WIWAM高通量植物表型組學(xué)成像平臺(tái)—擬南芥赤霉素研究

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(dòng) 化控制系統(tǒng)、葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)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(shí)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(cè)量、植 物脅迫響應(yīng)成像分析測(cè)量、植物生長(zhǎng)分析測(cè)量、生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識(shí)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

夜間赤霉素生物合成受波動(dòng)的環(huán)境條件影響，并有助于擬南芥葉片的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)

最佳植物生長(zhǎng)性能要求生長(zhǎng)信號(hào)（如赤霉素（GA））的作用與光同化物的可用性相協(xié)調(diào)。在這里，我們研究了赤霉素生物合成和碳可用性之間的聯(lián)系，以及隨后對(duì)生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，碳的有效性、光和暗信號(hào)以及時(shí)鐘確保了赤霉素生物合成的時(shí)間和幅度，并且這些機(jī)制的破壞導(dǎo)致赤霉素水平和下游基因表達(dá)的降低。赤霉素3β-雙加氧酶1（GA3ox1）的碳依賴性夜間誘導(dǎo)在一天的光照可用性降低之前受到嚴(yán)重阻礙，特別是導(dǎo)致生物活GA4水平降低，并與夜間葉片擴(kuò)張率下降相一致。我們將這種葉片擴(kuò)張的下降主要?dú)w因于光同化物的減少。然而赤霉素限制得到緩解的植物顯著改善了擴(kuò)張，這表明在不同碳可用性下赤霉素在生長(zhǎng)控制中的相關(guān)性。在短時(shí)間內(nèi)，上游赤霉素生物合成基因的碳依賴性表達(dá)未轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物變化。我們提出了一個(gè)模型，其中GA3ox1夜間生物合成生物活性GA4的程度由作為夜間碳源的淀粉決定，從而提供赤霉素反應(yīng)的日常調(diào)節(jié)。 

GA生物合成的幾個(gè)酶步驟由多基因家族編碼。為了確定營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期間具有相對(duì)高表達(dá)的關(guān)鍵家族成員，研究了兩個(gè)公開的微陣列數(shù)據(jù)集，它們跟蹤成年擬南芥花環(huán)中48小時(shí)的轉(zhuǎn)錄豐度（20-21）。進(jìn)一步表明調(diào)節(jié)生長(zhǎng)控制的作用是基于晝夜周期的振蕩行為，表明對(duì)碳供應(yīng)、光信號(hào)或時(shí)鐘變化的反應(yīng)。這些數(shù)據(jù)指出海藻氨酸合酶（KS）、GA20ox1和GA3ox1是主要候選基因（圖1）。

圖1.節(jié)律性GA生物合成基因的基因家族成員在晝夜循環(huán)中的 mRNA豐度

盡管赤霉素前體池（GA9、GA19和GA20）在晚上似乎更高，但在時(shí)間點(diǎn)之間和光照水平之間未觀察到顯著差異（圖2A）。生物活性赤霉素對(duì)受體GID1的親和力不同，與GA4的強(qiáng)結(jié)合親和力相比，GA3和GA1的親和力較弱。低親和力生物活性赤霉素（GA1和GA3）在處理之間沒有明顯差異。高親和力赤霉素GA4是豐富的生物活性赤霉素，在夜間濃度最高（圖2B）。延長(zhǎng)一天的夜間GA3ox1誘導(dǎo)減少，導(dǎo)致第二天早上GA4下降（圖2B）。低光照水平導(dǎo)致第二天早上GA4的下降更大，而GA4水平在實(shí)際弱光日結(jié)束時(shí)保持不變（圖2B）。這些結(jié)果表明，夜間GA3ox1表達(dá)在確定響應(yīng)弱光的生物活性GA水平方面起著重要作用，而KS和GA20ox1的下降并沒有在本文研究的時(shí)間范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化為赤霉素生物合成的減少。赤霉素滅活酶也可在確定生物活性GA的動(dòng)力學(xué)方面發(fā)揮作用。但是，未發(fā)現(xiàn)滅活氣體（GA8、GA29和GA34）的一致變化。

圖2.GA豐度和隨時(shí)間和弱光條件后的響應(yīng)

圖3.日膨脹變化情況

pgm中GA響應(yīng)基因的節(jié)律性表達(dá)丟失，盡管GID1A中保持節(jié)律性。在赤霉素不敏感（gai）和della pentuple（pent）突變體中，赤霉素在一天特定時(shí)間葉片擴(kuò)展中的相關(guān)性得到了進(jìn)一步研究，這兩種突變體不能對(duì)不同的赤霉素水平作出反應(yīng)。當(dāng)GA3ox1的表達(dá)決定生物活性GA水平時(shí)，gai和pent的擴(kuò)增率在夜間降低（圖3）。另外。早上擴(kuò)張率升高（圖3），這可能代表了一種獨(dú)立于GA的行為，可能利用了未開發(fā)的夜間增長(zhǎng)潛力。同樣，GA3ox1基因敲除突變體GA3ox1-3也減少了夜間擴(kuò)張，增加了早晨擴(kuò)張（圖3）?？偟膩碚f，這表明對(duì)赤霉素水平和GA生物合成的變化作出反應(yīng)的能力有助于一天中特定時(shí)間的擴(kuò)張。

圖4.恒定和可變條件下的碳和GA依賴性生長(zhǎng)

利用自動(dòng)表型分析平臺(tái)WIWAM XY精確控制土壤含水量，并隨時(shí)間對(duì)單個(gè)植物進(jìn)行成像，跟蹤了恒定晝夜周期下以及面對(duì)四個(gè)散布的弱光日時(shí)Col-0和ga3ox1 kd植物的膨脹率（圖4C）。為了獲得正常光照下的膨脹率，并確定弱光介導(dǎo)的膨脹減少，對(duì)單個(gè)植物的生長(zhǎng)曲線進(jìn)行了擬合。在對(duì)照條件下，Col-0和ga3ox1 kd之間的膨脹率幾乎相同（圖4D）。得出結(jié)論，赤霉素水平的GA3ox1依賴性波動(dòng)不能成為正常光照條件下GA3ox1生長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因素。暴露于四個(gè)弱光日導(dǎo)致兩種基因型的最終花環(huán)面積顯著減少，這意味著幾天的弱光日可以產(chǎn)生顯著的影響。對(duì)弱光白天和隨后夜晚膨脹減少的量化表明ga3ox1 kd的膨脹率降低幅度小于Col-0（圖4E）。這表明ga3ox1 kd在夜間表達(dá)和調(diào)節(jié)可忽略不計(jì)的情況下（圖4A-B）的擴(kuò)增不會(huì)像野生型那樣受到弱光的強(qiáng)烈影響，在野生型中弱光嚴(yán)重抑制了ga3ox1和GA4水平的表達(dá)。

為了調(diào)查生長(zhǎng)減少發(fā)生的確切時(shí)間，并進(jìn)一步探索GA3ox1在這種減少中的作用，每隔6或12小時(shí)跟蹤生長(zhǎng)最快的葉片的葉片擴(kuò)展率。在弱光處理期間，葉片膨脹率保持不變，而在隨后的夜間，膨脹率嚴(yán)重降低（圖4F）。通過應(yīng)用赤霉素或ga3ox1 kd防止弱光后GA4的下降，可在類似程度上緩解膨脹的減少（圖4G）。然而，對(duì)赤霉素的操縱都不能*消除生長(zhǎng)懲罰（圖4G）。

相關(guān)閱讀

室內(nèi)植物表型成像系統(tǒng)WIWAM XY

室內(nèi)植物表型成像系統(tǒng)WIWAM conveyor

室內(nèi)植物表型成像柜WIWAM Imaging Box

WIWAM植物表型成像定制系統(tǒng)

WIWAM高通量植物表型組學(xué)、植物表型成像、種質(zhì)資源研究系統(tǒng)-玉米研究

WIWAM高通量植物表型組學(xué)、植物表型成像、種質(zhì)資源研究系統(tǒng)-水稻線蟲

WIWAM高通量植物表型成像分析平臺(tái)應(yīng)用—真菌研究

WIWAM高通量植物表型成像分析平臺(tái)—植物病害

WIWAM高通量植物表型成像分析平臺(tái)-植物病害研究2

WIWAM高通量植物表型組學(xué)成像分析研究系統(tǒng)-玉米研究2

WIWAM高通量植物表型組學(xué)成像分析研究系統(tǒng)-擬南芥研究1

WIWAM高通量植物表型組學(xué)成像分析研究系統(tǒng)-擬南芥研究4

WIWAM高通量植物表型組學(xué)成像分析研究系統(tǒng)-擬南芥研究5

WIWAM高通量植物表型組學(xué)成像分析研究系統(tǒng)-擬南芥研究6

WIWAM高通量植物表型組學(xué)成像分析-擬南芥的全基因關(guān)聯(lián)圖譜

WIWAM高通量植物表型組學(xué)成像研究—擬南芥和玉米轉(zhuǎn)基因品系的功能分析

WIWAM高通量植物表型組學(xué)成像研究—作物高光譜功能分析

WIWAM高通量植物表型組學(xué)成像分析-輕度干旱條件下生長(zhǎng)反應(yīng)的遺傳結(jié)構(gòu)

WIWAM高通量植物表型組學(xué)成像研究—輕度干旱脅迫的葉片響應(yīng)