WIWAM高通量植物表型成像系統(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植物智能培養(yǎng)、自動(dòng) 化控制系統(tǒng)、葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)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(dòng)條碼識(shí)別管理、RGB真彩3D成像等多項(xiàng)*技術(shù)，以較優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)大量植物樣 品——從擬南芥、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(cè)量、植 物脅迫響應(yīng)成像分析測(cè)量、植物生長(zhǎng)分析測(cè)量、生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識(shí)別及植物生理生態(tài)分析研究等。

室內(nèi)植物表型成像系統(tǒng)WIWAM Line

輕度干旱下擬南芥轉(zhuǎn)錄組和生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的時(shí)間決定

摘要：干旱脅迫是農(nóng)業(yè)的一個(gè)主要問(wèn)題，造成了巨大的產(chǎn)量損失。植物已經(jīng)發(fā)展出高度靈活的機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)干旱，包括器官和發(fā)育階段特異性反應(yīng)。在幼葉中，生長(zhǎng)受到抑制，這是一種有效的節(jié)水節(jié)能機(jī)制，增加了存活機(jī)會(huì)，但降低了產(chǎn)量。盡管它很重要，但這種生長(zhǎng)抑制的分子基礎(chǔ)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(lái)探索輕度干旱后控制擬南芥葉片生長(zhǎng)抑制的早期分子機(jī)制。我們發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)錄組對(duì)干旱的反應(yīng)是高度動(dòng)態(tài)的。生長(zhǎng)只受到白天干旱的抑制，本文證據(jù)表明這可能是由于生物鐘的門控。同樣，一天中的時(shí)間強(qiáng)烈影響干旱誘導(dǎo)的基因表達(dá)變化的程度、特異性，在某些情況下甚至影響其方向。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了考慮晝夜模式對(duì)理解應(yīng)激反應(yīng)的重要性，因?yàn)橹挥幸恍〔糠指珊捣磻?yīng)基因在一天中的任何時(shí)候都受到干旱的影響。最后，我們利用高分辨率數(shù)據(jù)證明，表型和轉(zhuǎn)錄組反應(yīng)可以匹配，以確定推測(cè)的輕度干旱下新的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子。

圖1.水分充足和干旱脅迫條件下的試驗(yàn)裝置和葉片生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)

幼苗在自動(dòng)澆水平臺(tái)（WIWAM）上生長(zhǎng)，當(dāng)活躍生長(zhǎng)的第三片真葉長(zhǎng)度為1 mm時(shí)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(xì)胞和擴(kuò)張細(xì)胞組成。土壤連續(xù)干燥五天，在連續(xù)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(cè)量葉面積。在最后一次澆水（DSLW）五天后的最后一次收獲時(shí)間點(diǎn)，輕度干旱盆栽的土壤濕度從2.2 g（土壤相對(duì)含水量（RWC）69%）下降到1.2 g（土壤RWC 55%），導(dǎo)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(zhǎng)率不同分別計(jì)算了相對(duì)生長(zhǎng)率（RGR），以量化白天和夜間的生長(zhǎng)（分別為dRGR和nRGR）。在WW條件下，dRGR高于nRGR，并隨時(shí)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(dá)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(gè)DSLW開始，葉片生長(zhǎng)明顯受到干旱的影響（圖1B）。而當(dāng)使用20片葉片的平均值時(shí)，細(xì)微的生長(zhǎng)抑制效應(yīng)可能會(huì)被掩蓋，因此通過(guò)在持續(xù)干旱期間每天早上和晚上采集非破壞性的葉片印記來(lái)跟蹤單個(gè)第三片葉片隨時(shí)間的生長(zhǎng)。該方法揭示了在三次DSLW后，干旱誘導(dǎo)的生長(zhǎng)抑制（圖1D）。在細(xì)胞水平上，在應(yīng)激開始后第三天觀察到的這種生長(zhǎng)抑制是由于細(xì)胞分裂和細(xì)胞擴(kuò)張的減少（圖1E）。總之，這些結(jié)果表明從第三個(gè)DSLW開始，暴露于脅迫下的植物幼葉通過(guò)抑制細(xì)胞分裂和細(xì)胞擴(kuò)張，僅在白天減少其生長(zhǎng)。

圖2.輕度干旱脅迫后的基因表達(dá)分析

干旱反應(yīng)的程度顯然取決于一天中的時(shí)間，如每個(gè)時(shí)間點(diǎn) DE 基因的數(shù)量所示（圖2A）。 時(shí)間點(diǎn)之間 DE 基因的直接比較表明，大多數(shù)是 DE 僅在一個(gè) (78%) 或兩個(gè) (17%) 時(shí)間點(diǎn)（圖 2B）。在整個(gè)時(shí)間過(guò)程中，只有 29 個(gè)基因（0.5%）在同一方向是 DE。在這個(gè)詳細(xì)的時(shí)間過(guò)程分析中，脯氨酸脫氫酶 ERD5/ProDH1 的表達(dá)從第一個(gè)時(shí)間點(diǎn)開始顯示出持續(xù)的干旱下調(diào)，盡管全天基因表達(dá)強(qiáng)烈振蕩，表明它是一個(gè)非常敏感的干旱標(biāo)記（圖2C)。類似地ABA 受體 PYL6 的表達(dá)從限水后28小時(shí)開始顯著下調(diào)（圖2C）。

圖3.干旱條件下核心生物鐘突變體的分析

將這些時(shí)鐘組件中的每一個(gè)的功能喪失線暴露在輕度干旱脅迫下。當(dāng)比較干旱脅迫引起的相對(duì)葉面積減少時(shí)，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(duì)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(shí)間的推移跟蹤單個(gè) toc1 葉子的生長(zhǎng)。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(huì)降低 toc1 葉片的生長(zhǎng)，此時(shí)野生型葉片的生長(zhǎng)不受影響。因此，當(dāng) TOC1 基因發(fā)生突變時(shí)，干旱誘導(dǎo)的生長(zhǎng)抑制不僅發(fā)生在白天，而且發(fā)生在夜間，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)束時(shí) toc1 幼苗的干旱過(guò)敏表型。

圖4.干旱條件下erf2和erf8突變體的葉面積測(cè)量

本文測(cè)量了來(lái)自不同TF家族的六個(gè)基因在輕度干旱下的功能喪失系的生長(zhǎng)。六個(gè)測(cè)試品系中的兩個(gè)對(duì)輕度干旱的生長(zhǎng)響應(yīng)發(fā)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(wú)法區(qū)分，但對(duì)壓力明顯更敏感（圖 4A 和 B）。相反ERF8在對(duì)照條件下已經(jīng)對(duì)葉片生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)?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(duì)照大 20%（圖4A），但受干旱的影響相對(duì)更大（圖.4B）。因此，該數(shù)據(jù)表明，通過(guò)將表型的動(dòng)態(tài)與基因表達(dá)的動(dòng)態(tài)相結(jié)合，可以鑒定出調(diào)節(jié)感興趣表型的有希望的候選基因。

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