WIWAM高通量植物表型成像系統由比利時(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、自動(dòng) 化控制系統、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(dòng)條碼識別管理、RGB真彩3D成像等多項*技術(shù)，以較優(yōu)化的方式實(shí)現大量植物樣 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(cháng)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。

室內植物表型成像系統WIWAM Line

擬南芥自然變種對輕度干旱脅迫的葉片響應

盡管人們對植物在嚴重干旱脅迫下的反應進(jìn)行了廣泛的研究，但對植物在輕度干旱脅迫條件下如何適應生長(cháng)卻知之甚少。本文分析了來(lái)自不同地理區域的六份擬南芥材料在輕度干旱脅迫下葉片和蓮座的生長(cháng)反應。自動(dòng)表型分析平臺WIWAM用于在葉片發(fā)育早期施加脅迫，此時(shí)第三片葉片從莖尖分生組織中出現。生長(cháng)相關(guān)表型分析表明，不同材料的葉片發(fā)育存在差異。在所有六份材料中，輕度干旱脅迫都減少了葉片鋪面細胞的面積和數量，而不影響氣孔指數。對早期發(fā)育的葉片組織進(jìn)行全基因組轉錄組分析（使用RNA測序）確定了在輕度干旱脅迫下在六份材料中差異表達的354個(gè)基因。我們的結果表明，發(fā)育中的葉片對輕度干旱脅迫存在著(zhù)不同遺傳背景下的強烈響應。整個(gè)輕度干旱脅迫反應過(guò)程包括脫落酸信號、脯氨酸代謝和細胞壁調節。除了這些已知的嚴重干旱相關(guān)反應外，還發(fā)現87個(gè)基因對發(fā)育中的幼葉對輕度干旱脅迫的反應具有特異性。

為了在早期時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行脅迫處理，植物在潮濕的土壤中發(fā)芽并在4DAS時(shí)轉移到 WIWAM 上的輕度干旱條件（圖 1A-D）測量了多個(gè)生長(cháng)參數（補充圖 S1）：通過(guò)每天計算預計的玫瑰花結面積（PRA）來(lái)跟蹤玫瑰花結的生長(cháng)；在從細胞增殖到細胞擴增的過(guò)渡（10-11 DAS）和成熟（22 DAS）時(shí)測量第三葉的面積；第三片葉子的平均細胞數和細胞大小在成熟時(shí)與氣孔指數一起確定。除了這些葉片大小測量和細胞分析之外，還使用 RNA 測序進(jìn)行了全基因組轉錄組分析。為了研究在葉細胞增殖階段施加的輕度干旱脅迫下遺傳變異對生長(cháng)反應的影響，六個(gè)擬南芥種質(zhì)（An-1、Blh-1、Col-0、Cvi-0、Oy-0、Sha），代表不同地理區域并顯示可以捕獲一組 24 個(gè)種質(zhì)中存在的干旱響應的大部分變化。

圖1.WIWAMxy系統上的幼苗

在控制條件下，隨著(zhù)時(shí)間的推移Oy-0 的PRA是最大的，而Cvi-0是六個(gè)種質(zhì)中最小的（圖2A）。 在成熟期 (21 DAS)，Oy-0達到 633 mm2 的PRA，而Cvi-0 測量為239 mm2（圖2，A和B），兩者都與An-的PRA顯著(zhù)不同。1、Blh-1、Col-0和Sha，它們之間沒(méi)有顯著(zhù)差異。在對照條件下，成熟的第三葉面積范圍從Blh-1中的82 mm2到Oy-0中的109 mm2（圖2C）。兩個(gè)種質(zhì)Oy-0和Sha (103 mm2)無(wú)顯著(zhù)差異，但二者第三葉顯著(zhù)大于其他四個(gè)種質(zhì)。輕度干旱脅迫時(shí)，六種材料的葉面積均減少，范圍從Cvi-0的31 mm2 到Oy-0的39 mm2。輕度干旱處理后，種質(zhì)之間沒(méi)有檢測到葉面積的顯著(zhù)差異。成熟時(shí)表現出最大減少的種質(zhì)是Cvi-0 (65%)、Oy-0 (64%) 和 Sha (63%)（圖2C）。在對照條件下生長(cháng)的葉面積從Cvi-0的0.084 mm2到Oy-0的0.130 mm2（圖2D）。輕度干旱處理后，Oy-0和Sha（分別為0.111 mm2和0.113mm2）顯示出最大的第三葉，而Cvi-0的第三葉為0.069 mm2，是六個(gè)種質(zhì)中最小的（圖2D）。相對于對照條件，輕度干旱脅迫下的尺寸減小范圍從Sha的7% 到Col-0的30%（圖2D）。雖然沒(méi)有發(fā)現Sha的7%大小減少是顯著(zhù)的，但在這個(gè)早期發(fā)育時(shí)間點(diǎn)，其他種質(zhì)的葉面積在輕度干旱脅迫下顯著(zhù)減少。

圖2.蓮座面積和葉片大小的測量

在輕度干旱脅迫下從14 DAS開(kāi)始，檢測到PRA顯著(zhù)減少（圖3）。從該時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始，通過(guò)兩兩比較分析了對施加輕度干旱脅迫的隨時(shí)間變化的反應，表明Oy-0和Cvi-0在其對輕度干旱脅迫的隨時(shí)間變化的生長(cháng)反應方面與Blh-1和Sha顯著(zhù)不同（圖3）。在成熟期（21 DAS），與對照相比，輕度干旱條件下Oy-0和Cvi-0分別減小72%和67%（圖2B）。盡管Cvi-0的PRA隨時(shí)間的反應不同（圖3），但在最后一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，Cvi-0的PRA降低與An-1、Blh-1、Col-0和Sha沒(méi)有差異，而Oy-0的PRA降低與除Cvi-0外的所有其他材料顯著(zhù)不同。

圖3.六個(gè)種質(zhì)在控制和輕度干旱條件下隨時(shí)間推移的蓮座預計面積

在輕度干旱脅迫下，6份材料的路面細胞面積和數量均顯著(zhù)減少。所有材料的路面單元面積減少（圖4A）非常相似，從43%（Col 0）到54%（Sha和Oy-0），與路面單元數量相比，路面單元數量在材料之間差異顯著(zhù)，從18%（Blh-1和Oy-0）到41%（An-1）（圖4B）。細胞大小和葉片大小的減少導致了更高的細胞密度（圖4C），但在對照和輕度干旱條件下，氣孔指數沒(méi)有顯著(zhù)差異（圖4D）。

圖4.對照和輕度干旱條件下六份材料成熟第三葉細胞參數的測定

通過(guò)與上面列出的研究進(jìn)行比較，鑒定出87個(gè)基因在輕度干旱脅迫條件下在年輕發(fā)育組織中特異性表達差異化（圖5）。除了5PTASE2、COR47、MPK3、NIG1 和 AT5G53390 之外，這些基因中沒(méi)有一個(gè)與ABA相關(guān)。 87個(gè)常見(jiàn)干旱基因中有5個(gè)參與細胞壁修飾：EXPA15、三個(gè)編碼果膠裂解酶的基因（AT1G60590、AT1G67750、AT3G61490）和一個(gè) PMEI（AT1G23205）。87 個(gè)基因中的許多基因以前與已知的輕度干旱生長(cháng)反應無(wú)關(guān)。然而一些常見(jiàn)的干旱基因可能在輕度干旱的幼葉組織中調節生長(cháng)。

圖5.維恩圖顯示了參與嚴重干旱研究的基因、輕度干旱研究下成熟組織中的基因和常見(jiàn)干旱基因之間的重疊

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