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WIWAM高通量植物表型平台:干旱胁迫下拟南芥的生长研究

发布时间:2022-05-26 点击量:125

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

在有限的水分条件下,拟南芥的存活和生长是不平等的

摘要:尽管耐旱性是植物研究的核心问题,但作物改良的可译性相对较低。 在这里,我们报告了导致这种失败的主要因素。 耐旱性主要基于在致死条件下提高的存活率进行评分,正如我们的研究所证明的那样,在田间经常遇到的中度干旱下,不能预测优越的生长性能,因此不能预测生物量产量的增加。

耐旱性是农业生物技术公司性状研究的一个主要课题,已经发表了数千篇关于这一主题的学术论文。因此,有大量关于提高耐旱性的报道,主要是在模式植物拟南芥中。经典的基因工程方法涉及在植物用来避免和/或耐受干旱的机制中起作用的目标基因,如气孔导度或渗透压的产生。这些基因通常通过表达谱鉴定,包括信号成分和下游效应基因。然而,尽管在模式植物上的胁迫研究取得了明显的成功,但这些发现很少应用于改善作物。只有少数基因可以增强模式植物或作物的抗逆能力,从而提高产量,而它们的分子机制目前还只是部分了解。其中一个关键原因与模式和作物物种之间的遗传和生理差异有关。

在拟南芥的研究中,耐旱性主要是在相当严重的条件下进行评估的,在这种条件下,植物在长时间的土壤干燥后存活下来。然而,在温带气候中有限的水分供应很少导致植物死亡,但限制了生物量和种子产量。为了研究干旱条件下存活与生物量增加之间的关系,我们在轻度胁迫试验中分析了转基因拟南芥植株的生长情况,这些植株对致死胁迫的耐受性增强。对拟南芥基因进行了广泛的文献筛选,以确定在功能获得或丧失的情况下,拟南芥基因在对照条件下不受生长惩罚的情况下,赋予拟南芥抗逆性。虽然干旱和渗透胁迫被优先考虑,但其他相关的胁迫,包括盐、热和氧化胁迫,也被考虑在内。最终选择由25个基因组成,我们将其命名为“胁迫耐受基因"(STG),涉及胁迫耐受的各个方面,并且在野生型Columbia-0(Col-0)背景中。

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图1.在控制条件下,胁迫引起的生长减少与花环大小无关

我们在25个STG品系中的15个品系中添加了两个以前未分析过的额外品系(MYB90和tAPX),这些品系已被证明在严重干旱时能更好地存活(图1a)。为了量化STG系的生长开发了一种模拟相对温和的干旱胁迫条件的分析方法,在这种条件下,随着时间的推移,在土壤中生长的植物的花环大小会被跟踪。为了确保测试的再现性,我们还在一个自动化平台中使用了大量的植物,称为“称重成像和浇水机"(WIWAM;图1b)。WIWAM实现了216株植物的日常成像和控制浇水。植物在对照条件下发芽和生长,直到第1.04阶段,之后继续对对照植物浇水,但对受胁迫植物停止浇水,直到达到设定的胁迫水平,并随后保持恒定。在野生型植物中,渐进式土壤干燥导致生长速率逐渐降低,最终导致花环面积减少30–40%(图1c)。

值得一提的是使用条件性或组织特异性启动子8,9可能绕过观察到的生长减少。一般来说,植物的大小和存活率,至少在实验室条件下,被认为是负相关的,因为小型植物蒸腾和用水较少。相反,在我们的研究中轻度干旱导致的生长减少与对照条件下测得的STG大小无关(图1d,e)

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