[논문 리뷰] Mechanical phenotyping of cereal crops to assess lodging resistance

Lindsay Erndwein, Douglas D. Cook외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 18.

Crop Yield and Soil Fertility참고 문헌 44인용 수 5

한 줄 요약

이 리뷰는 밀과 같은 겉씨식물에서 기울어짐에 대한 저항력을 평가하기 위한 기계적 형질표현 방법을 종합적으로 다루며, 줄기 기울어짐과 뿌리 기울어짐을 구분한다. 기계적 성질 측정 기법을 평가하고 현재 접근법의 한계를 밝히며, 기계적 내성에 뛰어난 겉씨식물을 육종하기 위한 향후 방향을 제시한다.

ABSTRACT

Plant mechanical failure, also known as lodging, is the cause of significant and unpredictable yield losses in cereal crops. Lodging can be divided into two distinct failure modes - stalk lodging and root lodging. Despite the prevalence and detrimental impact of lodging on crop yields, there is little consensus on how to phenotype plants for lodging-resistance and breed for mechanically resilient plants. This review focuses on the phenotyping approaches that have been employed for mechanical testing to individually assess stalk and root lodging-resistance. For each approach, the benefits, draw-backs and limitations are discussed. Lastly, this review provides future perspectives as to the next steps in this important, but still developing area of plant phenotyping.

연구 동기 및 목표

• 겉씨식물에서 기울어짐 저항력에 대한 형질표현 방법에 대한 합의가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 줄기 및 뿌리 기울어짐 저항력 평가를 위한 기존 기계적 시험 방법을 평가하기 위해.
• 현재 식물 육종에서 사용하는 형질표현 기법의 한계와 단점들을 규명하기 위해.
• 기계적 내성에 대한 표준화되고 고속 처리가 가능한 형질표현을 위한 토대를 제공하기 위해.
• 개선된 기계적 형질표현을 통해 기울어짐에 강한 겉씨식물 품종 육종 프로그램을 이끌기 위해.

제안 방법

• 겉씨식물에서 기울어짐 저항력 평가를 위한 기계적 시험을 적용한 발표된 연구들을 체계적으로 검토한 바탕으로.
• 줄기 기울어짐(예: 굽힘 시험, 압축 시험)을 대상으로 하는 형질표현 방법과 뿌리 기울어짐(예: 당기기 시험, 뿌리 강도 측정)을 대상으로 하는 방법으로 분류한 바탕으로.
• 재현성, 확장성, 생물학적 관련성 기준으로 각 방법을 평가한 바탕으로.
• 균형강도, 강성, 파손 모드 등의 기계적 성질 분석을 통해 기울어짐 유형을 구분한 바탕으로.
• 현장 및 통제 환경에서의 시험 데이터 통합을 통해 신뢰성과 일관성을 평가한 바탕으로.
• 현재 방법론의 격차를 규명하고 향후 방법론 개발을 위한 권고안을 제시한 바탕으로.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 겉씨식물에서 줄기 및 뿌리 기울어짐 저항력을 평가하기 위해 사용되는 기계적 형질표현 방법은 무엇인가?
• RQ2 이러한 방법의 강점과 한계는 육종 프로그램에서의 활용도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 줄기 기울어짐과 뿌리 기울어짐을 구분하는 데 핵심적인 기계적 성질은 무엇인가?
• RQ4 형질표현 방법은 어떻게 표준화되고 고속 처리 육종 응용에 적합하게 확장될 수 있는가?
• RQ5 겉씨식물에서 기울어짐 저항력을 더 잘 예측하기 위해 향후 어떤 방법론적 발전이 필요한가?

주요 결과

• 줄기 기울어짐은 주로 굽힘 시험 또는 압축 시험을 통해 균형강도와 강성을 측정함으로써 평가된다.
• 뿌리 기울어짐 저항력은 주로 뿌리 고정 강도를 측정하기 위해 당기기 시험을 통해 평가된다.
• 현재 방법들은 재현성과 확장성 측면에서 매우 다양하여 대규모 육종 프로그램에서의 도입을 제한하고 있다.
• 기계적 형질표현을 위한 표준화된 지침이 부족하여 연구 간 비교가 일관되지 못하고 있다.
• 환경 변화와 식물 간 변동성이 크기 때문에 현장 기반 기계적 시험은 여전히 도전 과제이다.
• 향후 형질표현 접근법은 비파괴적 고속 처리 방법과 기계적 모델링을 통합하여 예측 정확도를 향상시켜야 한다.