WIWAM高通量植物表型平臺—輕度干旱下擬南芥轉錄組和生長動態

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

輕度干旱下擬南芥轉錄組和生長動態的時間決定

摘要：干旱脅迫是農業的一個主要問題，造成了巨大的產量損失。植物已經發展出高度靈活的機制來應對干旱，包括器官和發育階段特異性反應。在幼葉中，生長受到抑制，這是一種有效的節水節能機制，增加了存活機會，但降低了產量。盡管它很重要，但這種生長抑制的分子基礎在很大程度上尚不清楚。在這里，我們提出了一種新的方法來探索輕度干旱后控制擬南芥葉片生長抑制的早期分子機制。我們發現生長和轉錄組對干旱的反應是高度動態的。生長只受到白天干旱的抑制，本文證據表明這可能是由于生物鐘的門控。同樣，一天中的時間強烈影響干旱誘導的基因表達變化的程度、特異性，在某些情況下甚至影響其方向。這些發現強調了考慮晝夜模式對理解應激反應的重要性，因為只有一小部分干旱反應基因在一天中的任何時候都受到干旱的影響。最后，我們利用高分辨率數據證明，表型和轉錄組反應可以匹配，以確定推測的輕度干旱下新的生長調節因子。

圖1.水分充足和干旱脅迫條件下的試驗裝置和葉片生長動態

幼苗在自動澆水平臺（WIWAM）上生長，當活躍生長的第三片真葉長度為1 mm時在分層后12天（DAS；圖1A）第一次截留水分。在此階段葉片由增殖細胞和擴張細胞組成。土壤連續干燥五天，在連續干旱期間，每天早上和晚上從20種不同植物上采集第三片葉子，精確測量葉面積。在最后一次澆水（DSLW）五天后的最后一次收獲時間點，輕度干旱盆栽的土壤濕度從2.2 g（土壤相對含水量（RWC）69%）下降到1.2 g（土壤RWC 55%），導致最終葉面積平均減少20%（圖1B）。已知白天和夜間的葉片生長率不同分別計算了相對生長率（RGR），以量化白天和夜間的生長（分別為dRGR和nRGR）。在WW條件下，dRGR高于nRGR，并隨時間逐漸降低（圖1C）。在干旱脅迫期間，dRGR的下降比WW條件下更為明顯，達到nRGR水平的速度要快得多。值得注意的是，nRGR*不受干旱影響。從第四個DSLW開始，葉片生長明顯受到干旱的影響（圖1B）。而當使用20片葉片的平均值時，細微的生長抑制效應可能會被掩蓋，因此通過在持續干旱期間每天早上和晚上采集非破壞性的葉片印記來跟蹤單個第三片葉片隨時間的生長。該方法揭示了在三次DSLW后，干旱誘導的生長抑制（圖1D）。在細胞水平上，在應激開始后第三天觀察到的這種生長抑制是由于細胞分裂和細胞擴張的減少（圖1E）。總之，這些結果表明從第三個DSLW開始，暴露于脅迫下的植物幼葉通過抑制細胞分裂和細胞擴張，僅在白天減少其生長。

圖2.輕度干旱脅迫后的基因表達分析

干旱反應的程度顯然取決于一天中的時間，如每個時間點 DE 基因的數量所示（圖2A）。 時間點之間 DE 基因的直接比較表明，大多數是 DE 僅在一個 (78%) 或兩個 (17%) 時間點（圖 2B）。在整個時間過程中，只有 29 個基因（0.5%）在同一方向是 DE。在這個詳細的時間過程分析中，脯氨酸脫氫酶 ERD5/ProDH1 的表達從第一個時間點開始顯示出持續的干旱下調，盡管全天基因表達強烈振蕩，表明它是一個非常敏感的干旱標記（圖2C)。類似地ABA 受體 PYL6 的表達從限水后28小時開始顯著下調（圖2C）。

圖3.干旱條件下核心生物鐘突變體的分析

將這些時鐘組件中的每一個的功能喪失線暴露在輕度干旱脅迫下。當比較干旱脅迫引起的相對葉面積減少時，cca1 和 lhy 突變體受干旱影響的程度與野生型植物相同，但 cca1 突變體在 WW 條件下較小（圖 3）。相比之下，toc1 突變體對干旱更敏感，干旱條件下葉面積平均減少 32.2%，而野生型為 20.8%（圖.3B)。為了更深入地了解這種超敏表型，使用葉子印記隨著時間的推移跟蹤單個 toc1 葉子的生長。除了在白天受到與野生型植物相同程度的干旱影響外，夜間干旱脅迫也會降低 toc1 葉片的生長，此時野生型葉片的生長不受影響。因此，當 TOC1 基因發生突變時，干旱誘導的生長抑制不僅發生在白天，而且發生在夜間，導致試驗結束時 toc1 幼苗的干旱過敏表型。

圖4.干旱條件下erf2和erf8突變體的葉面積測量

本文測量了來自不同TF家族的六個基因在輕度干旱下的功能喪失系的生長。六個測試品系中的兩個對輕度干旱的生長響應發生了顯著改變：erf2 和 erf8（圖 4）。erf2突變體在WW條件下與野生型無法區分，但對壓力明顯更敏感（圖 4A 和 B）。相反ERF8在對照條件下已經對葉片生長產生負面影響，因為 erf8 突變體比野生型大 27%（圖 4A）。在干旱條件下，erf8突變體的葉子比對照大 20%（圖4A），但受干旱的影響相對更大（圖.4B）。因此，該數據表明，通過將表型的動態與基因表達的動態相結合，可以鑒定出調節感興趣表型的有希望的候選基因。

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