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作物、植物表型组学研究

发布时间:2022-05-26 点击量:82

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

WIWAM叶绿素荧光成像模块是革新性的植物叶绿素荧光成像系统,是专门针对整个植株成像的相机系统,成像方式为远程成像,高分辨率和高速成像。生成图像提供了光合作用性能信息。该模块有两种版本: 高分辨率版本和高速版本。同时配有分析软件,可为科学研究和工业应用提供少有的解决方案。所依据的原理是基于持续激发成像荧光计,用以测量Kautskyis响应曲线。采用了高能红灯来使光合作用饱和,通过使用敏感相机,在不同时间点对相应曲线成像以测量F0和Fm。依赖于所拍摄图像的有效信号/噪音比,相机积分时间是从20µs-1ms。红光灯的典型照射强度是1000-5000µmol/(m2s)。

WIWAM叶绿素荧光成像模块的版本

1.高分辨率版

此版本特点是高分辨率,成像可达1.4Mp,14bitA/D模数转化生成16384灰度值/像素以及15帧/秒。距离在80cm时,成像面积直径达到50cm。相机可以用于单株植物详细成像或对拟南芥植物的多个小植株成像在一起。

2.高速版

此版本专为在高帧速拍摄响应曲线设计。每秒可拍摄380帧图想,分辨率可达320×240像素,14bit的A/D模数转化。

WIWAM叶绿素荧光成像模块应用

高通量筛查: 在此类应用中,系统安装在植物传送带上方(顶视)或侧面(侧视)。系统拍摄图像需要400ms,计算光合性能。这意味着其可以典型的每小时4000株植物的速度来筛查植物。

多荧光成像:研究上,系统可配备拓展滤波轮,于不同荧光波段成像。客户可滤波轮。有15种滤波轮供备选(1英寸光学滤波)多光谱成像:另外应用是光谱成像。这样可使用用于荧光成像的相同相机拍摄光谱图像。第二滤波轮利用白灯可使用15个不同光谱波段。除了光谱图像,也可拍摄彩色图像(RGB)。

多荧光和光谱成像:光谱和荧光多波段成像可集成在一个相机系统中。此CropReporter系统可在例如12个波段测量多荧光图像,3彩滤波(RGB)以及15种不同光谱波段。总共可达30个滤波轮。依据客户要求,还可提供其它滤波组合。

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红掌植物彩图

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红掌植物叶绿素荧光图

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红掌植物Fv/Fm图

科研背景介绍

植物生长、活力以及品质主要依赖于其水分吸收、营养、二氧化碳以及光合作用中光的作用。光合作用中,生成了糖和淀粉。光在此过程中作用非常关键,因光吸收累积了化学能,是植物生长的能量来源。胁迫条件,如干旱,恶劣温度、病害,害虫、除草剂以及营养缺乏会降低其生长速度。

光合作用

通过测量光合作用中的光吸收利用程度,植物的监控,活力以及品质可以数字表述:光合作用效率。该数字指示了多少的光转化到生长当中。植物可达到83%的光合效率。只意味着达83%的叶绿素捕获光真正用于光合作用,用于糖和淀粉生产。当光合作用不起作用时,光合效率为零,没有光被吸收用于光合作用。

叶绿素荧光

植物体内的叶绿素在光照射时发出荧光。这意味着一旦植物被红光照射,植物发射出较深颜色的红彩色。 使用镜头中的光学滤波轮,可以拍摄荧光图片。采用特殊测量程序,可从这些荧光信号计算光合效率。

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Over expression of F-Box Nictaba Promotes Defense and Anthocyanin Accumulation in Arabidopsis thaliana After Pseudomonas syringae Infection

丁香假单胞菌感染后F-Box-Nictaba的过度表达促进拟南芥的防御和花青素积累

丁香假单胞菌。番茄DC3000(Pst DC3000)是一种著名的病原菌和模式生物,用于研究植物与病原菌的相互作用和随后的植物免疫反应。许多研究已经证明了Pst DC3000对拟南芥植物的作用,以及III型效应物是如何促进细菌毒力和致病机理的。F-Box-Nictaba(由At2g02360编码)是一种胁迫诱导凝集素,在Pst DC3000感染后在拟南芥叶片中上调。在本研究中,优化了接种试验,以检查细菌感染后不同表达水平F-Box-Nictaba的转基因拟南芥幼苗的性能。利用多光谱和荧光成像结合分子技术,研究了感染两种毒力菌株(Pst DC3000及其鞭毛蛋白1fliC缺陷突变株)的拟南芥叶片中的疾病症状、F-Box Nictaba转录水平和疾病相关基因。对感染荧光标记Pst DC3000的植物的分析使我们能够研究植物系之间细菌定植的差异。在感染后期,过表达植株的细菌含量降低。我们的研究结果表明,F-Box-Nictaba的过度表达可减少细菌感染后的叶片损伤,而基因敲除和基因敲除系并不比野生型植物更容易受到假单胞菌感染。与野生型和敲除型植物相比,F-Box Nictaba的过表达株系在Pst DC3000感染后花青素含量显著增加,光系统II(Fv/Fm)效率更好,叶绿素含量更高。F-Box-Nictaba的过度表达与水杨酸(SA)相关防御基因的表达增加一致,证实了早期数据显示F-Box-Nictaba是SA依赖性防御Pst DC3000感染的一部分。在假单胞菌感染后,敲除系对植物症状没有明显影响,表明F-BoNictaba基因之间可能存在基因冗余。

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图1.转基因品系中的F-BoxNictaba转录水平

在15天龄的幼苗中对F-Box Nictaba的转录水平进行了量化(图1)。过度表达系OE4和OE6显示F-Box Nictaba的转录水平分别增加93倍和468倍。相反,与野生型植物相比,基因敲除系(KD)显示F-Box-Nictaba水平下调10倍。敲除系KO2中F-Box Nictaba的转录水平与野生型植物没有差异。这可能是因为引物没有覆盖缺失区域,但是RNA转录本会产生一个缺陷蛋白。

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图2.与模拟处理的植物相比,Pst DC3000 感染对接种后3天的17天龄拟南芥植物中的莲座丛大小、光系统II效率(Fv/Fm)和叶绿素含量 (ChlIdx) 的影响

用PstDC3000感染14天大的拟南芥植物,并在接种后3天进行分析,以确定细菌感染对三种不同植物参数的影响:莲座大小、光系统II的效率和叶绿素含量(图 2-4)。过表达F-Box Nictaba的植物的花环明显小于在相同条件下生长的野生型植物的花环(图 2)。 KD和npr1-1 植物呈现相同的趋势。相比之下,敲除系KO2和KO5产生更大的玫瑰花结。当植物被PstDC3000感染时,所研究的所有植物品系的莲座大小都显着减小,这是感染的一种症状。细菌感染后,OE4、OE6和KD植物的花环仍显着小于WT植物的花环。

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图3、4模拟处理和Pst DC3000接种后3天拟南芥花环的多光谱图像

在模拟处理的和PstDC3000感染的植物中分析了花青素含量(图3、4)。野生型和转基因植物之间的比较分析表明,KO5、KD和npr1-1的 mARI水平低于模拟处理的野生型。在相同条件下,过表达株系的mARI值高于KD、KO2、KO5和npr1-1植物。在Pst DC3000感染后,OE4和OE6系均显示出增加的mARI水平,而在野生型和KO2植物中降低。KD植物在模拟植物中显示出显着较低mARI 水平,但与OE系相似感染后花青素水平显着高于野生型植物。但感染并没有增加KD植物中的花青素含量。在同一株系中,模拟处理后KO株系的花青素含量低于野生型植物,但这些KO株系在感染后的 mARI水平没有显着变化。

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