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利用Plantarray高通量植物生理表型平臺研究鹽脅迫下煙草

更新時間:2022-05-11 點擊量:1156

Plantarray是一款基于稱重的高通量、多傳感器生理表型平臺以及植物逆境生物學(xué)研究通用平臺。該系統(tǒng)可持續(xù)、實時測量位于不同環(huán)境條件下、陣列中每個植株的土壤-植物-空氣(SPAC)中的即時水流動。直接測量根系和莖葉系統(tǒng)水平衡和生物量增加,計算植物生理參數(shù)以及植物對動態(tài)環(huán)境的反饋。系統(tǒng)以有效、易用、無損的方式針對植物對不同處理的反應(yīng)、預(yù)測植物生長和生產(chǎn)力進行定量比較,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)兰毎酗@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 的過表達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葉片和根系活動之間的相互作用及其對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。在所有試驗條件下,在番茄 (Solanum lycopersicum) 植株(TOM-NtAQP1) 中表達 NtAQP1 會產(chǎn)生更高的氣孔導(dǎo)度、整株植物蒸騰作用和 AN。與對照相比,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 NtAQP1 的番茄和擬南芥 (Arabidopsis thaliana) 中所示,它在所有測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

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

使用將VPD和植物葉面積測定統(tǒng)一化的多重蒸滲儀系統(tǒng)同時測量了所有TOM-NtAQP1和對照植物的每日蒸騰速率。在正常生長條件下,前者的日蒸騰速率高于對照植物(圖2A),以致全天的相對蒸騰水平顯著升高(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和對照植物之間的蒸騰作用差異顯著。

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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立的作用。為了估計NtAQP1的這些活性與每個在整個植物對脅迫響應(yīng)中的相對重要性之間的關(guān)系,進行了相互嫁接實驗。同時測量所有嫁接植物的全株蒸騰速率和相對日蒸騰量,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)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。

為了估測在鹽脅迫下根水力信號對相互嫁接植株地上部分gs 和AN的相對影響,對嫁接植株的這二者進行了測量。測量分兩個時間段進行:上午(8:00–11:00 AM)和中午(11:00 AM–2:00 PM)。在上午時間段嫁接植物中檢測到的整株蒸騰速率(圖2B)或gs或AN沒有變化(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φ詹⑴cT/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。

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