利用Plantarray植物生理表型平臺作物研究

主題Ⅰ：作物研究

A combination of stomata deregulation and a distinctive modulation of amino acid metabolism are associated with enhanced tolerance of wheat varieties to transient drought

短時干旱內(nèi)小麥品種耐旱性增強與氣孔失調(diào)和氨基酸代謝*條件的關系

摘要

引言：地中海冬季作物普遍且越來越多地受到不規(guī)則降雨和高溫的影響，出現(xiàn)不同程度的短時干旱情況對生長和產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響。因此，探索作物中存在的不同程度的耐旱性及其背后的分子策略對于發(fā)展特別育種計劃至關重要。

目的：我們研究了六種商業(yè)小麥品種在分蘗期和灌漿期對瞬時水分脅迫的生理和代謝反應。方法：采用蒸滲儀的干旱試驗分兩個發(fā)育階段進行，共包括六個小麥品種。在干旱期間和恢復后對新擴展的幼葉和旗葉取樣。使用基于GC-MS的協(xié)議生成代謝物圖譜。通過使用電子溫度補償稱重傳感器測量盆栽的重量變化，持續(xù)獲取蒸騰數(shù)據(jù)。

結(jié)果：小麥分蘗期對干旱的敏感性高于灌漿期。前一階段的特點是在干旱恢復期間也發(fā)生了明顯的代謝改變，植物表現(xiàn)出蒸騰作用減少。值得注意的是，品種對干旱的敏感性差異很大。僅在cv Zahir中，分蘗時蒸騰作用沒有減少。在恢復期間，Yuval 和Zahir 的蒸騰速率沒有受到顯著影響，而除 Ruta 外，其他品種保持較低的值。在灌漿時，與 Gedera、Galil 和 Ruta 的更強響應相比，Bar-Nir、Yuval 和 Zahir 品種對干旱的響應適度減少。恢復期間的蒸騰趨勢仍然低于對照植物，特別是在 Gedera 和 Zahir 中，但達到了更高的值。不同品種葉片的代謝物譜顯示了品種特異性響應趨勢。特別是在分蘗期間，氨基酸代謝在不同品種間存在差異調(diào)節(jié)。例如，Ruta和Zahir在脅迫反應期間表現(xiàn)出中心碳氮代謝的重大變化，在分蘗期間積累了大量脯氨酸和蘇氨酸，而在Bar-Nir中，相對氨基酸含量普遍下降。Galil、Ruta、Yuval和Zahir常見應激相關GABA的變化。脫水相關的棉子糖族低聚糖主要與灌漿后期和反應恢復階段有關。

結(jié)論：結(jié)果表明，小麥品種在短暫干旱期間發(fā)生了階段依賴性代謝多樣化以及生理反應。可以得出結(jié)論，最耐受的品種是 Zahir，其中氣孔關閉失調(diào)和脅迫相關代謝物的顯著積累率的組合是顯而易見的。

圖1.每個栽培品種在20天內(nèi)的盆中土壤體積含水量 (%)

圖2.水分脅迫和恢復在預處理（1×）、處理（2×）和恢復（3×）對分蘗期（a-f）和灌漿期（g-l）6個小麥品種整株蒸騰速率（mmol m-2 s-1）的影響

在兩個發(fā)育階段的脅迫和恢復期間，與各自的對照相比，處理過的植物的相對日蒸騰量有所降低（圖2）。分蘗時蒸騰作用的減少程度因品種而異，與各自的對照相比在19%到45%之間。Bar-Nir、Gedera、Galil、Ruta和Yuval均受到顯著影響（圖2a-f）。在恢復過程中，Yuval和Zahir的蒸騰速率分別下降了33%和23%，但與對照無顯著差異。相比之下，Bar-Nir、Gedera、Galil 和 Ruta 的蒸騰速率在脅迫緩解后仍然低于對照（圖 2a-f）。在籽粒灌漿期，短暫干旱脅迫的影響顯著，且大于Galil和Ruta的早期階段（圖2g-l）。與對照相比，恢復期蒸騰作用的趨勢仍然低于脅迫處理植株，尤其是在Gedera（7%）和Zahir（9%）。然而，Yuval和Ruta是處理過的植株中植株蒸騰量分別顯著增加27%和40%的品種（圖2g-l）。

圖3.基于分蘗(a,b)和籽粒灌漿 (c,d) 受脅迫 (a,c) 和恢復(b,d) 的植物葉片樣品的注釋代謝物的PCA分析

采用主成分分析（PCA）檢測代謝物譜（圖3）估算在每個發(fā)育階段的脅迫和恢復期間短暫干旱對六個小麥品種葉片中央C-N代謝物組成的影響。

分蘗時，測定了干旱處理對不同品種葉片代謝產(chǎn)物組成的影響。當繪制第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）時，只有三個品種（Bar-Nir、Ruta和Zahir）表現(xiàn)出廣泛的變化（圖3a、b）。蘇氨酸、葡萄糖-6-磷酸、琥珀酸、乙醇酸、戊二酸和磷酸鹽是主要有助于PC1分離的代謝物，這解釋了61%差異來源的原因。葡萄糖、蔗糖、山梨醇、麥芽糖、GABA和檸檬酸鹽主要有助于PC2上樣品的分離，這解釋了12%的差異。在恢復期間，當所有基因型在PC1和PC2上顯示的代謝物譜發(fā)生變化時，測量對脅迫的后期反應。然而第一和第二部分（分別為28%和14%）解釋的方差表明，變化的程度是中等的；（圖3b）。主要有助于分離兩種成分數(shù)據(jù)樣品的代謝物包括葡萄糖-6-磷酸、纈氨酸、脫水相關低聚糖棉子糖和半乳糖醇、甘露醇、麥芽糖、阿拉伯糖醇和山梨醇-6-磷酸。

在灌漿期，與早期階段相比脅迫組和對照樣品在PC地塊上整齊分開（圖3c），早期主要由少數(shù)優(yōu)秀品種控制。灌漿期，品種在PC地塊上的分布更為均勻，但相對代謝物含量的總體變化比分蘗期的變化更為緩和。脯氨酸、賴氨酸、棉子糖、天冬酰胺和苯丙氨酸有助于PC1上樣品分離的代謝物（解釋29%的差異），半乳糖、棉子糖、脯氨酸、谷氨酸和苯丙氨酸有助于PC2上的分離（解釋22%的差異）。在恢復期間，除Galil外，所有品種的樣品與其各自的對照聚集在一起（圖3d）。導致PC1分離的代謝物解釋了29%的差異，包括天冬酰胺、絲氨酸、蛋氨酸、棉子糖和磷酸鹽，而天冬酰胺、蛋氨酸、烏頭酸、苯甲酸和磷酸鹽導致PC2分離，解釋了13%的差異。值得注意的是，在這兩個發(fā)育階段決定樣本在PC地塊上分布的代謝物列表頂部富含氨基酸，強調(diào)了它們在干旱響應中的關鍵作用。