WIWAM植物表型成像分析系統(tǒng)：不同細胞對干旱的敏感性

WIWAM植物表型成像系統(tǒng)由比利時SMO公司與GHent大學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3D成像等多項*技術，以優(yōu)化的方式實現(xiàn)大量植物樣品以優(yōu)化的方式實現(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(tài)毒理學研究、性狀識別及植物生理生態(tài)分析研究等。

擬南芥種質的分布施加了不同類型的進化壓力，這有助于這些種質對環(huán)境脅迫的各種反應。干旱脅迫反應已經(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。然而，對干旱脅迫的反應是復雜的，我們對這些反應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機制。記錄了自然種質之間輕度耐旱性的差異，并使用干旱敏感種質 ICE163 和耐旱種質 Yeg-1 的轉錄組測序來深入了解這種耐受性的潛在機制。這表明ICE163 優(yōu)先誘導茉莉酸和花青素相關途徑，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。還研究了相關的生理特征，包括脯氨酸、花青素和 ROS 的含量、氣孔關閉和細胞葉參數(shù)，并將其與轉錄反應相關聯(lián)。結論是這些過程中的大多數(shù)構成了一般干旱響應機制，在耐旱和敏感的種質中受到類似的調(diào)控。然而，在輕度干旱下關閉氣孔和維持細胞擴張的能力似乎是在輕度干旱下促進葉片更好生長的主要因素。

圖1.不同擬南芥種質在輕度干旱下表現(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，我們在自動稱重、成像和澆水機（WIWAM）上篩選了來自不同來源的15份自然材料（圖1A）。當?shù)谌嫒~（L3）開始出現(xiàn)時，在層積（DAS）后6天開始對一半植株進行輕度干旱（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，因為WW條件下的LA與MD的相對減少之間沒有相關性。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之間一致的顯著差異。為了保持ROS的穩(wěn)態(tài)，植物進化出復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，花青素相關基因的比例過高。因為脯氨酸和花青素都能夠清除 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中充當一般干旱響應因子。

在保水后五天測量了干旱對耐受性和敏感種質氣孔關閉的影響。在WW條件下，Oy-0和ICE163（干旱敏感種質）已經(jīng)顯示出比ICE97和三個耐受種質更高的開放氣孔比率（圖 3，A和B）。在MD下，所有種質的氣孔開放顯著減少（圖3，A和B），但我們發(fā)現(xiàn)耐受性種質的開放氣孔少于敏感種質（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 時分析了所有敏感和耐受種質的SD。值得注意的是，敏感種質 ICE163和ICE97在MD處理期間顯示出SD顯著增加（圖3D），而在耐受種質中SD未改變。并計算了22DAS時的氣孔指數(shù)（SI，每表皮細胞總數(shù)的氣孔數(shù)）。在所有種質中，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，我們在所有六個種質中都沒有觀察到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)種質在干旱期間平均路面細胞數(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，細胞數(shù)量減少到相似的程度（圖4A）。另一方面，敏感種質中的 MD 處理顯著減少了平均路面細胞面積，而在耐受種質中沒有觀察到減少（圖 4B）。 更具體地說，敏感種質在 MD 處理期間顯示出較小細胞比例增加或大路面細胞比例降低，但在耐受種質中未觀察到顯著差異（圖4C）。 這些數(shù)據(jù)表明，細胞擴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的路面細胞數(shù)量和面積的影響不同