Sensor-Based Phenotyping of Plant’s Physiological Responses to Abiotic Stress

Abstract

Plant phenotyping can be defined as the systematic recording of morphological, anatomical, physiological and chemical characteristics of plants, as well as their developments and responses to stimuli. The common use of sensors in crop phenotyping today has stretched the limits of what can be recorded as a phenotype: <br /> Firstly, because sensors expand the perceptual horizons of human senses, and computer-assisted acquisition, storage and analysis of large amounts of data provides insights that would not be possible through purely human observation. Secondly, measurement standardized through sensor use potentially enables better comparability of phenotyping activities performed at different locations by different work-groups. <br /> This thesis focuses on three challenges of modern sensor-based phenotyping of plants under abiotic stress: <br /> 1. The chapter "Phenotyping in Arabidopsis and Crops – Are We Addressing the Same Traits? A Case Study in Tomato" addresses the challenges that arise from comparing phenotypes of different plant species. Using Arabidopsis thaliana and tomato under drought stress as examples, causes of lack in comparability of phenotyping data generated by scientists from different disciplines with different goals and perspectives on plants are discussed. In addition, ways toward overcoming this problem are presented. <br /> 2. In the chapter "Factors Influencing Chlorophyll Meter Readings – Toward a Conceptual Framework", the influence of confounding variables on phenotypic measurements is analyzed using non-invasive chlorophyll measurements as an example. The chapter provides an overview of the functioning of noninvasive chlorophyll meters. In addition, a possible way to deal with confounding variables, namely explicit inclusion in the statistical model, is presented. <br /> 3. Finally, in the chapter "Effect of UV Radiation and Salt Stress on the Accumulation of Economically Relevant Secondary Metabolites in Bell Pepper Plants," the potential of sensor-based phenotyping to quantify economically relevant secondary metabolites in bell bell pepper leaves is discussed. The physiological basis of non-invasive detection is also explained. <br /> The present work may be helpful to scientists in the field of phenotyping primarily in that it may provide new perspectives on phenotyping as a whole. Advanced phenotyping may in turn help both plant breeders and farmers and the society as a whole.

<strong>Sensorbasierte Phänotypisierung der physiologischen Reaktion von Pflanzen auf abiotischen Stress</strong> <br /> Die Phänotypisierung von Pflanzen lässt sich definieren als die systematische Erfassung von morphologischen, anatomischen, physiologischen und chemischen Eigenschaften von Pflanzen, sowie deren Entwicklungen und Reaktionen auf Reize. Durch den heute üblichen Einsatz von Sensoren in der Phänotypisierung von Nutzpflanzen haben sich die Grenzen des erfassbaren Phänotyps verschoben: <br /> Zum einen, weil Sensoren den Wahrnehmungshorizont menschlicher Sinne erweitern und das computergestützte Erfassen, Speichern und Auswerten großer Datenmengen Einsichten ermöglicht, die durch rein menschliche Beobachtung nicht möglich wären. Zum anderen ermöglicht die durch durch Sensoreinsatz standardisierte Messung potentiell eine bessere Vergleichbarkeit von Phänotypisierungsaktivitäten, die an unterschiedlichen Orten durch verschiedene Arbeitsgruppen durchgeführt werden. <br /> Die vorliegende Arbeit befasst sich schwerpunktmäßig mit drei Herausforderungen moderner, sensorbasierter Phänotypisierung von Pflanzen unter abiotischem Stress: <br /> 1. Das Kapitel "Phenotyping in Arabidopsis and Crops – Are We Addressing the Same Traits? A Case Study in Tomato" befasst sich mit den Herausforderungen die sich aus dem Vergleich von Phänotypen unterschiedlicher Pflanzenarten ergeben. Am Beispiel von Arabidopsis thaliana und Tomaten unter Trockenstress werden Ursachen mangelnder Vergleichbarkeit von Phänotypisierungsdaten, die von Wissenschaftlern unterschiedlicher Fachbereiche mit unterschiedlichen Zielen und Sichtweisen auf Pflanzen generiert werden, erörtert. Außerdem werden Wege hin zur Überwindung dieser Problematik aufgezeigt. <br /> 2. Im Kapitel „Factors Influencing Chlorophyll Meter Readings – Toward a Conceptual Framework” wird am Beispiel von nichtinvasiven Chlorophyllmessungen der Einfluss von Störvariablen auf phänotypische Messungen analysiert. Das Kapitel liefert einen Überblick über die Funktionsweise nichtinvasiver Chlorophlyllmessgeräte. Außerdem wird ein möglicher Weg um mit Störvariablen umzugehen, nämlich die explizite Inklusion in das statistische Modell, aufgezeigt. <br /> 3. Im Kapitel „Effect of UV Radiation and Salt Stress on the Accumulation of Economically Relevant Secondary Metabolites in Bell Pepper Plants” wird schließlich das Potential sensorbasierter Phänotypisierung zur Quantifizierung von ökonomisch relevanten Sekundärmetaboliten in Paprikablättern erörtert. Dabei werden auch die physiologischen Grundlagen des nicht-invasiven Nachweises erläutert. <br /> Die vorliegende Arbeit kann Wissenschaftlern im Bereich der Phänotypisierung vor allem insofern helfen, als dass sich eventuell neue Blickwinkel auf die Phänotypisierung insgesamt ergeben. Verbesserte Phänotypisierung kann sowohl Pflanzenzüchtern und Landwirten als auch ultimativ der Gesellschaft insgesamt von Nutzen sein.