PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)應(yīng)用
——衰老與防御途徑對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)的貢獻(xiàn)
雜交在促進(jìn)作物生長(zhǎng)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(jī)制仍然不是很清楚。最新的證據(jù)表明，水楊酸水平降低調(diào)節(jié)的相關(guān)基因表達(dá)，會(huì)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(guó)立大學(xué)等科研機(jī)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(cè)擬南芥的生長(zhǎng)過(guò)程。系統(tǒng)中的RGB成像單元可以在采集彩色圖像的過(guò)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?jiǎng)t可以記錄其鮮重的變化。
在對(duì)擬南芥的衰老過(guò)程進(jìn)行評(píng)估時(shí)，RGB成像單元的色彩分析功能可以通過(guò)葉片顏色的變化對(duì)衰老程度進(jìn)行定量和分級(jí)。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(guò)葉片顏色是無(wú)法真正反映衰老過(guò)程的生理變化尤其是光合生理變化，同時(shí)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(jiǎng)t完美解決了這一問(wèn)題。通過(guò)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(guò)得真實(shí)的葉綠素分布面積（下圖A左）。測(cè)量得到的PSII最大光化學(xué)效率（Fv/Fm），既可以反映葉片衰老過(guò)程中光合能力的變化，同時(shí)也可以識(shí)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(shí)配合PlantScreen系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)量與分析功能，就可以計(jì)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(zhǎng)階段（下圖C）。
在中國(guó)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?yàn)橄嚓P(guān)研究提供最有力的科研工具。
中國(guó)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
