Plant Phenomics | 使用高通量表型技術(shù)評(píng)估擬南芥中熱應(yīng)激誘導(dǎo)造成的變化

在全球范圍內(nèi)，最近十年是自19世紀(jì)以來(lái)最熱的十年，并且多次發(fā)生了打破歷史記錄的高溫天氣。熱脅迫會(huì)導(dǎo)致植物在所有生長(zhǎng)階段的性能和生產(chǎn)能力下降，這使得高溫?zé)崂顺蔀榱宿r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的嚴(yán)重威脅。但是，目前對(duì)熱應(yīng)激現(xiàn)象的研究主要集中在評(píng)估種子早期發(fā)育階段的存活率或下胚軸伸長(zhǎng)情況，以及在高溫使得花粉活力降低的生殖階段。少數(shù)針對(duì)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段熱應(yīng)激反應(yīng)的研究表明，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段的耐熱性有助于生殖生長(zhǎng)階段的適應(yīng)能力。因此，了解熱應(yīng)激反應(yīng)造成的變化以及培育在所有生長(zhǎng)階段均有耐熱性的種質(zhì)資源，對(duì)于確保未來(lái)的食品可持續(xù)供應(yīng)至關(guān)重要。

 

目前，擬南芥已被廣泛用于耐熱性篩選，主要側(cè)重點(diǎn)在于分析在瓊脂平板上的幼苗生存能力、下胚軸伸長(zhǎng)情況或者種子發(fā)芽情況。由于耐熱性的表達(dá)依賴(lài)于多個(gè)過(guò)程，因此通過(guò)統(tǒng)計(jì)由表型簡(jiǎn)易性而不是生理重要性決定的簡(jiǎn)單性狀并不能很好地反映出耐熱反應(yīng)的復(fù)雜性。通過(guò)非破壞性的方法（如采集可見(jiàn)光、熱成像、葉綠素?zé)晒鈭D像等）連續(xù)監(jiān)測(cè)植物在熱暴露后的生長(zhǎng)情況，可以洞悉那些人眼無(wú)法評(píng)估的與光合作用效率和植物冷卻能力相對(duì)應(yīng)的生理反應(yīng)。自動(dòng)化且受環(huán)境控制的系統(tǒng)能夠在單個(gè)實(shí)驗(yàn)中高效地監(jiān)測(cè)大量群體。表型性狀，如植物的大小、溫度以及光合作用效率已成功用于評(píng)估干旱、鹽分和低溫脅迫下植物的性能。

 

2020年7月，沙特阿拉伯阿布杜拉國(guó)王科技大學(xué)的Ge Gao等在Plant Phenomics發(fā)表了題為T(mén)he Use of High-Throughput Phenotyping for Assessment of Heat Stress-Induced Changes in Arabidopsis的研究論文。

 

該文章中，論文作者調(diào)查了使用可見(jiàn)光、動(dòng)態(tài)葉綠素?zé)晒夂图t外成像技術(shù)評(píng)估擬南芥中熱應(yīng)激反應(yīng)的可行性(Figure 1(b))；并根據(jù)觀察到的多個(gè)性狀的顯著變化，為擬南芥植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)了生理相關(guān)的熱脅迫方案(Figure 1(c))。此外，使用邏輯回歸確定了最能夠區(qū)分野生型(WT)和熱敏性hsp101突變體的性狀；通過(guò)研究擬南芥野生型(WT)和突變體(hsp101)中熱誘導(dǎo)造成的變化，可以鑒定出可能表明耐熱性降低的其他性狀(Figure 2~3)。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法，論文作者發(fā)現(xiàn)在施加脅迫后立即維持光化學(xué)淬滅能夠作為反映熱脅迫耐受性的潛在標(biāo)志，原因在于其與后續(xù)時(shí)間點(diǎn)植株大小的增加存在對(duì)應(yīng)關(guān)系(Figure 4~6)。該文章為未來(lái)使用高通量表型平臺(tái)的研究提供了基礎(chǔ)，并揭示了影響熱脅迫耐受性的新成分。

Figure 1: Schematic of the experimental setup

Figure 2: More pronounced reduction of the rosette size with increased length of heat treatment and mutation of hsp101.

 Figure 3: Heat stress-induced changes in chlorophyll fluorescence show a dynamic profile.

 Figure 4: Heat stress transiently reduces photochemical and nonphotochemical quenching.

 

論文鏈接
https://spj.sciencemag.org/journals/plantphenomics/2020/3723916/

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About Plant Phenomics

《植物表型組學(xué)》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）合作創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線(xiàn)發(fā)行，是Science合作出版的第二本期刊。采用開(kāi)放獲取形式，刊載植物表型組學(xué)交叉學(xué)科熱點(diǎn)領(lǐng)域具有突破性科研進(jìn)展的原創(chuàng)性研究論文、綜述、數(shù)據(jù)集和觀點(diǎn)。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術(shù)，基于圖像分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的表型組學(xué)新應(yīng)用，與植物表型相結(jié)合的分子生物學(xué)、植物生理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、作物模型和其他組學(xué)研究，表型組學(xué)相關(guān)的植物生物學(xué)等。期刊已被CABI、CNKI和DOAJ數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。

 

說(shuō)明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負(fù)責(zé)組稿。
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撰稿：王棟（實(shí)習(xí)）
編輯：周燦彧（實(shí)習(xí)）、孔敏
審核：尹歡