WIWAM高通量植物表型成像分析平臺(tái)：植物干旱脅迫研究

WIWAM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(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

艱難選擇：植物在水分限制條件下如何平衡生長和生存

摘要：當(dāng)面臨水分限制時(shí)，植物會(huì)積極地重新規(guī)劃它們的新陳代謝和生長。最近人們發(fā)現(xiàn)生長中的組織對干旱表現(xiàn)出特定的、高度動(dòng)態(tài)的響應(yīng)，這與成熟組織中已被充分研究的響應(yīng)不同。本文提供了一個(gè)在理解水限制條件下的莖生長調(diào)節(jié)方面的最新進(jìn)展的概述。特別令人感興趣的是保持增長和競爭力與確保生存之間的平衡。許多控制這種平衡的主要調(diào)節(jié)因子已經(jīng)被確定，如DELLAs和APETALA2/乙烯反應(yīng)因子型轉(zhuǎn)錄因子。討論了工程或育種作物的可能性，這些作物在輕度干旱期間保持生長，同時(shí)仍然能夠激活保護(hù)性耐性機(jī)制。

由于植物固著的生活方式，它們不斷暴露在可能威脅生存的不斷變化的環(huán)境條件下。因此復(fù)雜的機(jī)制已經(jīng)演變?yōu)榫_監(jiān)測環(huán)境和非常動(dòng)態(tài)地重新編程代謝和生長。水的可利用性可能受到干旱、鹽分或冰凍的限制，是限制農(nóng)業(yè)環(huán)境中植物生長和發(fā)育的主要因素之一。對于谷物作物來說，干旱是降低產(chǎn)量的最重要的非生物脅迫因素。最近的一個(gè)例子是，2012年干旱影響了美國80%的耕地，玉米和大豆的產(chǎn)量分別減少了27.5%和10%，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由于氣候變化和可用于灌溉的淡水日益短缺，水限制的影響在未來幾十年可能會(huì)惡化，這主要是由城市化和含水層枯竭造成的。目前，含水層正在為印度和中國至少4億人提供種植糧食的水。盡管在限水條件下，特別是在輕度至中度干旱條件下，高產(chǎn)潛力的選擇也提高了產(chǎn)量，但仍然存在一個(gè)巨大的“產(chǎn)量差距"，難以用經(jīng)典的表型驅(qū)動(dòng)育種來解決。

圖1.抗逆性和保持生長之間的平衡

直接通過主動(dòng)響應(yīng)和間接通過氣孔關(guān)閉抑制莖生長是改善水平衡和脅迫耐受性的一個(gè)組成部分，旨在通過限制水分流失來確保植物存活。然而如果壓力只是暫時(shí)的，過度限制生長會(huì)導(dǎo)致競爭劣勢和不必要的產(chǎn)量損失；另一方面當(dāng)水資源限制長期而嚴(yán)重時(shí)，持續(xù)的增長會(huì)威脅到生存。因此，生長和存活之間的平衡受到嚴(yán)格調(diào)節(jié)，并且已經(jīng)進(jìn)化出特定的適應(yīng)性以允許在干旱條件下生長（圖 1）。 DREB2A 是水分限制反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，在發(fā)育中的組織中受到生長調(diào)節(jié)因子 7 的嚴(yán)格抑制，該因子是重要的葉片生長調(diào)節(jié)劑家族的成員，以避免壓力反應(yīng)對生長的高度不利影響。

研究水分限制的方法

對水分限制效應(yīng)的大部分認(rèn)識(shí)來自早期的研究，這些研究將植物暴露在嚴(yán)重脫水的環(huán)境中，例如通過剪掉葉子，讓它們在工作臺(tái)上晾干或者通過將植物的水分保持?jǐn)?shù)周，直到它們表現(xiàn)出嚴(yán)重萎蔫。或者使用滲透休克，通過將植物轉(zhuǎn)移到含有高濃度（超過100 mM）滲透因子的溶液中，如甘露醇或聚乙二醇（PEG）來實(shí)現(xiàn)。雖然這些類型的實(shí)驗(yàn)大大增加了我們對應(yīng)激生理學(xué)和分子反應(yīng)的了解，但它們可能無法反映現(xiàn)場發(fā)生的生理?xiàng)l件。因此開發(fā)了新的方法。對于短期反應(yīng)，將植物轉(zhuǎn)移到低滲透性水平的體外系統(tǒng)使我們能夠輕松研究非常早期的反應(yīng)。雖然關(guān)于滲透劑的相關(guān)性仍存在爭議，但其使用避免了與土壤植物干旱試驗(yàn)相關(guān)的許多問題。為了解決其中一些問題，已經(jīng)建立了自動(dòng)澆水和表型系統(tǒng)，如PHENOPSIS和WIWAM。這些系統(tǒng)通過定期稱量單個(gè)花盆的重量和添加足夠的水，使大量植物受到控制的輕度干旱，來補(bǔ)償蒸發(fā)損失的水量。

有限的水資源對生長的影響

生長調(diào)節(jié)是許多植物干旱反應(yīng)的一個(gè)組成部分，其主要目的是限制新梢生長從而限制蒸發(fā)面。很明顯這是一種非常快速且積極調(diào)節(jié)的反應(yīng)，不僅僅是水力學(xué)改變的結(jié)果，因?yàn)楫?dāng)木質(zhì)部水勢保持時(shí)，這種反應(yīng)無法消除甚至在葉水勢不受影響的情況下，在擬南芥、玉米和水稻中也會(huì)發(fā)生。生長對水分限制的敏感性也遠(yuǎn)高于光合作用，因此，碳水化合物通常會(huì)在受脅迫的植物中積累，這表明生長減少不是碳赤字的結(jié)果（相反，生長被認(rèn)為與水限制條件下的碳可用性不耦合。

生長葉片對水分限制的分子響應(yīng)

品種特異性反應(yīng)的存在表明在控制對水分限制的生長反應(yīng)方面具有相當(dāng)大的遺傳可塑性；因此，使用玉米重組自交系種群發(fā)現(xiàn)了許多葉片伸長率對較低土壤水勢敏感性的數(shù)量性狀位點(diǎn)。然而，解開水分限制下控制生長的精確分子機(jī)制需要專門分析生長組織，因?yàn)楦珊捣磻?yīng)已被證明強(qiáng)烈依賴于發(fā)育階段和壓力的嚴(yán)重程度。值得注意的是，在嚴(yán)重脅迫條件下，在成熟組織中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)在脅迫耐受性中起作用的基因似乎對輕度干旱條件下的生長抑制幾乎沒有影響。近年來，已經(jīng)對生長組織中的干旱反應(yīng)進(jìn)行了多項(xiàng)研究，揭示了許多一般特征。

控制細(xì)胞增殖的機(jī)制

細(xì)胞增殖由細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶(CDK) 的活性驅(qū)動(dòng)，顧名思義，CDK 需要與細(xì)胞周期蛋白相關(guān)聯(lián)才能發(fā)揮活性。 植物具有許多不同的 CDK-細(xì)胞周期蛋白模塊，其中一些具有高度特定的作用。 CDK-細(xì)胞周期蛋白復(fù)合物的活性由三種主要機(jī)制控制：通過諸如 ANAPHASE-PROMOTING COMPLEX/CYCLOSOME (APC/C) 等復(fù)合物的降解來控制細(xì)胞周期蛋白水平； 通過磷酸化激活或抑制 CDK-細(xì)胞周期蛋白復(fù)合物； 以及復(fù)合物與抑制蛋白的相互作用，其中有兩個(gè)主要家族，細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑 (CKI)/KIP 相關(guān)蛋白(KRP) 型蛋白質(zhì)和 SIAMESE (SIM)/SIAMESERELATED 型蛋白質(zhì)。

控制細(xì)胞擴(kuò)增的機(jī)制

植物中的細(xì)胞擴(kuò)張一方面主要受吸水和液泡擴(kuò)張的組合調(diào)節(jié)，另一方面受控制的細(xì)胞壁松動(dòng)和新細(xì)胞壁材料沉積的調(diào)節(jié)。 細(xì)胞壁的松動(dòng)是由膨脹蛋白的活性介導(dǎo)的，膨脹蛋白主要在低 pH 值下（形成所謂的“酸生長"假說的基礎(chǔ)）、木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)葡糖基酶/水解酶 (XET)、果膠甲酯酶和 ROS。控制這些效應(yīng)子活動(dòng)的最重要信號(hào)被認(rèn)為是生長素和機(jī)械信號(hào)。 這些細(xì)胞壁調(diào)節(jié)信號(hào)和效應(yīng)器中的大部分是由缺水調(diào)節(jié)的（圖 2，右上圖）。

圖2.發(fā)育葉片中調(diào)節(jié)生長和脅迫耐受性的機(jī)制及其相互作用

生長組織中的壓力耐受機(jī)制

在生長組織積極地重新編程其生長的同時(shí)，它們也激活了對細(xì)胞損傷的耐受機(jī)制。有趣的是，傳統(tǒng)上與水分限制反應(yīng)相關(guān)的基因，如 DREB2A、RD29B、LEA 和 ABA 相關(guān)基因，在受到輕度滲透脅迫的植物生長組織中不被誘導(dǎo)甚至抑制，而它們在成熟組織中被誘導(dǎo)在相同的脅迫水平。然而在這些研究中，發(fā)現(xiàn)了通常與生物脅迫相關(guān)的脅迫標(biāo)志物的富集，例如 WRKY 和 ERF TF、抗霉基因座蛋白以及參與吲哚硫代葡萄糖苷生物合成的基因。對暴露于中等干旱脅迫的土壤生長的擬南芥幼葉進(jìn)行的一項(xiàng)不同研究發(fā)現(xiàn)，脅迫發(fā)生后早期經(jīng)典的 ABA 主導(dǎo)的缺水反應(yīng)，但這種反應(yīng)在適應(yīng)環(huán)境的葉片中消失了，此時(shí)有幾個(gè)“生物"脅迫標(biāo)記，例如MYB51 和 WRKY33 被誘導(dǎo)。這表明生長葉片的耐受機(jī)制可能與成熟葉片的耐受機(jī)制不同。

生長和耐受性的調(diào)節(jié)

由于植物平衡至關(guān)重要，一方面通過生長靜止和耐受機(jī)制確保生存，另一方面通過持續(xù)生長保持競爭力，因此這兩個(gè)過程存在廣泛的協(xié)同調(diào)節(jié)。在這里我們重點(diǎn)介紹四種常見機(jī)制：DELLA、AP2/ERF 型 TF、Pro 和線粒體代謝重編程（圖 2，下圖）。

提高田間抗旱性能的前景

在對植物如何響應(yīng)和適應(yīng)干旱進(jìn)行了數(shù)十年的研究之后，發(fā)現(xiàn)了許多有趣的線索，但這些知識(shí)很少被應(yīng)用到該領(lǐng)域。為解釋這種差異而提出的一個(gè)原因是，經(jīng)常使用人工和過于嚴(yán)重的脅迫分析，這與生理?xiàng)l件幾乎沒有關(guān)系。因此脅迫發(fā)生的嚴(yán)重程度、持續(xù)時(shí)間和發(fā)育時(shí)間應(yīng)謹(jǐn)慎控制。此外，使用非侵入性高通量表型可以直接分析水分限制期間的生長和生理參數(shù)，這可能是一種比在非常嚴(yán)重的脅迫下評分存活率更好的方法。同樣在經(jīng)典育種中，精確和適當(dāng)?shù)谋硇头治瞿壳氨灰暈槟透珊底魑锂a(chǎn)生的最限制因素之一，因?yàn)檫@是一種數(shù)量性狀，其中單個(gè)基因或數(shù)量性狀基因座通常具有微妙的影響，強(qiáng)烈依賴于遺傳背景，并表現(xiàn)出強(qiáng)烈的環(huán)境交互作用。最后一個(gè)復(fù)雜因素來自這樣一個(gè)事實(shí)，即在現(xiàn)場，不同的脅迫通常同時(shí)經(jīng)歷，最近的一份報(bào)告表明，對應(yīng)力組合的反應(yīng)很難從單一的應(yīng)力反應(yīng)中預(yù)測。事實(shí)上轉(zhuǎn)錄組和代謝組對高溫和嚴(yán)重干旱這兩種通常在農(nóng)業(yè)條件下同時(shí)發(fā)生的脅迫的反應(yīng)，以前被發(fā)現(xiàn)與單獨(dú)對任一種脅迫的反應(yīng)都有很大不同。

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