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WIWAM高通量植物表型成像系统—轻度干旱胁迫的叶片响应

发布时间:2022-05-25 点击量:112

WIWAM高通量植物表型成像系统由比利时SMO公司与Ghent大学VIB研究所研制生产,整合了LED植物智能培养、自动 化控制系统、叶绿素荧光成像测量分析、植物热成像分析、植物近红外成像分析、植物高光谱分析、植物多光谱分 析、植物CT断层扫描分析、自动条码识别管理、RGB真彩3D成像等多项先进技术,以较优化的方式实现大量植物样 品——从拟南芥、玉米到各种其它植物的生理生态与形态结构成像分析,用于高通量植物表型成像分析测量、植 物胁迫响应成像分析测量、植物生长分析测量、生态毒理学研究、性状识别及植物生理生态分析研究等。

称重、成像、浇水植物表型成像系统

室内植物表型成像系统WIWAM Line

拟南芥自然变种对轻度干旱胁迫的叶片响应

尽管人们对植物在严重干旱胁迫下的反应进行了广泛的研究,但对植物在轻度干旱胁迫条件下如何适应生长却知之甚少。本文分析了来自不同地理区域的六份拟南芥材料在轻度干旱胁迫下叶片和莲座的生长反应。自动表型分析平台WIWAM用于在叶片发育早期施加胁迫,此时第三片叶片从茎尖分生组织中出现。生长相关表型分析表明,不同材料的叶片发育存在差异。在所有六份材料中,轻度干旱胁迫都减少了叶片铺面细胞的面积和数量,而不影响气孔指数。对早期发育的叶片组织进行全基因组转录组分析(使用RNA测序)确定了在轻度干旱胁迫下在六份材料中差异表达的354个基因。我们的结果表明,发育中的叶片对轻度干旱胁迫存在着不同遗传背景下的强烈响应。整个轻度干旱胁迫反应过程包括脱落酸信号、脯氨酸代谢和细胞壁调节。除了这些已知的严重干旱相关反应外,还发现87个基因对发育中的幼叶对轻度干旱胁迫的反应具有特异性。

为了在早期时间点进行胁迫处理,植物在潮湿的土壤中发芽并在4DAS时转移到 WIWAM 上的轻度干旱条件(图 1A-D)测量了多个生长参数(补充图 S1):通过每天计算预计的玫瑰花结面积(PRA)来跟踪玫瑰花结的生长;在从细胞增殖到细胞扩增的过渡(10-11 DAS)和成熟(22 DAS)时测量第三叶的面积;第三片叶子的平均细胞数和细胞大小在成熟时与气孔指数一起确定。除了这些叶片大小测量和细胞分析之外,还使用 RNA 测序进行了全基因组转录组分析。为了研究在叶细胞增殖阶段施加的轻度干旱胁迫下遗传变异对生长反应的影响,六个拟南芥种质(An-1、Blh-1、Col-0、Cvi-0、Oy-0、Sha),代表不同地理区域并显示可以捕获一组 24 个种质中存在的干旱响应的大部分变化。

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图1.WIWAMxy系统上的幼苗

在控制条件下,随着时间的推移Oy-0 的PRA是最大的,而Cvi-0是六个种质中最小的(图2A)。 在成熟期 (21 DAS),Oy-0达到 633 mm2 的PRA,而Cvi-0 测量为239 mm2(图2,A和B),两者都与An-的PRA显著不同。1、Blh-1、Col-0和Sha,它们之间没有显著差异。在对照条件下,成熟的第三叶面积范围从Blh-1中的82 mm2到Oy-0中的109 mm2(图2C)。两个种质Oy-0和Sha (103 mm2)无显著差异,但二者第三叶显著大于其他四个种质。轻度干旱胁迫时,六种材料的叶面积均减少,范围从Cvi-0的31 mm2 到Oy-0的39 mm2。轻度干旱处理后,种质之间没有检测到叶面积的显著差异。成熟时表现出最大减少的种质是Cvi-0 (65%)、Oy-0 (64%) 和 Sha (63%)(图2C)。在对照条件下生长的叶面积从Cvi-0的0.084 mm2到Oy-0的0.130 mm2(图2D)。轻度干旱处理后,Oy-0和Sha(分别为0.111 mm2和0.113mm2)显示出最大的第三叶,而Cvi-0的第三叶为0.069 mm2,是六个种质中最小的(图2D)。相对于对照条件,轻度干旱胁迫下的尺寸减小范围从Sha的7% 到Col-0的30%(图2D)。虽然没有发现Sha的7%大小减少是显着的,但在这个早期发育时间点,其他种质的叶面积在轻度干旱胁迫下显著减少。

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图2.莲座面积和叶片大小的测量

在轻度干旱胁迫下从14 DAS开始,检测到PRA显著减少(图3)。从该时间点开始,通过两两比较分析了对施加轻度干旱胁迫的随时间变化的反应,表明Oy-0和Cvi-0在其对轻度干旱胁迫的随时间变化的生长反应方面与Blh-1和Sha显著不同(图3)。在成熟期(21 DAS),与对照相比,轻度干旱条件下Oy-0和Cvi-0分别减小72%和67%(图2B)。尽管Cvi-0的PRA随时间的反应不同(图3),但在最后一个时间点,Cvi-0的PRA降低与An-1、Blh-1、Col-0和Sha没有差异,而Oy-0的PRA降低与除Cvi-0外的所有其他材料显著不同。

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图3.六个种质在控制和轻度干旱条件下随时间推移的莲座预计面积

在轻度干旱胁迫下,6份材料的路面细胞面积和数量均显著减少。所有材料的路面单元面积减少(图4A)非常相似,从43%(Col 0)到54%(Sha和Oy-0),与路面单元数量相比,路面单元数量在材料之间差异显著,从18%(Blh-1和Oy-0)到41%(An-1)(图4B)。细胞大小和叶片大小的减少导致了更高的细胞密度(图4C),但在对照和轻度干旱条件下,气孔指数没有显著差异(图4D)。

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图4.对照和轻度干旱条件下六份材料成熟第三叶细胞参数的测定

通过与上面列出的研究进行比较,鉴定出87个基因在轻度干旱胁迫条件下在年轻发育组织中特异性表达差异化(图5)。除了5PTASE2、COR47、MPK3、NIG1 和 AT5G53390 之外,这些基因中没有一个与ABA相关。 87个常见干旱基因中有5个参与细胞壁修饰:EXPA15、三个编码果胶裂解酶的基因(AT1G60590、AT1G67750、AT3G61490)和一个 PMEI(AT1G23205)。87 个基因中的许多基因以前与已知的轻度干旱生长反应无关。然而一些常见的干旱基因可能在轻度干旱的幼叶组织中调节生长。

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图5.维恩图显示了参与严重干旱研究的基因、轻度干旱研究下成熟组织中的基因和常见干旱基因之间的重叠

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