ArrayJet生物芯片點(diǎn)樣儀助力植物耐旱能力研究

植物細(xì)胞最重要的特征之一是含有細(xì)胞壁，細(xì)胞壁富含多糖結(jié)構(gòu)，包圍著原生質(zhì)體，具有控制植物形態(tài)和調(diào)節(jié)生理功能的作用。對于多肉植物而言，干旱會迫使它們形成多肉綜合征，主要表現(xiàn)為細(xì)胞壁的改變。對于多肉綜合征與細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)以及多糖成分變化之間的關(guān)系目前尚無明確定論。為了了解植物組織結(jié)構(gòu)進(jìn)化與其適應(yīng)干旱環(huán)境的內(nèi)在聯(lián)系，已經(jīng)有許多團(tuán)隊(duì)從分子生物學(xué)、組織學(xué)、功能學(xué)等多方向開展研究。本次我們介紹的是從不同種類植物的細(xì)胞壁及其組分進(jìn)化的角度，來研究與耐旱能力之間的關(guān)系。

 

該文章于2023年8月31日發(fā)表在《Physiologia Plantarum》雜志，來自于哥本哈根大學(xué)植物與環(huán)境科學(xué)系的Bodil Jørgensen團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)選取了Crassula（一類景天科植物）作為研究對象，主要研究內(nèi)容：(1)不同干旱條件下，自然生長的Crassula多糖和糖蛋白組成; (2)Crassula的糖組學(xué)多樣性對進(jìn)化和適應(yīng)干旱環(huán)境能力的影響。

作者共采集了56個(gè)Crassula類群樣本，每個(gè)類群至少采集三片葉片作為生物重復(fù)。首先，將葉片樣本破碎并純化，然后連續(xù)稀釋形成濃度梯度并接種到384微孔板中，使用英國Arrayjet公司的 Arrayjet Marathon Classic生物芯片點(diǎn)樣儀（現(xiàn)為Mercury 25型號）將樣品點(diǎn)印在0.45微米的硝酸纖維素膜上制成多糖芯片。然后使用48個(gè)靶向不同的多糖和糖蛋白的單克隆抗體作為一抗與芯片雜交，再用熒光標(biāo)記的二抗進(jìn)行孵育。在芯片掃描儀讀取芯片后，使用RStudio軟件，利用微陣列聚合物譜分析方法（Comprehensive microarray polymer profiling ，CoMPP）、多因素分析法（Multiple factor analysis ，MFA）和隨機(jī)森林分析（Random forest ，RF）（圖1）完成芯片數(shù)據(jù)分析。
為了印證芯片分析的結(jié)果，作者進(jìn)一步使用顯微鏡觀察了不同種Crassula的葉片組織切片，從組織學(xué)角度分析細(xì)胞壁與耐旱能力之間的關(guān)系。同時(shí)，也利用高效液相色譜分析了葉片樣本中單糖的組分差異與細(xì)胞壁之間的關(guān)系。

圖1 微陣列芯片方法的流程示意圖，利用Arrayjet Marathon Classic生物芯片點(diǎn)樣儀制備植物多糖芯片，進(jìn)行抗體雜交檢測
 

通過對多糖微陣列芯片與組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)致密型和非致密型Crassula物種在葉片糖組學(xué)方面具有不同的表型分布(圖2)，而且細(xì)胞壁中果膠和阿拉伯半乳聚糖的表達(dá)呈現(xiàn)出顯著差異；在與干旱相關(guān)性的研究中，發(fā)現(xiàn)鼠李半乳糖醛酸聚糖以及阿拉伯糖的表達(dá)水平也與干旱程度呈正相關(guān)。這些結(jié)果提示不同的糖組性狀可能通過參與細(xì)胞壁的形成影響植物抗旱性。作者將CoMPP的結(jié)果以熱圖的方式呈現(xiàn)，并結(jié)合多MFA形成了圖2中的結(jié)果。有些類似于流式細(xì)胞分析的結(jié)果，該方法是從多個(gè)維度分析樣本參數(shù)在散點(diǎn)圖中的分布情況。作者分析了前五個(gè)MFA維度，綜合各個(gè)維度的結(jié)果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)致密型和非致密型兩類植物的生長形態(tài)的綜合差異則會更大。

圖2 (A)基于CoMPP數(shù)據(jù)的多因子分析(MFA)得分圖，根據(jù)兩種生長形態(tài)(濃度橢圓在0.68水平;星星代表離群值)。(B) (A)陰影區(qū)域的擴(kuò)展視圖。緊密型和非緊密型Crassula種沿MFA第1維度(C)和第2維度(D)的箱形圖。使用Welch t檢驗(yàn)(如果兩者均呈正態(tài)分布)或Wilcoxon檢驗(yàn)評估兩組之間的顯著差異，用星號表示(***p <0.001)。
 

在單糖分析中，致密型植物的阿拉伯糖含量顯著較高，而非致密型植物的木糖含量較高，葡萄糖則沒有明顯的傾向。此外，細(xì)胞壁中果膠和阿拉伯半乳聚糖的表達(dá)呈現(xiàn)出顯著差異；在與干旱相關(guān)性的研究中，發(fā)現(xiàn)鼠李半乳糖醛酸聚糖以及阿拉伯糖的表達(dá)水平也與干旱程度呈正相關(guān)。

最終，結(jié)合單糖成分、組織結(jié)構(gòu)分析，作者得出以下結(jié)論。利用MFA分析的CoMPP結(jié)果表明，致密型和非致密型crasura物種在葉片糖組學(xué)方面占據(jù)了不同的表型空間(圖2)。果膠和阿拉伯半乳聚糖蛋白質(zhì)（AGP）是驅(qū)動(dòng)兩種Crassula產(chǎn)生生長形式差異的主要細(xì)胞壁成分。在與干旱相關(guān)性的研究中，鼠李半乳糖醛酸聚糖，阿拉伯糖和AGP表位的水平也與干旱的增加呈正相關(guān)，這些結(jié)果提示不同的糖組性狀可能通過參與細(xì)胞壁的形成影響植物抗旱性。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ppl.14007

Arrayjet位于英國愛丁堡，專注于提供生物芯片應(yīng)用領(lǐng)域的解決方案及服務(wù)。自2000年公司成立即致力于開發(fā)新型生物樣品噴點(diǎn)方案–噴墨式液體處理平臺，該系統(tǒng)于2006年上市，目前用戶遍布全球27個(gè)國家。

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