WIWAM植物表型成像分析系統(tǒng)：不同細(xì)胞對干旱的敏感性

WIWAM植物表型成像系統(tǒng)由比利時(shí)SMO公司與GHent大學(xué)VIB研究所研制生產(chǎn)，整合了LED植物只能培養(yǎng)、自動化控制系統(tǒng)、葉綠素?zé)晒獬上駵y量分析、植物熱成像分析、植物近紅外成像分析、植物高光譜分析、植物多光譜分析、植物CT斷層掃描分析、自動條碼識別管理、RGB真3D成像等多項(xiàng)*技術(shù)，以優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)大量植物樣品以優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)大量植物樣品——從擬南芥、水稻、玉米到各種其它植物的生理生態(tài)與形態(tài)結(jié)構(gòu)成像分析，用于高通量植物表型成像分析測量、植物脅迫響應(yīng)成像分析測量、植物生長分析測量、生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識別及植物生理生態(tài)分析研究等。

擬南芥種質(zhì)的分布施加了不同類型的進(jìn)化壓力，這有助于這些種質(zhì)對環(huán)境脅迫的各種反應(yīng)。干旱脅迫反應(yīng)已經(jīng)得到很好的研究，特別是在哥倫比亞的一種常見擬南芥種質(zhì)。然而，對干旱脅迫的反應(yīng)是復(fù)雜的，我們對這些反應(yīng)中哪些有助于植物對輕度干旱的耐受性的理解是非常有限。本文研究了自然種質(zhì)在早期葉片發(fā)育過程中在生理和分子水平上對輕度干旱的反應(yīng)機(jī)制。記錄了自然種質(zhì)之間輕度耐旱性的差異，并使用干旱敏感種質(zhì) ICE163 和耐旱種質(zhì) Yeg-1 的轉(zhuǎn)錄組測序來深入了解這種耐受性的潛在機(jī)制。這表明ICE163 優(yōu)先誘導(dǎo)茉莉酸和花青素相關(guān)途徑，這有利于生物脅迫防御，而Yeg-1 更明顯地激活脫落酸信號，即經(jīng)典的非生物脅迫反應(yīng)。還研究了相關(guān)的生理特征，包括脯氨酸、花青素和 ROS 的含量、氣孔關(guān)閉和細(xì)胞葉參數(shù)，并將其與轉(zhuǎn)錄反應(yīng)相關(guān)聯(lián)。結(jié)論是這些過程中的大多數(shù)構(gòu)成了一般干旱響應(yīng)機(jī)制，在耐旱和敏感的種質(zhì)中受到類似的調(diào)控。然而，在輕度干旱下關(guān)閉氣孔和維持細(xì)胞擴(kuò)張的能力似乎是在輕度干旱下促進(jìn)葉片更好生長的主要因素。

圖1.不同擬南芥種質(zhì)在輕度干旱下表現(xiàn)出不同的葉片生長減少

為了探索擬南芥的遺傳多樣性如何影響對輕度干旱脅迫的反應(yīng)，我們在自動稱重、成像和澆水機(jī)（WIWAM）上篩選了來自不同來源的15份自然材料（圖1A）。當(dāng)?shù)谌嫒~（L3）開始出現(xiàn)時(shí)，在層積（DAS）后6天開始對一半植株進(jìn)行輕度干旱（MD）處理。另一半的植物保持在充分澆水（WW）的條件下作為對照。在22 DAS收獲植株，并測量成熟L3的面積。在WW條件下，各材料的平均葉面積（LA）已經(jīng)有所不同（圖1），但除EY15-2外，所有材料在MD條件下的LA相對顯著減少（圖1B）。值得注意的是，LA的減少程度因加入量的不同而有很大差異，從14%到61%不等（圖1B，補(bǔ)充表S2）。在WW條件下，對MD的敏感性并不取決于葉片的大小，因?yàn)閃W條件下的LA與MD的相對減少之間沒有相關(guān)性。我們鑒定了干旱敏感材料，如Oy-0、Ler-0、ICE97和ICE163，以及更具耐旱性的材料，包括C24、Yeg-1、An-1、Sha和EY15-2。

圖2.輕度干旱脅迫下脯氨酸、花青素和活性氧的積累

通過在WW和MD條件下進(jìn)行3,3-二氨基聯(lián)苯胺 (DAB) 染色來檢查 H2O2的豐度。除了EY15-2和ICE163（圖2A），在MD下的大多數(shù)種質(zhì)的子葉中，H2O2水平（可視化為深棕色沉淀物）增加。然而沒有觀察到耐受和敏感種質(zhì)之間一致的顯著差異。為了保持ROS的穩(wěn)態(tài)，植物進(jìn)化出復(fù)雜的酶促和非酶促抗氧化系統(tǒng)，已知脯氨酸積累在非生物脅迫中發(fā)揮積極作用。除了脯氨酸外，在本文的GO分析中，花青素相關(guān)基因的比例過高。因?yàn)楦彼岷突ㄇ嗨囟寄軌蚯宄?ROS，我們在保水后五天測量了它們在幼苗中的豐度。除了Sha外，大多數(shù)種質(zhì)在MD處理后積累的脯氨酸水平相似（圖2B）。另一方面，花青素測量顯示，積累較少H2O2 的生態(tài)型，ICE163和EY15-2，在MD期間花青素含量顯著增加（圖2C）。這些結(jié)果表明，在我們的MD條件下，花青素可有效抵消 ROS，而脯氨酸在敏感和耐受性種質(zhì)中充當(dāng)一般干旱響應(yīng)因子。

在保水后五天測量了干旱對耐受性和敏感種質(zhì)氣孔關(guān)閉的影響。在WW條件下，Oy-0和ICE163（干旱敏感種質(zhì)）已經(jīng)顯示出比ICE97和三個(gè)耐受種質(zhì)更高的開放氣孔比率（圖 3，A和B）。在MD下，所有種質(zhì)的氣孔開放顯著減少（圖3，A和B），但我們發(fā)現(xiàn)耐受性種質(zhì)的開放氣孔少于敏感種質(zhì)（圖3B）。在MD條件下，具有較低氣孔密度（SD，每平方毫米氣孔數(shù)）的植物表現(xiàn)出較低的蒸騰作用和較高的水分利用效率。因此，在22 DAS 時(shí)分析了所有敏感和耐受種質(zhì)的SD。值得注意的是，敏感種質(zhì) ICE163和ICE97在MD處理期間顯示出SD顯著增加（圖3D），而在耐受種質(zhì)中SD未改變。并計(jì)算了22DAS時(shí)的氣孔指數(shù)（SI，每表皮細(xì)胞總數(shù)的氣孔數(shù)）。在所有種質(zhì)中，Sha在WW和MD條件下的SI最高（分別為32%和29%），而Oy-0的SI（分別為23%和 22%）（圖3C）。然而，我們在所有六個(gè)種質(zhì)中都沒有觀察到MD處理對SI的任何顯著影響（圖3C），這表明氣孔的發(fā)育在干旱期間沒有改變。

圖3.輕度干旱處理后的氣孔開度、指數(shù)和密度

本文發(fā)現(xiàn)大多數(shù)種質(zhì)在干旱期間平均路面細(xì)胞數(shù)量顯著減少，除了EY15-2（圖4A），其中L3的最終區(qū)域不受干旱的顯著影響（圖 1B）。在所有生態(tài)型中，細(xì)胞數(shù)量減少到相似的程度（圖4A）。另一方面，敏感種質(zhì)中的 MD 處理顯著減少了平均路面細(xì)胞面積，而在耐受種質(zhì)中沒有觀察到減少（圖 4B）。 更具體地說，敏感種質(zhì)在 MD 處理期間顯示出較小細(xì)胞比例增加或大路面細(xì)胞比例降低，但在耐受種質(zhì)中未觀察到顯著差異（圖4C）。 這些數(shù)據(jù)表明，細(xì)胞擴(kuò)增的減少是這些生態(tài)型中對MD的耐受性和敏感性之間的主要區(qū)別因素。

圖4.輕度干旱對敏感和耐受種質(zhì)的路面細(xì)胞數(shù)量和面積的影響不同