Plantarray高通量植物生理表型平臺：番茄如何避免缺水的損害

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(shí)時(shí)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(shí)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(jì)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(jìn)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。

植物采用氣孔關(guān)閉和減少生長以避免缺水的損害。生長促進(jìn)激素赤霉素（GA）的水平降低導(dǎo)致對水分虧缺的耐受性增加，但其基本機(jī)制尚不清楚。研究表明，番茄DELLA蛋白質(zhì)PROCERA（PRO），是GA信號傳導(dǎo)的負(fù)調(diào)節(jié)因子，在保衛(wèi)細(xì)胞中通過增加對脫落酸（ABA）的敏感性來促進(jìn)氣孔關(guān)閉并減少水分虧缺。pro功能喪失的突變體在缺水脅迫下表現(xiàn)出增加的氣孔導(dǎo)度和快速萎蔫。過表達(dá)植株組成型的激活穩(wěn)定的DELLA蛋白（S-della），并表現(xiàn)出相反的表型。S-della對氣孔開度和水分流失的影響在ABA缺失突變體sitiens（sit）中被強(qiáng)烈抑制，表明S-della的這些作用是ABA依賴性的。盡管DELLA對ABA水平?jīng)]有影響，但與野生型相比，S-della中的保衛(wèi)細(xì)胞ABA反應(yīng)性增加，而pro植物中的保衛(wèi)細(xì)胞ABA反應(yīng)性降低。在保衛(wèi)細(xì)胞特異性啟動子的控制下表達(dá)S-della足以增加氣孔對ABA的敏感性并在缺水脅迫下減少水分損失，但對葉片大小沒有影響。這一結(jié)果表明DELLA促進(jìn)氣孔關(guān)閉獨(dú)立于其對生長的影響。

關(guān)鍵詞：氣孔調(diào)節(jié)；DELLA蛋白；保衛(wèi)細(xì)胞；ABA

1. 番茄DELLA pro功能喪失的突變體在缺水條件下表現(xiàn)出快速失水

為了研究DELLA對植物水分狀況的影響，本文測試了DELLA功能喪失的番茄突變體pro（Bassel etal.2008）對缺水脅迫的反應(yīng)。在缺水處理開始之前，將所有植物灌溉至飽和。4d后，未灌溉的pro植株開始萎蔫，而對照植株生長正常（圖1A）。干旱處理開始后第4天，pro的葉片相對含水量（RWC）降低了30%；而M82降低了10%（圖 1B）。上午10點(diǎn)在pro植株中測得的氣孔導(dǎo)度比M82的值高50%（圖 1C）。使用稱重傳感器（蒸滲儀）監(jiān)測溫室中灌溉植株的全株蒸騰作用，同時(shí)記錄每株植物的每日稱重變化情況。Pro植株的每日蒸騰速率顯著高于M82植株的測量值（圖1D）。對取自灌溉中的pro和M82植株背面葉表皮的印記進(jìn)行顯微鏡分析顯示，pro(72 μm2) 植株的氣孔面積遠(yuǎn)大于M82植株(37μm2；圖1E)。 pro氣孔略大于M82，二者密度相近（補(bǔ)充圖1）。這些結(jié)果表明，在pro中觀察到的快速失水是由于氣孔孔隙面積增加，進(jìn)而導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度和蒸騰作用增加。

圖2. DELLA 活性促進(jìn)保衛(wèi)細(xì)胞對 ABA 的反應(yīng)

在灌溉與缺水條件下M82、pro和proΔ17葉片中的ABA含量沒有顯著差異（圖 5A），表明DELLA不會促進(jìn)番茄葉片中ABA的積累。用不同濃度的ABA處理M82、pro和rgaΔ17葉片的去皮遠(yuǎn)軸表皮條，發(fā)現(xiàn)三種植株的氣孔孔徑均有不同程度的減小，這些結(jié)果表明DELLA活性影響保衛(wèi)細(xì)胞對ABA的反應(yīng)。除了對氣孔關(guān)閉的影響外，ABA 還促進(jìn)基因表達(dá)，P5CS1和RAB18兩種基因在proΔ17保衛(wèi)細(xì)胞中的表達(dá)顯著高于M82（圖 5D 和 5E），表明S-della組成性地促進(jìn)保衛(wèi)細(xì)胞中的 ABA反應(yīng)。在H2O2積累的檢測中，proΔ17保衛(wèi)細(xì)胞對ABA的反應(yīng)明顯強(qiáng)于M82。在所有的M82、pro 和 proΔ17檢查品系中山梨糖醇造成的氣孔關(guān)閉程度相近（圖5F），結(jié)果表明DELLA活性不參與ABA獨(dú)立的氣孔關(guān)閉。

Plantarray高通量植物生理表型平臺和植物逆境生物學(xué)生理研究平臺--番茄研究2

Plantarray高通量植物生理表型平臺和植物逆境生物學(xué)生理研究平臺--番茄研究3

Plantarray高通量植物生理表型平臺和植物逆境生物學(xué)生理研究平臺--番茄研究4

Plantarray高通量植物生理表型平臺和植物逆境生物學(xué)生理研究平臺--番茄研究5

Plantarray高通量植物生理表型平臺和植物逆境生物學(xué)生理研究平臺-西紅柿研究6