PlantScreen植(zhi)物表型成(cheng)像(xiang)分(fen)析—氣(qi)孔(kong)運動(dong)調節(jie)機(ji)制與相(xiang)關表型分(fen)析

PlantScreen植(zhi)物表型成(cheng)像(xiang)分(fen)析系(xi)統應(ying)用(yong)——氣(qi)孔(kong)運動(dong)調節(jie)機(ji)制與相(xiang)關表型分(fen)析

葉片表(biao)面(mian)的(de)保衛細(xi)胞能夠調節(jie)氣(qi)孔(kong)開(kai)放，從(cong)而(er)使(shi)植物與大氣(qi)間進行(xing)氣(qi)體(ti)交(jiao)換，讓(rang)植物的光合(he)作(zuo)用(yong)與(yu)蒸(zheng)騰(teng)作(zuo)用(yong)之間達(da)到平衡(heng)。保衛細(xi)胞的新(xin)陳(chen)代(dai)謝活性(xing)又主(zhu)要(yao)依(yi)賴來源(yuan)於葉肉的糖(tang)分(fen)。而參與到這壹(yi)過程(cheng)中(zhong)的(de)轉運蛋白及(ji)其對(dui)保衛細(xi)胞功(gong)能的貢獻(xian)還(hai)不清(qing)楚。

蘇(su)黎(li)世聯邦(bang)理(li)工(gong)學院、蘇(su)黎(li)世大(da)學與捷克Photon Systems Instruments (PSI)公(gong)司合(he)作(zuo)，證實(shi)了(le)在擬(ni)南芥(jie)保(bao)衛細(xi)胞中，單(dan)糖(tang)/質(zhi)子(zi)協同(tong)轉運子(zi)糖(tang)轉運蛋白1和(he)4（STP1和(he)STP4）是主(zhu)要(yao)的(de)質(zhi)膜轉運蛋白。結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)它(ta)們的(de)共(gong)同(tong)作(zuo)用(yong)需(xu)要(yao)葡(pu)萄糖(tang)輸入(ru)到保衛細(xi)胞，提供澱(dian)粉積累和光(guang)誘導氣(qi)孔(kong)打(da)開(kai)所需的(de)碳(tan)源(yuan)。這(zhe)壹研究(jiu)成(cheng)果作(zuo)為(wei)封(feng)面(mian)文(wen)章發表於2020年(nian)《EMBO Reports》。

A．stp1stp4雙(shuang)突變(bian)體(ti)保(bao)衛細(xi)胞可溶(rong)性(xing)糖(tang)含量顯著變(bian)化；B. 澱(dian)粉粒(li)消(xiao)失

而為(wei)了深刻(ke)理(li)解(jie)這(zhe)種(zhong)氣(qi)孔(kong)運動(dong)變(bian)化對(dui)植物光合(he)與生(sheng)長的影(ying)響(xiang)，就(jiu)需(xu)要(yao)對(dui)各種(zhong)相關擬南芥(jie)突變(bian)體(ti)表(biao)型(xing)進行(xing)全(quan)面(mian)的(de)綜(zong)合(he)分(fen)析。研(yan)究(jiu)人(ren)員使(shi)用了PSI植物表型研(yan)究(jiu)中(zhong)心的(de)PlantScreen植(zhi)物表型成(cheng)像(xiang)分(fen)析系(xi)統完(wan)成了(le)這壹工作(zuo)。這(zhe)壹(yi)系(xi)統安裝(zhuang)在(zai)FytoScope大(da)型(xing)步(bu)入(ru)式(shi)植(zhi)物生(sheng)長室(shi)內(nei)，同(tong)時具備(bei)光(guang)適應(ying)室(shi)和(he)稱重澆(jiao)灌單(dan)元(yuan)，能夠準(zhun)確(que)模擬各種(zhong)植物培養(yang)環(huan)境。其自(zi)動化傳送系(xi)統可(ke)以(yi)實現(xian)320株高(gao)50cm樣品的同(tong)步培養(yang)和(he)自(zi)動化成(cheng)像(xiang)測(ce)量。這套(tao)系(xi)統配置(zhi)的表型(xing)成(cheng)像(xiang)分(fen)析單(dan)元(yuan)包(bao)括(kuo)：

糖(tang)轉運蛋白stp突變(bian)體(ti)造成擬南芥(jie)氣(qi)孔(kong)關閉(bi)後(hou)，直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)到的就(jiu)是擬南芥(jie)的(de)蒸騰(teng)作(zuo)用(yong)，進(jin)而(er)使(shi)光照(zhao)條件(jian)下(xia)的葉片溫(wen)度升高(gao)。紅(hong)外(wai)熱(re)成像(xiang)分(fen)析表(biao)明，各種(zhong)stp突變(bian)體(ti)的(de)葉溫都(dou)比野(ye)生(sheng)型有(you)所升高(gao)。stp1stp4葉溫升(sheng)高(gao)尤(you)其顯著，這(zhe)表(biao)明其氣(qi)孔(kong)閉(bi)合(he)程度大。測(ce)量氣(qi)孔(kong)導度gs進壹(yi)步(bu)驗證了(le)這(zhe)壹點(dian)。

A．不同(tong)擬南芥(jie)突變(bian)體(ti)的(de)紅(hong)外熱成(cheng)像(xiang)圖(tu)；B. 歸(gui)壹化(hua)葉片溫(wen)度變(bian)化曲(qu)線(xian)；C. 不同(tong)光暗條(tiao)件(jian)下(xia)的氣(qi)孔(kong)導度gs變(bian)化

    VNIR高(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)獲(huo)得的(de)歸(gui)壹化植被(bei)指數NDVI是遙(yao)感(gan)和(he)表型研究中(zhong)常(chang)用的植(zhi)被指數。NDVI與葉綠素含量具備(bei)正(zheng)相(xiang)關關系(xi)，也(ye)常(chang)被用來估(gu)算葉綠素含量。結果(guo)表明，stp1stp4的NDVI與其他突變(bian)體(ti)和(he)野(ye)生(sheng)型是可比的(de)。基於RGB成(cheng)像(xiang)色(se)彩(cai)分(fen)析功(gong)能獲(huo)得的(de)綠(lv)度色(se)彩(cai)豐(feng)富度，也(ye)表(biao)明(ming)在(zai)綠度分(fen)布(bu)上stp1stp4與其他突變(bian)體(ti)和(he)野(ye)生(sheng)型也(ye)沒(mei)有(you)顯著差異(yi)。這(zhe)表(biao)明stp1stp4突變(bian)體(ti)還(hai)是具備完整(zheng)功(gong)能的光合(he)機(ji)構。

A．VNIR高(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)獲(huo)得的(de)NDVI成(cheng)像(xiang)圖(tu)；B. NDVI變(bian)化曲(qu)線(xian)；C-E. 基於RGB成(cheng)像(xiang)色(se)彩(cai)分(fen)析功(gong)能的綠度色(se)彩(cai)豐(feng)富度

而葉綠素熒光(guang)成像(xiang)結(jie)果(guo)表明(ming)，stp1stp4的(de)光(guang)系(xi)統II大(da)光化(hua)學效率(lv)Fv/Fm、實(shi)際(ji)光化學(xue)效率(lv)ΦPSII、光(guang)適(shi)應(ying)大(da)光(guang)化(hua)學效率(lv)Fv’/Fm’，光(guang)化(hua)學淬滅(mie)qP等光合(he)能力相關參數都(dou)有(you)顯著降低。

A．實(shi)際(ji)光化學(xue)效率(lv)ΦPSII成(cheng)像(xiang)圖(tu)；B. ΦPSII變(bian)化曲(qu)線(xian)

    RGB形(xing)態(tai)表(biao)型(xing)分(fen)析結(jie)果，與野(ye)生(sheng)型相比，stp1stp4突變(bian)體(ti)的(de)生(sheng)長減少了(le)60%，而(er)且(qie)生(sheng)長速(su)率(lv)也(ye)要(yao)更(geng)低。而(er)其他突變(bian)體(ti)的(de)生(sheng)長多只(zhi)降(jiang)低20%。

I. RGB成(cheng)像(xiang)圖(tu)；J. 投(tou)影(ying)蓮(lian)座(zuo)面(mian)積變(bian)化曲(qu)線(xian)

這(zhe)壹(yi)研究工(gong)作(zuo)充(chong)分(fen)利用(yong)了PlantScreen植(zhi)物表型成(cheng)像(xiang)分(fen)析系(xi)統的(de)優(you)勢：高(gao)通(tong)量樣品自(zi)動培養(yang)與(yu)測(ce)量、無損表型成(cheng)像(xiang)功(gong)能實現(xian)了對(dui)同(tong)壹植株的連(lian)續跟蹤(zong)測(ce)量、全(quan)面(mian)的(de)表型分(fen)析數(shu)據（形(xing)態(tai)、光(guang)合(he)、反射光(guang)譜(pu)、溫(wen)度）。

綜(zong)合(he)表型分(fen)析結(jie)果，研究人(ren)員認(ren)為(wei)STP1和STP4基因的同(tong)時突變(bian)造成擬南芥(jie)散布(bu)性(xing)氣(qi)孔(kong)限(xian)制，使(shi)葉肉光合(he)作(zuo)用(yong)所需的(de)CO₂有(you)效性(xing)降(jiang)低。這(zhe)就(jiu)解(jie)釋(shi)了stp1stp4突變(bian)體(ti)光(guang)合(he)能力降低、葉肉碳(tan)水(shui)化(hua)合(he)物代謝變(bian)化，以(yi)及(ji)後(hou)導致的(de)生(sheng)長表型缺陷。

參考(kao)文獻(xian)：

Flütsch S, et al. 2020. Glucose uptake to guard cells via STP transporters provides carbon sources for stomatal opening and plant growth. EMBO Reports 21:e49719

北(bei)京(jing)易科(ke)泰(tai)生(sheng)態(tai)技(ji)術公(gong)司提供植物/藻類(lei)表型(xing)與(yu)脅(xie)迫響(xiang)應(ying)研(yan)究(jiu)全(quan)面(mian)技(ji)術方案：

• FluorPen/AquaPen手(shou)持儀葉綠素熒光(guang)儀
• Monitoring Pen葉綠素熒光(guang)自(zi)動監測(ce)儀
• FluorCam葉綠素熒光(guang)成像(xiang)系(xi)統
• FKM多(duo)光(guang)譜熒光(guang)動(dong)態(tai)顯微(wei)成像(xiang)系(xi)統
• FMT150/MC1000/ET-PSI藻類(lei)培養(yang)與(yu)在(zai)線(xian)監測(ce)技(ji)術
• Thermo-RGB紅(hong)外(wai)熱成像(xiang)技(ji)術
• SpectraPen/PolyPen、Specim高(gao)光(guang)譜(pu)測(ce)量技(ji)術
• PlantScreen植(zhi)物高(gao)通(tong)量表型(xing)成像(xiang)分(fen)析平臺