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 化控制系統(tǒng)、葉綠素?zé)晒獬上駵y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(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量、植 物脅迫響應(yīng)成像分析測量、植物生長分析測量、生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識別及植物生理生態(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)錄組和生長動態(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)制來應(yīng)對干旱，包括器官和發(fā)育階段特異性反應(yīng)。在幼葉中，生長受到抑制，這是一種有效的節(jié)水節(jié)能機(jī)制，增加了存活機(jī)會，但降低了產(chǎn)量。盡管它很重要，但這種生長抑制的分子基礎(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探索輕度干旱后控制擬南芥葉片生長抑制的早期分子機(jī)制。我們發(fā)現(xiàn)生長和轉(zhuǎn)錄組對干旱的反應(yīng)是高度動態(tài)的。生長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，以確定推測的輕度干旱下新的生長調(diào)節(jié)因子。

圖1.水分充足和干旱脅迫條件下的試驗(yàn)裝置和葉片生長動態(tài)

幼苗在自動澆水平臺（WIWAM）上生長，當(dāng)活躍生長的第三片真葉長度為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率不同分別計(jì)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(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)微的生長抑制效應(yīng)可能會被掩蓋，因此通過在持續(xù)干旱期間每天早上和晚上采集非破壞性的葉片印記來跟蹤單個(gè)第三片葉片隨時(shí)間的生長。該方法揭示了在三次DSLW后，干旱誘導(dǎo)的生長抑制（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抑制細(xì)胞分裂和細(xì)胞擴(kuò)張，僅在白天減少其生長。

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?。▓D 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(shí)間的推移跟蹤單個(gè) 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(shí)野生型葉片的生長不受影響。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(gè)基因在輕度干旱下的功能喪失系的生長。六個(gè)測試品系中的兩個(gè)對輕度干旱的生長響應(yīng)發(fā)生了顯著改變：erf2 和 erf8（圖 4）。erf2突變體在WW條件下與野生型無法區(qū)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(jīng)對葉片生長產(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突變體的葉子比對照大 20%（圖4A），但受干旱的影響相對更大（圖.4B）。因此，該數(shù)據(jù)表明，通過將表型的動態(tài)與基因表達(dá)的動態(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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