高通量植物生理表型分析系統(tǒng)在研究植物對環(huán)境脅迫動態(tài)響應(yīng)上的優(yōu)勢

前言
目前隨著世界人口的不斷增長以及氣候變化對作物產(chǎn)量的影響，全球糧食的需求日益增加，盡管每年世界各地都有不斷打破現(xiàn)有產(chǎn)量和質(zhì)量記錄的新品種出現(xiàn)，但生產(chǎn)力的進(jìn)步還是顯得較為緩慢，無法滿足未來全球糧食增長的需求�；�于親本雜交和后代表型選擇的傳統(tǒng)植物育種已有數(shù)千年的歷史，雖然這些雜交種子對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力產(chǎn)生了巨大的影響力，但相對緩慢的育種過程（一年生作物的平均育種計劃需要10-12年）在當(dāng)今糧食需求快速增長的背景下體現(xiàn)了其不足，尤其面對日益嚴(yán)峻的氣候環(huán)境變化，保持目前的產(chǎn)量提高速度本身就是很大的挑戰(zhàn)。許多新品種是在非生物脅迫條件下培育出來的，但這些品種在非生物脅迫條件下有明顯的產(chǎn)量損失，非生物脅迫條件下的育種是一項極具挑戰(zhàn)性的工作。目前脅迫育種面臨諸多的困難，包括植物在非生物脅迫下耐受性的復(fù)雜程度，環(huán)境條件的不穩(wěn)定，缺乏明確定義的脅迫場景以及耐受性標(biāo)記、預(yù)期性狀不明確等。以上因素導(dǎo)致在非脅迫條件下培育新品種的數(shù)量少并且存在較長的育種周期。

植物表型分析是對植物復(fù)雜性狀的綜合評估，傳統(tǒng)的育種者根據(jù)個人經(jīng)驗對品系進(jìn)行主觀的視覺表型分析。盡管獲得了一些成果，但在植物生理性狀和難以用肉眼觀察的性狀方面就顯得力所不及了，尤其在抗逆性育種巨大的工作量面前，低通量，人工的方法無法達(dá)到評估的要求。目前脅迫育種研究面臨的主要瓶頸之一是缺少一種簡單快速，可以選擇所需生理性狀，并且可以對生長環(huán)境中的全部植物同時進(jìn)行測定的功能篩選方法。脅迫條件下的作物育種應(yīng)關(guān)注生產(chǎn)力而非生存力，而與植物水分相關(guān)的生理性狀是直接影響植物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。鑒于植物水分平衡調(diào)節(jié)機(jī)制對植物的脅迫反應(yīng)、生產(chǎn)力和恢復(fù)力有著巨大的影響，這些生理性狀應(yīng)被整合到非生物脅迫育種計劃中。目前主要用于評估植物水分狀況的方法有葉片氣體交換、冠層溫度測定、光譜反射率測定等，但由于植物對周圍環(huán)境非常敏感，難以利用這些技術(shù)收集植物與環(huán)境的動態(tài)相互作用以及植物對水分脅迫動態(tài)響應(yīng)的有關(guān)信息。

生理表型系統(tǒng)是以植物生理學(xué)為基礎(chǔ)，采用高通量、非侵入式、非破壞性的表型技術(shù)，可以對植物及其生長環(huán)境進(jìn)行連續(xù)測定的一種新型功能系統(tǒng)。系統(tǒng)使用擬合模型描述植物對脅迫條件的反應(yīng)，并與對照植物進(jìn)行比較，可用于特定條件下最佳性能表現(xiàn)植株的篩選以及了解控制其反應(yīng)的生物學(xué)機(jī)制。平臺的高準(zhǔn)確度可以檢測出植株與環(huán)境變化相關(guān)的特定生理性狀的微小變化，并在統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上選擇所需植株。其最具應(yīng)用前景的一個方面是具備對特定環(huán)境和不同脅迫條件下同時對數(shù)百種基因型植株進(jìn)行全株分析測定的能力。生理表型系統(tǒng)也可以為植物生理學(xué)、植物營養(yǎng)研究以及農(nóng)藝管理等領(lǐng)域提供獨特、富有價值的科學(xué)依據(jù)。

Plantarray高通量植物生物學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)是以植物生物學(xué)為基礎(chǔ)的一套高精度表型系統(tǒng)，可以完成整個植物生長周期中不同環(huán)境下的SPAC因子的測量。系統(tǒng)可以連續(xù)不間斷的獲取陣列內(nèi)所有植物的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控和及時調(diào)整每個培養(yǎng)容器中的土壤條件，包含土壤水分、鹽分，是非破壞性進(jìn)行植物生物學(xué)研究的理想實驗平臺。本論文摘要集主要介紹應(yīng)用Plantarray高通量植物生物學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)對蔬菜、作物、喬木在脅迫反應(yīng)、育種、生物刺激素等方面的研究，并對相關(guān)綜述文章進(jìn)行了歸納概述。旨在為逆境生物學(xué)、植物生理學(xué)、種質(zhì)資源等領(lǐng)域的國內(nèi)科研工作者提供科學(xué)依據(jù)。

摘要：之前的研究表明降低赤霉素 (GA) 的水平或信號能夠促進(jìn)植物對環(huán)境脅迫（包括干旱）的耐受性，但潛在機(jī)制尚未明確。在本文中研究了活性 GAs 水平降低對番茄 (Solanum lycopersicum) 植株耐旱性的影響以及造成這些影響的機(jī)制。為了降低活性 GAs 水平，我們培育了過度表達(dá)擬南芥GA甲基轉(zhuǎn)移酶1（AtGAMT1）基因的轉(zhuǎn)基因番茄。 AtGAMT1 編碼的一種酶，可催化活性 GA 的甲基化以生成無活性的 GA 甲酯。過度表達(dá) AtGAMT1 的番茄植株表現(xiàn)出典型的 GA 缺乏表型特征以及對干旱脅迫的耐受性增加。 GA應(yīng)用于轉(zhuǎn)基因植物恢復(fù)了正常生長和對干旱的敏感性。在干旱條件下，轉(zhuǎn)基因植株由于全株蒸騰作用的減少而保持了較高的葉片水分狀態(tài)，氣孔導(dǎo)度的降低造成了蒸騰作用的降低。 GAMT1的過度表達(dá)抑制了葉表皮細(xì)胞的增殖，導(dǎo)致氣孔減少而形成更小的氣孔毛孔。在干旱條件下，GA活性降低、蒸騰作用減少的植物可能較少遭受葉片干旱，從而保持較高的能力和恢復(fù)率。

 圖1. 在灌溉和干旱脅迫下，AtGAMT1過度表達(dá)降低了整個植株的蒸騰作用

圖1表明與對照植物相比，蒸騰作用降低的轉(zhuǎn)基因植株可以更緩慢地利用土壤中的水分，因此持續(xù)的時間更長。通過實驗確定蒸騰作用的降低以及土壤中水分利用率的增加是 GAMT1 過表達(dá)植株對干旱耐受性增加的唯一原因。

 圖2. AtGAMT1過度表達(dá)減少了葉片大小，增加了氣孔密度

葉面積減少（圖2）可能是轉(zhuǎn)基因植物整株蒸騰量降低的主要原因。盡管 AtGAMT1 的過表達(dá)對葉片數(shù)量沒有影響，但它減緩了小葉葉片的生長，所有轉(zhuǎn)基因品系的整株葉面積都小于對照植物的葉面積（圖2）。用顯微鏡分析了葉背面的表皮組織，該分析顯示所有轉(zhuǎn)基因品系中的氣孔密度高于對照葉片中的氣孔密度。轉(zhuǎn)基因株系的氣孔面積與其表型嚴(yán)重程度和全株蒸騰速率密切相關(guān)。以上結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因植株中蒸騰速率的降低是由于氣孔導(dǎo)度的降低造成的。