WIWAM高通量植物表型成像系統(tǒng)—輕度干旱脅迫的葉片響應(yīng)

WIWAM高通量植物表型成像系統(tǒng)由比利時(shí)SMO公司與Ghent大學(xué)VIB研究所研制生產(chǎn)，整合了LED植物智能培養(yǎng)、自動(dòng) 化控制系統(tǒng)、葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)量分析、植物熱成像分析、植物近紅外成像分析、植物高光譜分析、植物多光譜分 析、植物CT斷層掃描分析、自動(dòng)條碼識(shí)別管理、RGB真彩3D成像等多項(xiàng)*技術(shù)，以較優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)大量植物樣 品——從擬南芥、玉米到各種其它植物的生理生態(tài)與形態(tài)結(jié)構(gòu)成像分析，用于高通量植物表型成像分析測(cè)量、植 物脅迫響應(yīng)成像分析測(cè)量、植物生長(zhǎng)分析測(cè)量、生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識(shí)別及植物生理生態(tài)分析研究等。

室內(nèi)植物表型成像系統(tǒng)WIWAM Line

擬南芥自然變種對(duì)輕度干旱脅迫的葉片響應(yīng)

盡管人們對(duì)植物在嚴(yán)重干旱脅迫下的反應(yīng)進(jìn)行了廣泛的研究，但對(duì)植物在輕度干旱脅迫條件下如何適應(yīng)生長(zhǎng)卻知之甚少。本文分析了來自不同地理區(qū)域的六份擬南芥材料在輕度干旱脅迫下葉片和蓮座的生長(zhǎng)反應(yīng)。自動(dòng)表型分析平臺(tái)WIWAM用于在葉片發(fā)育早期施加脅迫，此時(shí)第三片葉片從莖尖分生組織中出現(xiàn)。生長(zhǎng)相關(guān)表型分析表明，不同材料的葉片發(fā)育存在差異。在所有六份材料中，輕度干旱脅迫都減少了葉片鋪面細(xì)胞的面積和數(shù)量，而不影響氣孔指數(shù)。對(duì)早期發(fā)育的葉片組織進(jìn)行全基因組轉(zhuǎn)錄組分析（使用RNA測(cè)序）確定了在輕度干旱脅迫下在六份材料中差異表達(dá)的354個(gè)基因。我們的結(jié)果表明，發(fā)育中的葉片對(duì)輕度干旱脅迫存在著不同遺傳背景下的強(qiáng)烈響應(yīng)。整個(gè)輕度干旱脅迫反應(yīng)過程包括脫落酸信號(hào)、脯氨酸代謝和細(xì)胞壁調(diào)節(jié)。除了這些已知的嚴(yán)重干旱相關(guān)反應(yīng)外，還發(fā)現(xiàn)87個(gè)基因?qū)Πl(fā)育中的幼葉對(duì)輕度干旱脅迫的反應(yīng)具有特異性。

為了在早期時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行脅迫處理，植物在潮濕的土壤中發(fā)芽并在4DAS時(shí)轉(zhuǎn)移到 WIWAM 上的輕度干旱條件（圖 1A-D）測(cè)量了多個(gè)生長(zhǎng)參數(shù)（補(bǔ)充圖 S1）：通過每天計(jì)算預(yù)計(jì)的玫瑰花結(jié)面積（PRA）來跟蹤玫瑰花結(jié)的生長(zhǎng)；在從細(xì)胞增殖到細(xì)胞擴(kuò)增的過渡（10-11 DAS）和成熟（22 DAS）時(shí)測(cè)量第三葉的面積；第三片葉子的平均細(xì)胞數(shù)和細(xì)胞大小在成熟時(shí)與氣孔指數(shù)一起確定。除了這些葉片大小測(cè)量和細(xì)胞分析之外，還使用 RNA 測(cè)序進(jìn)行了全基因組轉(zhuǎn)錄組分析。為了研究在葉細(xì)胞增殖階段施加的輕度干旱脅迫下遺傳變異對(duì)生長(zhǎng)反應(yīng)的影響，六個(gè)擬南芥種質(zhì)（An-1、Blh-1、Col-0、Cvi-0、Oy-0、Sha），代表不同地理區(qū)域并顯示可以捕獲一組 24 個(gè)種質(zhì)中存在的干旱響應(yīng)的大部分變化。

圖1.WIWAMxy系統(tǒng)上的幼苗

在控制條件下，隨著時(shí)間的推移Oy-0 的PRA是最大的，而Cvi-0是六個(gè)種質(zhì)中最小的（圖2A）。 在成熟期 (21 DAS)，Oy-0達(dá)到 633 mm2 的PRA，而Cvi-0 測(cè)量為239 mm2（圖2，A和B），兩者都與An-的PRA顯著不同。1、Blh-1、Col-0和Sha，它們之間沒有顯著差異。在對(duì)照條件下，成熟的第三葉面積范圍從Blh-1中的82 mm2到Oy-0中的109 mm2（圖2C）。兩個(gè)種質(zhì)Oy-0和Sha (103 mm2)無顯著差異，但二者第三葉顯著大于其他四個(gè)種質(zhì)。輕度干旱脅迫時(shí)，六種材料的葉面積均減少，范圍從Cvi-0的31 mm2 到Oy-0的39 mm2。輕度干旱處理后，種質(zhì)之間沒有檢測(cè)到葉面積的顯著差異。成熟時(shí)表現(xiàn)出最大減少的種質(zhì)是Cvi-0 (65%)、Oy-0 (64%) 和 Sha (63%)（圖2C）。在對(duì)照條件下生長(zhǎng)的葉面積從Cvi-0的0.084 mm2到Oy-0的0.130 mm2（圖2D）。輕度干旱處理后，Oy-0和Sha（分別為0.111 mm2和0.113mm2）顯示出最大的第三葉，而Cvi-0的第三葉為0.069 mm2，是六個(gè)種質(zhì)中最小的（圖2D）。相對(duì)于對(duì)照條件，輕度干旱脅迫下的尺寸減小范圍從Sha的7% 到Col-0的30%（圖2D）。雖然沒有發(fā)現(xiàn)Sha的7%大小減少是顯著的，但在這個(gè)早期發(fā)育時(shí)間點(diǎn)，其他種質(zhì)的葉面積在輕度干旱脅迫下顯著減少。

圖2.蓮座面積和葉片大小的測(cè)量

在輕度干旱脅迫下從14 DAS開始，檢測(cè)到PRA顯著減少（圖3）。從該時(shí)間點(diǎn)開始，通過兩兩比較分析了對(duì)施加輕度干旱脅迫的隨時(shí)間變化的反應(yīng)，表明Oy-0和Cvi-0在其對(duì)輕度干旱脅迫的隨時(shí)間變化的生長(zhǎng)反應(yīng)方面與Blh-1和Sha顯著不同（圖3）。在成熟期（21 DAS），與對(duì)照相比，輕度干旱條件下Oy-0和Cvi-0分別減小72%和67%（圖2B）。盡管Cvi-0的PRA隨時(shí)間的反應(yīng)不同（圖3），但在最后一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，Cvi-0的PRA降低與An-1、Blh-1、Col-0和Sha沒有差異，而Oy-0的PRA降低與除Cvi-0外的所有其他材料顯著不同。

圖3.六個(gè)種質(zhì)在控制和輕度干旱條件下隨時(shí)間推移的蓮座預(yù)計(jì)面積

在輕度干旱脅迫下，6份材料的路面細(xì)胞面積和數(shù)量均顯著減少。所有材料的路面單元面積減少（圖4A）非常相似，從43%（Col 0）到54%（Sha和Oy-0），與路面單元數(shù)量相比，路面單元數(shù)量在材料之間差異顯著，從18%（Blh-1和Oy-0）到41%（An-1）（圖4B）。細(xì)胞大小和葉片大小的減少導(dǎo)致了更高的細(xì)胞密度（圖4C），但在對(duì)照和輕度干旱條件下，氣孔指數(shù)沒有顯著差異（圖4D）。

圖4.對(duì)照和輕度干旱條件下六份材料成熟第三葉細(xì)胞參數(shù)的測(cè)定

通過與上面列出的研究進(jìn)行比較，鑒定出87個(gè)基因在輕度干旱脅迫條件下在年輕發(fā)育組織中特異性表達(dá)差異化（圖5）。除了5PTASE2、COR47、MPK3、NIG1 和 AT5G53390 之外，這些基因中沒有一個(gè)與ABA相關(guān)。 87個(gè)常見干旱基因中有5個(gè)參與細(xì)胞壁修飾：EXPA15、三個(gè)編碼果膠裂解酶的基因（AT1G60590、AT1G67750、AT3G61490）和一個(gè) PMEI（AT1G23205）。87 個(gè)基因中的許多基因以前與已知的輕度干旱生長(zhǎng)反應(yīng)無關(guān)。然而一些常見的干旱基因可能在輕度干旱的幼葉組織中調(diào)節(jié)生長(zhǎng)。

圖5.維恩圖顯示了參與嚴(yán)重干旱研究的基因、輕度干旱研究下成熟組織中的基因和常見干旱基因之間的重疊

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