WIWAM高通量植物表型平臺：干旱脅迫下擬南芥的生長研究

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?zé)晒獬上駵y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(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

在有限的水分條件下，擬南芥的存活和生長是不平等的

摘要：盡管耐旱性是植物研究的核心問題，但作物改良的可譯性相對較低。 在這里，我們報告了導(dǎo)致這種失敗的主要因素。 耐旱性主要基于在致死條件下提高的存活率進(jìn)行評分，正如我們的研究所證明的那樣，在田間經(jīng)常遇到的中度干旱下，不能預(yù)測*的生長性能，因此不能預(yù)測生物量產(chǎn)量的增加。

耐旱性是農(nóng)業(yè)生物技術(shù)公司性狀研究的一個主要課題，已經(jīng)發(fā)表了數(shù)千篇關(guān)于這一主題的學(xué)術(shù)論文。因此，有大量關(guān)于提高耐旱性的報道，主要是在模式植物擬南芥中。經(jīng)典的基因工程方法涉及在植物用來避免和/或耐受干旱的機(jī)制中起作用的目標(biāo)基因，如氣孔導(dǎo)度或滲透壓的產(chǎn)生。這些基因通常通過表達(dá)譜鑒定，包括信號成分和下游效應(yīng)基因。然而，盡管在模式植物上的脅迫研究取得了明顯的成功，但這些發(fā)現(xiàn)很少應(yīng)用于改善作物。只有少數(shù)基因可以增強(qiáng)模式植物或作物的抗逆能力，從而提高產(chǎn)量，而它們的分子機(jī)制目前還只是部分了解。其中一個關(guān)鍵原因與模式和作物物種之間的遺傳和生理差異有關(guān)。

在擬南芥的研究中，耐旱性主要是在相當(dāng)嚴(yán)重的條件下進(jìn)行評估的，在這種條件下，植物在長時間的土壤干燥后存活下來。然而，在溫帶氣候中有限的水分供應(yīng)很少導(dǎo)致植物死亡，但限制了生物量和種子產(chǎn)量。為了研究干旱條件下存活與生物量增加之間的關(guān)系，我們在輕度脅迫試驗(yàn)中分析了轉(zhuǎn)基因擬南芥植株的生長情況，這些植株對致死脅迫的耐受性增強(qiáng)。對擬南芥基因進(jìn)行了廣泛的文獻(xiàn)篩選，以確定在功能獲得或喪失的情況下，擬南芥基因在對照條件下不受生長懲罰的情況下，賦予擬南芥抗逆性。雖然干旱和滲透脅迫被優(yōu)先考慮，但其他相關(guān)的脅迫，包括鹽、熱和氧化脅迫，也被考慮在內(nèi)。最終選擇由25個基因組成，我們將其命名為“脅迫耐受基因"（STG），涉及脅迫耐受的各個方面，并且在野生型Columbia-0（Col-0）背景中。

圖1.在控制條件下，脅迫引起的生長減少與花環(huán)大小無關(guān)

我們在25個STG品系中的15個品系中添加了兩個以前未分析過的額外品系（MYB90和tAPX），這些品系已被證明在嚴(yán)重干旱時能更好地存活（圖1a）。為了量化STG系的生長開發(fā)了一種模擬相對溫和的干旱脅迫條件的分析方法，在這種條件下，隨著時間的推移，在土壤中生長的植物的花環(huán)大小會被跟蹤。為了確保測試的再現(xiàn)性，我們還在一個自動化平臺中使用了大量的植物，稱為“稱重成像和澆水機(jī)"（WIWAM；圖1b）。WIWAM實(shí)現(xiàn)了216株植物的日常成像和控制澆水。植物在對照條件下發(fā)芽和生長，直到第1.04階段，之后繼續(xù)對對照植物澆水，但對受脅迫植物停止?jié)菜钡竭_(dá)到設(shè)定的脅迫水平，并隨后保持恒定。在野生型植物中，漸進(jìn)式土壤干燥導(dǎo)致生長速率逐漸降低，最終導(dǎo)致花環(huán)面積減少30–40%（圖1c）。

值得一提的是使用條件性或組織特異性啟動子8,9可能繞過觀察到的生長減少。一般來說，植物的大小和存活率，至少在實(shí)驗(yàn)室條件下，被認(rèn)為是負(fù)相關(guān)的，因?yàn)樾⌒椭参镎趄v和用水較少。相反，在我們的研究中輕度干旱導(dǎo)致的生長減少與對照條件下測得的STG大小無關(guān)（圖1d，e）

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