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利用Plantarray高通量植物生理表型平台研究盐胁迫下烟草

发布时间:2022-05-11 点击量:249

Plantarray是一款基于称重的高通量、多传感器生理表型平台以及植物逆境生物学研究通用平台。该系统可持续、实时测量位于不同环境条件下、阵列中每个植株的土壤-植物-空气(SPAC)中的即时水流动。直接测量根系和茎叶系统水平衡和生物量增加,计算植物生理参数以及植物对动态环境的反馈。系统以有效、易用、无损的方式针对植物对不同处理的反应、预测植物生长和生产力进行定量比较,广泛应用于生物胁迫和非生物胁迫以及植物栽培加速育种研究等,胁迫研究涵盖干旱胁迫、盐胁迫、重金属胁迫、热、冷胁迫、光胁迫以及灌溉/养分、CO2指示、植物健康等领域的研究。

烟草(Nicotiana tabacum; C3)在非生物胁迫下提高了水分利用效率(WUE),并在茎、叶柄和传输道细胞中显示出C4植株的光合作用特征。烟草胁迫诱导的水通道蛋白(NtAQP1) 既是水分通道又是CO2 通道。在烟草植株中,NtAQP1 的过表达增加了叶片的净光合作用 (AN)、叶肉 CO2 传导率和气孔导度,而其沉寂会降低根系水力传导率 (Lp)。然而,在正常和胁迫条件下,NtAQP1叶片和根系活动之间的相互作用及其对植物水分利用效率和生产力影响的研究尚未被提及。因此,本研究的目的是提出NtAQP1在植物水分利用效率、抗逆性和生产力中的作用。在所有试验条件下,在番茄 (Solanum lycopersicum) 植株(TOM-NtAQP1) 中表达 NtAQP1 会产生更高的气孔导度、整株植物蒸腾作用和 AN。与对照相比,盐胁迫下的L p 减少了3倍多,TOM-NtAQP1 植株与玉米(Zea mays;C4)相似,Lp并没有显著降低(仅降低约40%)。相互嫁接为 NtAQP1 在防止水力破坏和维持全株蒸腾速率方面的作

用提供了新的证据。本研究结果揭示了在根和叶中独立但密切相关的 NtAQP1 活性。这种双重活性增加了植物在最佳和胁迫条件下的用水量和AN,从而提高了WUE。因此,正如在组成型表达 NtAQP1 的番茄和拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 中所示,它在所有测试条件下都有助于植物在产量方面的抗逆性。本文还讨论了NtAQP1参与烟草类C4光合作用特性的可能性。

关键词:烟草(Nicotiana tabacum);NtAQP1;水分利用效率(WUE);抗逆性

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图1. 在受控温室中,正常灌溉和盐胁迫下生长的TOM-NtAQP1和对照植物的全株日蒸腾速率和相对蒸腾速率

使用将VPD和植物叶面积测定统一化的多重蒸渗仪系统同时测量了所有TOM-NtAQP1和对照植物的每日蒸腾速率。在正常生长条件下,前者的日蒸腾速率高于对照植物(图2A),以致全天的相对蒸腾水平显著升高(图2A)。总日蒸腾量由日蒸腾速率曲线下的面积确定。在盐胁迫处理期间(图2、B和C)以及随后从盐胁迫恢复期间(图2D),TOM-NtAQP1和对照植物之间的蒸腾作用差异显著。

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2. 在正常和100 mM NaCl 灌溉下嫁接植物的每日蒸腾速率、gs和AN

NtAQP1在防止根茎水力衰竭和提高全株抗逆性方面的作用:一方面增加gs和蒸腾作用,同时在渗透胁迫条件下维持正常的根系Lp;另一方面,表明NtAQP1通道在全植物水力控制中具有双重独立的作用。为了估计NtAQP1的这些活性与每个在整个植物对胁迫响应中的相对重要性之间的关系,进行了相互嫁接实验。同时测量所有嫁接植物的全株蒸腾速率和相对日蒸腾量,在正常和盐处理下转基因植物的蒸腾速率和相对日蒸腾量更高(图2,A和B)。从中午开始,T/C 嫁接植物的全株每日蒸腾速率显着降低,T/C 植物蒸腾速率的这种“午休"(在正常和盐胁迫条件下均清楚可见)可能是由于气孔关闭导致的。另外一种解释可能是由于较高的gs和较低的Lp导致Lp失效。

为了估测在盐胁迫下根水力信号对相互嫁接植株地上部分gs 和AN的相对影响,对嫁接植株的这二者进行了测量。测量分两个时间段进行:上午(8:00–11:00 AM)和中午(11:00 AM–2:00 PM)。在上午时间段嫁接植物中检测到的整株蒸腾速率(图2B)或gs或AN没有变化(图2,C和E)。然而在中午期间,除了T/T植物外,所有植物存在蒸腾速率的中断(图2B)。虽然 C/C和C/T植物的气孔关闭可以解释整株蒸腾速率的降低,但这并不能解释T/C植物的高gs和AN值,它们仍然高于对照并与T/T 植物类似(图2、D和F):与C/C或C/T植物相比,T/T和T/C植物保持相似且明显更高的gs和A值。

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