Plant Phenomics | 使用高通量表型技術評估擬南芥中熱應激誘導造成的變化

在全球范圍內，最近十年是自19世紀以來最熱的十年，并且多次發生了打破歷史記錄的高溫天氣。熱脅迫會導致植物在所有生長階段的性能和生產能力下降，這使得高溫熱浪成為了農業生產中的嚴重威脅。但是，目前對熱應激現象的研究主要集中在評估種子早期發育階段的存活率或下胚軸伸長情況，以及在高溫使得花粉活力降低的生殖階段。少數針對營養生長階段熱應激反應的研究表明，營養生長階段的耐熱性有助于生殖生長階段的適應能力。因此，了解熱應激反應造成的變化以及培育在所有生長階段均有耐熱性的種質資源，對于確保未來的食品可持續供應至關重要。

 

目前，擬南芥已被廣泛用于耐熱性篩選，主要側重點在于分析在瓊脂平板上的幼苗生存能力、下胚軸伸長情況或者種子發芽情況。由于耐熱性的表達依賴于多個過程，因此通過統計由表型簡易性而不是生理重要性決定的簡單性狀并不能很好地反映出耐熱反應的復雜性。通過非破壞性的方法（如采集可見光、熱成像、葉綠素熒光圖像等）連續監測植物在熱暴露后的生長情況，可以洞悉那些人眼無法評估的與光合作用效率和植物冷卻能力相對應的生理反應。自動化且受環境控制的系統能夠在單個實驗中高效地監測大量群體。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王科技大學的Ge Gao等在Plant Phenomics發表了題為The Use of High-Throughput Phenotyping for Assessment of Heat Stress-Induced Changes in Arabidopsis的研究論文。

 

該文章中，論文作者調查了使用可見光、動態葉綠素熒光和紅外成像技術評估擬南芥中熱應激反應的可行性(Figure 1(b))；并根據觀察到的多個性狀的顯著變化，為擬南芥植物的營養生長期開發了生理相關的熱脅迫方案(Figure 1(c))。此外，使用邏輯回歸確定了最能夠區分野生型(WT)和熱敏性hsp101突變體的性狀；通過研究擬南芥野生型(WT)和突變體(hsp101)中熱誘導造成的變化，可以鑒定出可能表明耐熱性降低的其他性狀(Figure 2~3)。通過機器學習方法，論文作者發現在施加脅迫后立即維持光化學淬滅能夠作為反映熱脅迫耐受性的潛在標志，原因在于其與后續時間點植株大小的增加存在對應關系(Figure 4~6)。該文章為未來使用高通量表型平臺的研究提供了基礎，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》（Plant Phenomics）是由南京農業大學和美國科學促進會（AAAS）合作創辦的英文學術期刊，于2019年1月正式上線發行，是Science合作出版的第二本期刊。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學交叉學科熱點領域具有突破性科研進展的原創性研究論文、綜述、數據集和觀點。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術，基于圖像分析和機器學習的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農業實踐中的表型組學新應用，與植物表型相結合的分子生物學、植物生理學、統計學、作物模型和其他組學研究，表型組學相關的植物生物學等。期刊已被CABI、CNKI和DOAJ數據庫收錄。

 

說明：本文由《植物表型組學》編輯部負責組稿。
中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。
撰稿：王棟（實習）
編輯：周燦彧（實習）、孔敏
審核：尹歡