 1972.)

W dolnej części rysunku 4 widać, że w okresie wegetacji kukurydza preferuje temperaturę w zakresie -50 kPa. Jednak podczas dojrzewania preferuje glebę w zakresie kPa od -800 do -1200, która jest nieco bardziej sucha.

W górnej części rysunku 4 widać, że ziemniaki preferują węższe okno od około -30 do -50 kPa.

W jaki sposób dane dotyczące potencjału wodnego mogą wskazywać na stres związany z suszą?

Poniższe dwa wykresy pomagają zilustrować, w jaki sposób dane dotyczące potencjału wodnego mogą dać dokładniejszy obraz stresu wodnego u roślin. Rysunek 5 przedstawia niektóre dane dotyczące objętościowej zawartości wody w trawie darniowej.

A graph showing that by measuring water content, you can monitor irrigation events
Rysunek 5. Mierząc zawartość wody, można monitorować zdarzenia nawadniania. Zawartość wody nie informuje jednak o tym, ile wody jest faktycznie dostępne dla roślin.

 

Zwróć uwagę na skoki nawadniania lub opadów w czasie. Bez kontekstu dotyczącego rodzaju gleby trudno jest wyciągnąć wnioski na temat dostępności wody lub tego, jak wygodna jest gleba dla trawy darniowej na tym polu.

Na rysunku 6 dodajemy dane dotyczące potencjału wodnego, co znacznie ułatwia sprawdzenie, czy rośliny znajdują się w optymalnym zakresie dostępności wody.

A graph showing that soil water potential will tell you if the water is in the comfort range of the plant
Rysunek 6. Potencjał wody w glebie informuje o tym, czy woda znajduje się w zakresie komfortu rośliny.

 

Na tym wykresie widać, że na początku sezonu stosowano nadmierne nawadnianie. Około lipca zmniejszyli częstotliwość nawadniania, co pozwoliło glebie wyschnąć i zbliżyć się do optymalnego zakresu -30 do -50 kPa.

Pod koniec sierpnia i na początku września widać, że między nawadnianiem upłynęło zbyt dużo czasu, co spowodowało znaczny stres związany z suszą. Spadek zawartości wody około 13 września nie różni się zbytnio od spadków występujących wcześniej i później. Dopiero po zapoznaniu się z danymi dotyczącymi potencjału wody można zauważyć dramatyczny spadek z optymalnego zakresu kPa, co może doprowadzić trawę darniową do trwałego więdnięcia. Aby uzyskać więcej informacji na temat rozumienia danych, obejrzyj nasze webinarium Jak interpretować dane dotyczące wilgotności gleby.

Niektóre ograniczenia potencjału wody w badaniach stresu abiotycznego

Potencjał wodny, jak wszystko inne, ma swoje ograniczenia, gdy jest wykorzystywany do określania tolerancji roślin na suszę. Oto trzy rzeczy, które należy wziąć pod uwagę:

  1. Podczas gdy potencjał wodny może powiedzieć, kiedy należy zastosować wodę, nie może powiedzieć ilościowo, ile wody należy zastosować. Nie stanowi to problemu, jeśli prowadzisz badania na suchym lądzie, które nie uwzględniają żadnych informacji o bilansie wodnym. Jeśli jednak chcesz wiedzieć, ile wody dostaje się do systemu lub ile należy do niego dodać, musisz dodać objętościową zawartość wody.
  2. Czujniki potencjału wody nie nadają się do kontroli wyrywkowej, ponieważ ich dostosowanie po instalacji może zająć nawet cały dzień. Potrzeba czasu, zanim czujniki zareagują w takim samym tempie jak gleba.
  3. W przeszłości potencjał wody nie był w pełni wykorzystywany, ponieważ badacze nie dysponowali odpowiednimi narzędziami do przechwytywania tych danych. Wiele z dostępnych czujników terenowych było niedokładnych, trudnych w użyciu lub drogich. Chociaż niektóre czujniki potencjału wody nadal borykają się z tymi problemami, obecnie na rynku dostępne są realne opcje. Czujniki potencjału wody METER TEROS 21 są niedrogie, dokładne, wytrzymałe i łatwe w instalacji. Ponadto mają szeroki zakres pomiarowy w dostępnym spektrum roślin, a także wysoką spójność od środka do środka.
A photo of a researcher hold a TEROS 21 soil water potential sensor over the soil
Rysunek 7. TEROS 21 czujnik potencjału wody w glebie

 

Wychwytywanie zmienności podczas pomiaru stresu abiotycznego u roślin

Czy podczas wykonywania pomiarów potencjału wody należy skupić się na ilości czy jakości danych? Odpowiedź może zaskoczyć. Niedawne badanie dotyczyło tego kompromisu w kontekście danych fenotypowania roślin. W badaniu porównano ręczne pomiary roślin polowych - bardzo dokładną, ale pracochłonną metodę - z ekstrakcją wysokości roślin z obrazów z drona, która generuje znacznie więcej (ale mniej dokładnych) danych. Odkryto, że poświęcenie dokładności można nadrobić zwiększoną przepustowością. Innymi słowy, generalnie lepiej jest mieć więcej punktów danych niż mniej, bardziej dokładnych punktów danych (patrz Lane, H.M. i S.C. Murray. 2021. Crop Science. Wysoka przepustowość może skutkować lepszymi decyzjami niż wysoka dokładność podczas fenotypowania populacji roślin).

Ta koncepcja wysokiej przepustowości ma zastosowanie do wychwytywania zmienności terenu podczas zbierania danych o potencjale wody lub innego rodzaju danych środowiskowych. Na przykład na rysunku 8 zauważ, jak duża jest zmienność w pomiarach przewodności elektrycznej. Gdybyś miał tylko jeden lub tylko kilka punktów próbkowania, wyciągnąłbyś nieprawidłowe wnioski podczas ekstrapolacji w całym miejscu.

A graphic showing that with multiple sampling points, the variability of electrical conductivity is evident across the study site
Rysunek 8. Dzięki wielu punktom poboru próbek zmienność przewodności elektrycznej jest widoczna w całym badanym obszarze.

 

Określanie tolerancji roślin na suszę: właściwe dane = dokładniejsze wyniki

Niezależnie od tego, czy próbujesz wybrać najlepszą odmianę, czy lepiej zrozumieć odporność na choroby lub klimat, Twoja zdolność do osiągnięcia celów badawczych zależy od możliwości gromadzenia odpowiedniego rodzaju danych. Dodanie danych o potencjale wody do danych o zawartości wody i danych pogodowych zapewni, że badanie dokładnie oceni, czy rośliny rzeczywiście doświadczają stresu suszy. Aby dokładniej przyjrzeć się różnicy między zawartością wody a potencjałem wody, obejrzyj nasze webinarium Wilgotność gleby 101.

Odniesienie

Lane, Holly M. i Seth C. Murray. "Wysoka wydajność może zapewnić lepsze decyzje niż wysoka dokładność podczas fenotypowania populacji roślin". Crop Science 61, no. 5 (2021): 3301-3313. Link do artykułu.

Przeczytaj studium przypadku na ten temat

Dowiedz się, dlaczego dr Andrew Green i jego doradcy, dr Gerard Kluitenberg i dr Allan Fritz, uważają, że monitorowanie potencjału wody w glebie jest jedynym wymiernym sposobem narzucenia spójnego i powtarzalnego leczenia w badaniach stresu suszy.

Przeczytaj studium przypadku: "Badania przesiewowe pod kątem tolerancji na suszę"

Pytania?

Nasi naukowcy mają wieloletnie doświadczenie w pomaganiu badaczom i hodowcom w pomiarach kontinuum gleba-roślina-atmosfera.

Wgląd w pomiary

Zobacz wszystkie artykuły

Planowanie nawadniania: Rozwiąż zagadkę, kiedy podlewać

Potencjał wody jest lepszym wskaźnikiem dostępnej wody w roślinie niż zawartość wody, ale w większości sytuacji przydatne jest połączenie danych z obu czujników.

PRZECZYTAJ INFORMACJE O POMIARACH

Część 3: Nawadnianie upraw w kontrolowanym środowisku w celu zwiększenia jakości i wydajności

Uzyskaj informacje, których potrzebujesz, aby zestresować lub odstresować swoje uprawy we właściwym czasie i we właściwy sposób, aby osiągnąć swoje cele.

PRZECZYTAJ INFORMACJE O POMIARACH

Jak mierzyć przewodność hydrauliczną - która metoda jest odpowiednia?

Przewodność hydrauliczna - czym jest, jak ją mierzyć oraz wady i zalety popularnych metod.

PRZECZYTAJ INFORMACJE O POMIARACH

Studia przypadków, webinaria i artykuły, które pokochasz

Regularne otrzymywanie najnowszych treści.

icon-angle paski ikon ikona-czasu