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

Plant Phenomics | 使用高通量表型技術(shù)評估擬南芥中熱應(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。熱脅迫會導(dǎo)致植物在所有生長階段的性能和生產(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，目前對熱應(yīng)激現(xiàn)象的研究主要集中在評估種子早期發(fā)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(shù)針對營養(yǎng)生長階段熱應(yīng)激反應(yīng)的研究表明，營養(yǎng)生長階段的耐熱性有助于生殖生長階段的適應(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階段均有耐熱性的種質(zhì)資源，對于確保未來的食品可持續(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(fā)芽情況。由于耐熱性的表達(dá)依賴于多個過程，因此通過統(tǒng)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(yīng)的復(fù)雜性。通過非破壞性的方法（如采集可見光、熱成像、葉綠素?zé)晒鈭D像等）連續(xù)監(jiān)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(yīng)的生理反應(yīng)。自動化且受環(huán)境控制的系統(tǒng)能夠在單個實驗中高效地監(jiān)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(xué)的Ge Gao等在Plant Phenomics發(fā)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(diào)查了使用可見光、動態(tài)葉綠素?zé)晒夂图t外成像技術(shù)評估擬南芥中熱應(yīng)激反應(yīng)的可行性(Figure 1(b))；并根據(jù)觀察到的多個性狀的顯著變化，為擬南芥植物的營養(yǎng)生長期開發(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)時間點植株大小的增加存在對應(yīng)關(guān)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(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)和美國科學(xué)促進(jìn)會（AAAS）合作創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)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(xué)交叉學(xué)科熱點領(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。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)庫收錄。

 

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