PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)應(yīng)用

——衰老與防御途徑對雜種優(yōu)勢的貢獻(xiàn)

雜交在促進(jìn)作物生長與產(chǎn)量上效果顯著，因而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但雜交的分子機制仍然不是很清楚。ZX的證據(jù)表明，水楊酸水平降低調(diào)節(jié)的相關(guān)基因表達(dá)，會造成某些雜交種基礎(chǔ)防御能力降低，從而影響到這些雜交種的活力。

澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）、浙江大學(xué)、澳大利亞國立大學(xué)等科研機構(gòu)合作，將水楊酸分解酶水楊酸鹽羥化酶（NahG）引入到擬南芥中，降低的水楊酸水平造成了植物增大。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在植物防御與葉片衰老相關(guān)基因和途徑表達(dá)上產(chǎn)生了一系列差異變化。 CSIRO的PlantScreen模塊式高通量植物表型成像分析系統(tǒng)

研究人員使用PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)監(jiān)測擬南芥的生長過程。系統(tǒng)中的RGB成像單元可以在采集彩色圖像的過程中分析包括冠層直徑在內(nèi)的一系列形態(tài)學(xué)指標(biāo)。而稱重單元則可以記錄其鮮重的變化。

在對擬南芥的衰老過程進(jìn)行評估時，RGB成像單元的色彩分析功能可以通過葉片顏色的變化對衰老程度進(jìn)行定量和分級。在本研究中，20%-50%葉片變黃認(rèn)為是“部分衰老”，葉片全部變黃認(rèn)為是“完全衰老”。

但是，僅僅通過葉片顏色是無法真正反映衰老過程的生理變化尤其是光合生理變化，同時顏色變黃也很難進(jìn)行嚴(yán)格的定量和定義。PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)中的FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駟卧獎tWM解決了這一問題。通過FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駡D分析軟件自帶的面積校準(zhǔn)功能，可以過得真實的葉綠素分布面積（下圖A左）。測量得到的PSIIZD光化學(xué)效率（Fv/Fm），既可以反映葉片衰老過程中光合能力的變化，同時也可以識別葉片是否死亡（下圖A中，圖中黑色虛線代表Fv/Fm≤0.3為死亡葉片）。兩者相乘即為總光合能力（下圖A右）。同時配合PlantScreen系統(tǒng)的自動測量與分析功能，就可以計算葉片變黃和光合能力的變化率（下圖B），準(zhǔn)確劃分不同生長階段（下圖C）。

在中國雜交小麥、超高產(chǎn)雜交水稻、雜交玉米等研究中，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了雜交造成的光合能力提高、衰老延遲、葉面積增加等現(xiàn)象。以PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)為代表的先進(jìn)植物表型研究技術(shù)能夠為相關(guān)研究提供有力的科研工具。

中國水稻研究所建設(shè)中的PlantScreen高通量植物表型成像分析系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)：

Gonzalez-Bayon R, et al. 2019. Senescence and defense pathways contribute to heterosis. Plant Physiology 180: 240–252