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WIWAM高通量植物表型组学成像—轻度干旱下拟南芥转录组和生长动态
发表时间：2021-10-04 08:53:33点击：864
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。
轻度干旱下拟南芥转录组和生长动态的时间决定
摘要：干旱胁迫是全世界农业的一个主要问题，造成了巨大的产量损失。植物已经发展出高度灵活的机制来应对干旱，包括器官和发育阶段特异性反应。在幼叶中，生长受到抑制，这是一种有效的节水节能机制，增加了存活机会，但降低了产量。尽管它很重要，但这种生长抑制的分子基础在很大程度上尚不清楚。在这里，我们提出了一种新的方法来探索轻度干旱后控制拟南芥叶片生长抑制的早期分子机制。我们发现生长和转录组对干旱的反应是高度动态的。生长只受到白天干旱的抑制，本文证据表明这可能是由于生物钟的门控。同样，一天中的时间强烈影响干旱诱导的基因表达变化的程度、特异性，在某些情况下甚至影响其方向。这些发现强调了考虑昼夜模式对理解应激反应的重要性，因为只有一小部分干旱反应基因在一天中的任何时候都受到干旱的影响。最后，我们利用高分辨率数据证明，表型和转录组反应可以匹配，以确定推测的轻度干旱下新的生长调节因子。
图1.水分充足和干旱胁迫条件下的试验装置和叶片生长动态
幼苗在自动浇水平台（WIWAM）上生长，当活跃生长的第三片真叶长度为1 mm时在分层后12天（DAS；图1A）第一次截留水分。在此阶段叶片由增殖细胞和扩张细胞组成。土壤连续干燥五天，在连续干旱期间，每天早上和晚上从20种不同植物上采集第三片叶子，精确测量叶面积。在最后一次浇水（DSLW）五天后的最后一次收获时间点，轻度干旱盆栽的土壤湿度从2.2 g（土壤相对含水量（RWC）69%）下降到1.2 g（土壤RWC 55%），导致最终叶面积平均减少20%（图1B）。已知白天和夜间的叶片生长率不同分别计算了相对生长率（RGR），以量化白天和夜间的生长（分别为dRGR和nRGR）。在WW条件下，dRGR高于nRGR，并随时间逐渐降低（图1C）。在干旱胁迫期间，dRGR的下降比WW条件下更为明显，达到nRGR水平的速度要快得多。值得注意的是，nRGR完全不受干旱影响。从第四个DSLW开始，叶片生长明显受到干旱的影响（图1B）。而当使用20片叶片的平均值时，细微的生长抑制效应可能会被掩盖，因此通过在持续干旱期间每天早上和晚上采集非破坏性的叶片印记来跟踪单个第三片叶片随时间的生长。该方法揭示了在三次DSLW后，干旱诱导的生长抑制（图1D）。在细胞水平上，在应激开始后第三天观察到的这种生长抑制是由于细胞分裂和细胞扩张的减少（图1E）。总之，这些结果表明从第三个DSLW开始，暴露于胁迫下的植物幼叶通过抑制细胞分裂和细胞扩张，仅在白天减少其生长。
图2.轻度干旱胁迫后的基因表达分析
干旱反应的程度显然取决于一天中的时间，如每个时间点 DE 基因的数量所示（图2A）。 时间点之间 DE 基因的直接比较表明，大多数是 DE 仅在一个 (78%) 或两个 (17%) 时间点（图 2B）。在整个时间过程中，只有 29 个基因（0.5%）在同一方向是 DE。在这个详细的时间过程分析中，脯氨酸脱氢酶 ERD5/ProDH1 的表达从第一个时间点开始显示出持续的干旱下调，尽管全天基因表达强烈振荡，表明它是一个非常敏感的干旱标记（图2C)。类似地ABA 受体 PYL6 的表达从限水后28小时开始显著下调（图2C）。
图3.干旱条件下核心生物钟突变体的分析
将这些时钟组件中的每一个的功能丧失线暴露在轻度干旱胁迫下。当比较干旱胁迫引起的相对叶面积减少时，cca1 和 lhy 突变体受干旱影响的程度与野生型植物相同，但 cca1 突变体在 WW 条件下较小（图 3）。相比之下，toc1 突变体对干旱更敏感，干旱条件下叶面积平均减少 32.2%，而野生型为 20.8%（图.3B)。为了更深入地了解这种超敏表型，使用叶子印记随着时间的推移跟踪单个 toc1 叶子的生长。除了在白天受到与野生型植物相同程度的干旱影响外，夜间干旱胁迫也会降低 toc1 叶片的生长，此时野生型叶片的生长不受影响。因此，当 TOC1 基因发生突变时，干旱诱导的生长抑制不仅发生在白天，而且发生在夜间，导致试验结束时 toc1 幼苗的干旱过敏表型。
图4.干旱条件下erf2和erf8突变体的叶面积测量
本文测量了来自不同TF家族的六个基因在轻度干旱下的功能丧失系的生长。六个测试品系中的两个对轻度干旱的生长响应发生了显著改变：erf2 和 erf8（图 4）。erf2突变体在WW条件下与野生型无法区分，但对压力明显更敏感（图 4A 和 B）。相反ERF8在对照条件下已经对叶片生长产生负面影响，因为 erf8 突变体比野生型大 27%（图 4A）。在干旱条件下，erf8突变体的叶子比对照大 20%（图4A），但受干旱的影响相对更大（图.4B）。因此，该数据表明，通过将表型的动态与基因表达的动态相结合，可以鉴定出调节感兴趣表型的有希望的候选基因。
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