PlantArray

植物高通量生理學(xué)表型監(jiān)測系統(tǒng)

????????是一套以植物生理學(xué)為基礎(chǔ)的高精度，高通量，自動化表型監(jiān)測系統(tǒng)，集合實驗設(shè)置、數(shù)據(jù)分析、決策工具于一身，能夠高通量實時動態(tài)監(jiān)測并進行全天候生理及環(huán)境參數(shù)采集，是進行植物生理學(xué)研究的理想實驗平臺。

????????中國計量大學(xué)徐沛教授團隊在《Horticulture Research 》期刊上(IF=7.291)發(fā)文中，利用PlantArray和轉(zhuǎn)錄組在豇豆和毛豆中精細地揭示了這些性狀對漸進性土壤脅迫的基因型差異，解釋了在相似的根系干旱脅迫下表現(xiàn)出截然不同的葉片水分利用行為的機制。

期刊：Horticulture Research

影響因子：7.291

發(fā)表時間：2022.12

樣本類型：毛豆和豇豆葉片

客戶單位：中國計量大學(xué)

一、研究背景

????????豆類是世界各國的主食和重要蔬菜。任何階段的缺水都會影響豆科植物的生長，最終降低產(chǎn)量。毛豆和豇豆在遭受干旱脅迫時會表現(xiàn)出不同的耗水調(diào)節(jié)模式，經(jīng)常用于比較幼苗對土壤缺水時的響應(yīng)。比較跨物種的水分動態(tài)時，受到的最大挑戰(zhàn)是如何產(chǎn)生均勻的干旱脅迫。利用高通量技術(shù)和灌溉反饋系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對土壤含水量的精確控制。PlantArray是一個基于蒸騰儀的系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測與整個植物水分關(guān)系有關(guān)的參數(shù)，如蒸騰速率(Tr)、生長速率和水分利用效率(WUE)。利用PlantArray和轉(zhuǎn)錄組在豇豆和毛豆中揭示了這些性狀對漸進性土壤脅迫的基因型差異。

二、實驗設(shè)計

三、實驗結(jié)果

1、漸進性土壤缺水條件下的全株水分關(guān)系

????????在四個階段中:充分灌溉(WW)、中度土壤干旱(MD)、重度土壤干旱(SD)和恢復(fù)階段(RC，圖1)，兩種作物的Tr均表現(xiàn)出日變化規(guī)律，最大值出現(xiàn)在中午附近(圖2A)，豇豆的水分利用效率（WUE）更高(圖2B)。在干旱嚴(yán)重的第7天，觀測到最大相位變化(圖2C)。復(fù)水后，兩組之間的相位差迅速消失。在整個實驗過程中，豇豆的Tr相位差很小。

2、轉(zhuǎn)錄組結(jié)果

????????在MD脅迫的毛豆葉片中，與光合作用、細胞壁和脂肪酸代謝相關(guān)的下調(diào)差異基因顯著富集。隨著土壤干旱程度的加重，兩種作物在光合作用、細胞壁、碳水化合物代謝等方面出現(xiàn)GO功能富集。從豇豆和毛豆中分別鑒定出32個和44個生物鐘基因，發(fā)生變化的20個基因可分為兩類:1)僅基因表達量發(fā)生變化，2)基因表達量和日變化（TOD）趨勢均發(fā)生變化(圖3)。

3、在干旱、TOD及其相互作用下物種特異性基因的調(diào)控與WGCNA分析

????????全面識別了受TOD、干旱及其交互作用影響的基因，毛豆和豇豆中分別有28個和39個聚類基因簇，土壤干旱和TOD在兩種作物中以不同的方式相互作用，影響了芽基因的表達，從而形成了截然不同的水分利用行為。

????????通過WGCNA分析，確定了17個與蒸騰速度相關(guān)的基因，發(fā)現(xiàn)了毛豆和豇豆中的20個基因模塊。分別從VuM17和VuM9模塊中鑒定出5個和8個樞紐基因(圖4A、B）。CYP707A4和TPS9同源基因在不同干旱情景下的動態(tài)表達模式不同，MD下GmCYP707A4在中午轉(zhuǎn)錄上調(diào)，增加Tr；但是它在WW和SD條件下的表達較高，在豇豆中下調(diào)(圖4C)。

4、VuTPS9調(diào)控Tr的功能驗證

????????豇豆和毛豆的TPS9同源基因在干旱處理下表現(xiàn)出不同的調(diào)控模式，比較35S::VuTPS9-eGFP(VuTPS9-OE)和35S::eGFP過表達株系葉片的Tr和氣孔導(dǎo)度(Gs)，處理前無顯著差異(圖5A)。在10%PEG處理的第1天，VuTPS9-OE植株的Tr和Gs水平分別下降了92%和95%，而35S::eGFP植株的Tr和Gs水平分別下降了57%和73%。與這一表型相一致的是，在10%PEG處理后1天，前者的氣孔孔徑比后者更敏感(圖5C, D)。

四、研究結(jié)論

????????轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析表明，豇豆在早期土壤干旱階段存在一種脫水避免機制，其中VuHAI3和VuTIP2;3基因可能參與其中。兩種作物的基因?qū)Ω珊档捻憫?yīng)、時間及其交互作用存在差異，轉(zhuǎn)基因分析驗證了VuTPS9在滲透脅迫下對蒸騰速率的調(diào)節(jié)作用。

????????文章結(jié)合plantarray植物生理表型組和轉(zhuǎn)錄組建立了一個模型來闡明豇豆和毛豆不同的水分利用策略(圖6)，該模型強調(diào)了與水分利用行為相關(guān)的基因以及它們的相互作用基因的重要性。

參考文獻

Understanding water conservation vs. profligation traits in vegetable legumes through a physio-transcriptomic-functional approach. Horticulture Research. 2022 DOI: 10.1093/hr/uhac287.