利用Plantarray高通量植物生理表型平臺(tái)研究鹽脅迫下煙草

Plantarray是一款基于稱重的高通量、多傳感器生理表型平臺(tái)以及植物逆境生物學(xué)研究通用平臺(tái)。該系統(tǒng)可持續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量位于不同環(huán)境條件下、陣列中每個(gè)植株的土壤-植物-空氣（SPAC）中的即時(shí)水流動(dòng)。直接測(cè)量根系和莖葉系統(tǒng)水平衡和生物量增加，計(jì)算植物生理參數(shù)以及植物對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的反饋。系統(tǒng)以有效、易用、無(wú)損的方式針對(duì)植物對(duì)不同處理的反應(yīng)、預(yù)測(cè)植物生長(zhǎng)和生產(chǎn)力進(jìn)行定量比較，廣泛應(yīng)用于生物脅迫和非生物脅迫以及植物栽培加速育種研究等，脅迫研究涵蓋干旱脅迫、鹽脅迫、重金屬脅迫、熱、冷脅迫、光脅迫以及灌溉/養(yǎng)分、CO₂指示、植物健康等領(lǐng)域的研究。

煙草(Nicotiana tabacum; C3)在非生物脅迫下提高了水分利用效率(WUE)，并在莖、葉柄和傳輸?shù)兰?xì)胞中顯示出C4植株的光合作用特征。煙草脅迫誘導(dǎo)的水通道蛋白(NtAQP1) 既是水分通道又是CO2 通道。在煙草植株中，NtAQP1 的過(guò)表達(dá)增加了葉片的凈光合作用 (AN)、葉肉 CO2 傳導(dǎo)率和氣孔導(dǎo)度，而其沉寂會(huì)降低根系水力傳導(dǎo)率 (Lp)。然而，在正常和脅迫條件下，NtAQP1葉片和根系活動(dòng)之間的相互作用及其對(duì)植物水分利用效率和生產(chǎn)力影響的研究尚未被提及。因此，本研究的目的是提出NtAQP1在植物水分利用效率、抗逆性和生產(chǎn)力中的作用。在所有試驗(yàn)條件下，在番茄 (Solanum lycopersicum) 植株(TOM-NtAQP1) 中表達(dá) NtAQP1 會(huì)產(chǎn)生更高的氣孔導(dǎo)度、整株植物蒸騰作用和 AN。與對(duì)照相比，鹽脅迫下的L p 減少了3倍多，TOM-NtAQP1 植株與玉米（Zea mays；C4）相似，Lp并沒(méi)有顯著降低（僅降低約40%）。相互嫁接為 NtAQP1 在防止水力破壞和維持全株蒸騰速率方面的作

用提供了新的證據(jù)。本研究結(jié)果揭示了在根和葉中獨(dú)立但密切相關(guān)的 NtAQP1 活性。這種雙重活性增加了植物在最佳和脅迫條件下的用水量和AN，從而提高了WUE。因此，正如在組成型表達(dá) NtAQP1 的番茄和擬南芥 (Arabidopsis thaliana) 中所示，它在所有測(cè)試條件下都有助于植物在產(chǎn)量方面的抗逆性。本文還討論了NtAQP1參與煙草類C4光合作用特性的可能性。

關(guān)鍵詞：煙草(Nicotiana tabacum)；NtAQP1；水分利用效率(WUE)；抗逆性

圖1. 在受控溫室中，正常灌溉和鹽脅迫下生長(zhǎng)的TOM-NtAQP1和對(duì)照植物的全株日蒸騰速率和相對(duì)蒸騰速率

使用將VPD和植物葉面積測(cè)定統(tǒng)一化的多重蒸滲儀系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量了所有TOM-NtAQP1和對(duì)照植物的每日蒸騰速率。在正常生長(zhǎng)條件下，前者的日蒸騰速率高于對(duì)照植物（圖2A），以致全天的相對(duì)蒸騰水平顯著升高（圖2A）?？?cè)照趄v量由日蒸騰速率曲線下的面積確定。在鹽脅迫處理期間（圖2、B和C）以及隨后從鹽脅迫恢復(fù)期間（圖2D），TOM-NtAQP1和對(duì)照植物之間的蒸騰作用差異顯著。

2. 在正常和100 mM NaCl 灌溉下嫁接植物的每日蒸騰速率、gs和AN

NtAQP1在防止根莖水力衰竭和提高全株抗逆性方面的作用：一方面增加gs和蒸騰作用，同時(shí)在滲透脅迫條件下維持正常的根系Lp；另一方面，表明NtAQP1通道在全植物水力控制中具有雙重獨(dú)立的作用。為了估計(jì)NtAQP1的這些活性與每個(gè)在整個(gè)植物對(duì)脅迫響應(yīng)中的相對(duì)重要性之間的關(guān)系，進(jìn)行了相互嫁接實(shí)驗(yàn)。同時(shí)測(cè)量所有嫁接植物的全株蒸騰速率和相對(duì)日蒸騰量，在正常和鹽處理下轉(zhuǎn)基因植物的蒸騰速率和相對(duì)日蒸騰量更高（圖2，A和B）。從中午開始，T/C 嫁接植物的全株每日蒸騰速率顯著降低，T/C 植物蒸騰速率的這種“午休"（在正常和鹽脅迫條件下均清楚可見(jiàn)）可能是由于氣孔關(guān)閉導(dǎo)致的。另外一種解釋可能是由于較高的gs和較低的Lp導(dǎo)致Lp失效。

為了估測(cè)在鹽脅迫下根水力信號(hào)對(duì)相互嫁接植株地上部分gs 和AN的相對(duì)影響，對(duì)嫁接植株的這二者進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量分兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行：上午（8:00–11:00 AM）和中午（11:00 AM–2:00 PM）。在上午時(shí)間段嫁接植物中檢測(cè)到的整株蒸騰速率（圖2B）或gs或AN沒(méi)有變化（圖2，C和E）。然而在中午期間，除了T/T植物外，所有植物存在蒸騰速率的中斷（圖2B）。雖然 C/C和C/T植物的氣孔關(guān)閉可以解釋整株蒸騰速率的降低，但這并不能解釋T/C植物的高gs和AN值，它們?nèi)匀桓哂趯?duì)照并與T/T 植物類似（圖2、D和F）：與C/C或C/T植物相比，T/T和T/C植物保持相似且明顯更高的gs和A值。