WIWAM高通量植物表型組學(xué)成像平臺—擬南芥赤霉素研究

WIWAM高通量植物表型成像系統(tǒng)由比利時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 化控制系統(tǒng)、葉綠素熒光成像測量分析、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、自動條碼識別管理、RGB真彩3D成像等多項*技術(shù)，以較優(yōu)化的方式實現(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量、植 物脅迫響應(yīng)成像分析測量、植物生長分析測量、生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識別及植物生理生態(tài)分析研究等。

室內(nèi)植物表型成像系統(tǒng)WIWAM Line

夜間赤霉素生物合成受波動的環(huán)境條件影響，并有助于擬南芥葉片的生長調(diào)節(jié)

最佳植物生長性能要求生長信號（如赤霉素（GA））的作用與光同化物的可用性相協(xié)調(diào)。在這里，我們研究了赤霉素生物合成和碳可用性之間的聯(lián)系，以及隨后對生長的影響。結(jié)果表明，碳的有效性、光和暗信號以及時鐘確保了赤霉素生物合成的時間和幅度，并且這些機制的破壞導(dǎo)致赤霉素水平和下游基因表達的降低。赤霉素3β-雙加氧酶1（GA3ox1）的碳依賴性夜間誘導(dǎo)在一天的光照可用性降低之前受到嚴重阻礙，特別是導(dǎo)致生物活GA4水平降低，并與夜間葉片擴張率下降相一致。我們將這種葉片擴張的下降主要歸因于光同化物的減少。然而赤霉素限制得到緩解的植物顯著改善了擴張，這表明在不同碳可用性下赤霉素在生長控制中的相關(guān)性。在短時間內(nèi)，上游赤霉素生物合成基因的碳依賴性表達未轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物變化。我們提出了一個模型，其中GA3ox1夜間生物合成生物活性GA4的程度由作為夜間碳源的淀粉決定，從而提供赤霉素反應(yīng)的日常調(diào)節(jié)。 

GA生物合成的幾個酶步驟由多基因家族編碼。為了確定營養(yǎng)生長期間具有相對高表達的關(guān)鍵家族成員，研究了兩個公開的微陣列數(shù)據(jù)集，它們跟蹤成年擬南芥花環(huán)中48小時的轉(zhuǎn)錄豐度（20-21）。進一步表明調(diào)節(jié)生長控制的作用是基于晝夜周期的振蕩行為，表明對碳供應(yīng)、光信號或時鐘變化的反應(yīng)。這些數(shù)據(jù)指出海藻氨酸合酶（KS）、GA20ox1和GA3ox1是主要候選基因（圖1）。

圖1.節(jié)律性GA生物合成基因的基因家族成員在晝夜循環(huán)中的 mRNA豐度

盡管赤霉素前體池（GA9、GA19和GA20）在晚上似乎更高，但在時間點之間和光照水平之間未觀察到顯著差異（圖2A）。生物活性赤霉素對受體GID1的親和力不同，與GA4的強結(jié)合親和力相比，GA3和GA1的親和力較弱。低親和力生物活性赤霉素（GA1和GA3）在處理之間沒有明顯差異。高親和力赤霉素GA4是豐富的生物活性赤霉素，在夜間濃度最高（圖2B）。延長一天的夜間GA3ox1誘導(dǎo)減少，導(dǎo)致第二天早上GA4下降（圖2B）。低光照水平導(dǎo)致第二天早上GA4的下降更大，而GA4水平在實際弱光日結(jié)束時保持不變（圖2B）。這些結(jié)果表明，夜間GA3ox1表達在確定響應(yīng)弱光的生物活性GA水平方面起著重要作用，而KS和GA20ox1的下降并沒有在本文研究的時間范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化為赤霉素生物合成的減少。赤霉素滅活酶也可在確定生物活性GA的動力學(xué)方面發(fā)揮作用。但是，未發(fā)現(xiàn)滅活氣體（GA8、GA29和GA34）的一致變化。

圖2.GA豐度和隨時間和弱光條件后的響應(yīng)

圖3.日膨脹變化情況

pgm中GA響應(yīng)基因的節(jié)律性表達丟失，盡管GID1A中保持節(jié)律性。在赤霉素不敏感（gai）和della pentuple（pent）突變體中，赤霉素在一天特定時間葉片擴展中的相關(guān)性得到了進一步研究，這兩種突變體不能對不同的赤霉素水平作出反應(yīng)。當GA3ox1的表達決定生物活性GA水平時，gai和pent的擴增率在夜間降低（圖3）。另外。早上擴張率升高（圖3），這可能代表了一種獨立于GA的行為，可能利用了未開發(fā)的夜間增長潛力。同樣，GA3ox1基因敲除突變體GA3ox1-3也減少了夜間擴張，增加了早晨擴張（圖3）。總的來說，這表明對赤霉素水平和GA生物合成的變化作出反應(yīng)的能力有助于一天中特定時間的擴張。

圖4.恒定和可變條件下的碳和GA依賴性生長

利用自動表型分析平臺WIWAM XY精確控制土壤含水量，并隨時間對單個植物進行成像，跟蹤了恒定晝夜周期下以及面對四個散布的弱光日時Col-0和ga3ox1 kd植物的膨脹率（圖4C）。為了獲得正常光照下的膨脹率，并確定弱光介導(dǎo)的膨脹減少，對單個植物的生長曲線進行了擬合。在對照條件下，Col-0和ga3ox1 kd之間的膨脹率幾乎相同（圖4D）。得出結(jié)論，赤霉素水平的GA3ox1依賴性波動不能成為正常光照條件下GA3ox1生長的主要驅(qū)動因素。暴露于四個弱光日導(dǎo)致兩種基因型的最終花環(huán)面積顯著減少，這意味著幾天的弱光日可以產(chǎn)生顯著的影響。對弱光白天和隨后夜晚膨脹減少的量化表明ga3ox1 kd的膨脹率降低幅度小于Col-0（圖4E）。這表明ga3ox1 kd在夜間表達和調(diào)節(jié)可忽略不計的情況下（圖4A-B）的擴增不會像野生型那樣受到弱光的強烈影響，在野生型中弱光嚴重抑制了ga3ox1和GA4水平的表達。

為了調(diào)查生長減少發(fā)生的確切時間，并進一步探索GA3ox1在這種減少中的作用，每隔6或12小時跟蹤生長最快的葉片的葉片擴展率。在弱光處理期間，葉片膨脹率保持不變，而在隨后的夜間，膨脹率嚴重降低（圖4F）。通過應(yīng)用赤霉素或ga3ox1 kd防止弱光后GA4的下降，可在類似程度上緩解膨脹的減少（圖4G）。然而，對赤霉素的操縱都不能*消除生長懲罰（圖4G）。

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