WIWAM高通量植物表型成像系統—輕度干旱脅迫的葉片響應

WIWAM高通量植物表型成像系統由比利時SMO公司與Ghent大學VIB研究所研制生產，整合了LED植物智能培養、自動 化控制系統、葉綠素熒光成像測量分析、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真彩3D成像等多項*技術，以較優化的方式實現大量植物樣 品——從擬南芥、玉米到各種其它植物的生理生態與形態結構成像分析，用于高通量植物表型成像分析測量、植 物脅迫響應成像分析測量、植物生長分析測量、生態毒理學研究、性狀識別及植物生理生態分析研究等。

室內植物表型成像系統WIWAM Line

擬南芥自然變種對輕度干旱脅迫的葉片響應

盡管人們對植物在嚴重干旱脅迫下的反應進行了廣泛的研究，但對植物在輕度干旱脅迫條件下如何適應生長卻知之甚少。本文分析了來自不同地理區域的六份擬南芥材料在輕度干旱脅迫下葉片和蓮座的生長反應。自動表型分析平臺WIWAM用于在葉片發育早期施加脅迫，此時第三片葉片從莖尖分生組織中出現。生長相關表型分析表明，不同材料的葉片發育存在差異。在所有六份材料中，輕度干旱脅迫都減少了葉片鋪面細胞的面積和數量，而不影響氣孔指數。對早期發育的葉片組織進行全基因組轉錄組分析（使用RNA測序）確定了在輕度干旱脅迫下在六份材料中差異表達的354個基因。我們的結果表明，發育中的葉片對輕度干旱脅迫存在著不同遺傳背景下的強烈響應。整個輕度干旱脅迫反應過程包括脫落酸信號、脯氨酸代謝和細胞壁調節。除了這些已知的嚴重干旱相關反應外，還發現87個基因對發育中的幼葉對輕度干旱脅迫的反應具有特異性。

為了在早期時間點進行脅迫處理，植物在潮濕的土壤中發芽并在4DAS時轉移到 WIWAM 上的輕度干旱條件（圖 1A-D）測量了多個生長參數（補充圖 S1）：通過每天計算預計的玫瑰花結面積（PRA）來跟蹤玫瑰花結的生長；在從細胞增殖到細胞擴增的過渡（10-11 DAS）和成熟（22 DAS）時測量第三葉的面積；第三片葉子的平均細胞數和細胞大小在成熟時與氣孔指數一起確定。除了這些葉片大小測量和細胞分析之外，還使用 RNA 測序進行了全基因組轉錄組分析。為了研究在葉細胞增殖階段施加的輕度干旱脅迫下遺傳變異對生長反應的影響，六個擬南芥種質（An-1、Blh-1、Col-0、Cvi-0、Oy-0、Sha），代表不同地理區域并顯示可以捕獲一組 24 個種質中存在的干旱響應的大部分變化。

圖1.WIWAMxy系統上的幼苗

在控制條件下，隨著時間的推移Oy-0 的PRA是最大的，而Cvi-0是六個種質中最小的（圖2A）。 在成熟期 (21 DAS)，Oy-0達到 633 mm2 的PRA，而Cvi-0 測量為239 mm2（圖2，A和B），兩者都與An-的PRA顯著不同。1、Blh-1、Col-0和Sha，它們之間沒有顯著差異。在對照條件下，成熟的第三葉面積范圍從Blh-1中的82 mm2到Oy-0中的109 mm2（圖2C）。兩個種質Oy-0和Sha (103 mm2)無顯著差異，但二者第三葉顯著大于其他四個種質。輕度干旱脅迫時，六種材料的葉面積均減少，范圍從Cvi-0的31 mm2 到Oy-0的39 mm2。輕度干旱處理后，種質之間沒有檢測到葉面積的顯著差異。成熟時表現出最大減少的種質是Cvi-0 (65%)、Oy-0 (64%) 和 Sha (63%)（圖2C）。在對照條件下生長的葉面積從Cvi-0的0.084 mm2到Oy-0的0.130 mm2（圖2D）。輕度干旱處理后，Oy-0和Sha（分別為0.111 mm2和0.113mm2）顯示出最大的第三葉，而Cvi-0的第三葉為0.069 mm2，是六個種質中最小的（圖2D）。相對于對照條件，輕度干旱脅迫下的尺寸減小范圍從Sha的7% 到Col-0的30%（圖2D）。雖然沒有發現Sha的7%大小減少是顯著的，但在這個早期發育時間點，其他種質的葉面積在輕度干旱脅迫下顯著減少。

圖2.蓮座面積和葉片大小的測量

在輕度干旱脅迫下從14 DAS開始，檢測到PRA顯著減少（圖3）。從該時間點開始，通過兩兩比較分析了對施加輕度干旱脅迫的隨時間變化的反應，表明Oy-0和Cvi-0在其對輕度干旱脅迫的隨時間變化的生長反應方面與Blh-1和Sha顯著不同（圖3）。在成熟期（21 DAS），與對照相比，輕度干旱條件下Oy-0和Cvi-0分別減小72%和67%（圖2B）。盡管Cvi-0的PRA隨時間的反應不同（圖3），但在最后一個時間點，Cvi-0的PRA降低與An-1、Blh-1、Col-0和Sha沒有差異，而Oy-0的PRA降低與除Cvi-0外的所有其他材料顯著不同。

圖3.六個種質在控制和輕度干旱條件下隨時間推移的蓮座預計面積

在輕度干旱脅迫下，6份材料的路面細胞面積和數量均顯著減少。所有材料的路面單元面積減少（圖4A）非常相似，從43%（Col 0）到54%（Sha和Oy-0），與路面單元數量相比，路面單元數量在材料之間差異顯著，從18%（Blh-1和Oy-0）到41%（An-1）（圖4B）。細胞大小和葉片大小的減少導致了更高的細胞密度（圖4C），但在對照和輕度干旱條件下，氣孔指數沒有顯著差異（圖4D）。

圖4.對照和輕度干旱條件下六份材料成熟第三葉細胞參數的測定

通過與上面列出的研究進行比較，鑒定出87個基因在輕度干旱脅迫條件下在年輕發育組織中特異性表達差異化（圖5）。除了5PTASE2、COR47、MPK3、NIG1 和 AT5G53390 之外，這些基因中沒有一個與ABA相關。 87個常見干旱基因中有5個參與細胞壁修飾：EXPA15、三個編碼果膠裂解酶的基因（AT1G60590、AT1G67750、AT3G61490）和一個 PMEI（AT1G23205）。87 個基因中的許多基因以前與已知的輕度干旱生長反應無關。然而一些常見的干旱基因可能在輕度干旱的幼葉組織中調節生長。

圖5.維恩圖顯示了參與嚴重干旱研究的基因、輕度干旱研究下成熟組織中的基因和常見干旱基因之間的重疊

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