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PlantScreen植物表型成像分析系统应用——气孔运动调节机制与相关表型分析

PlantScreen植物表型成像分析系统应用——气孔运动调节机制与相关表型分析

PlantScreen植物表型成像分析系统应用——气孔运动调节机制与相关表型分析

叶片表面的保卫细胞能够调节气孔开放,从而使植物与大气间进行气体交换,让植物的光合作用与蒸腾作用之间达到平衡。保卫细胞的新陈代谢活性又主要依赖来源于叶肉的糖分。而参与到这一过程中的转运蛋白及其对保卫细胞功能的贡献还不清楚。

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苏黎世联邦理工学院、苏黎世大学与捷克Photon Systems Instruments (PSI)公司合作,证实了在拟南芥保卫细胞中,单糖/质子协同转运子糖转运蛋白1和4(STP1和STP4)是主要的质膜转运蛋白。结果表明它们的共同作用需要葡萄糖输入到保卫细胞,提供淀粉积累和光诱导气孔打开所需的碳源。这一研究成果作为封面文章发表于2020年《EMBO Reports》。

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Astp1stp4双突变体保卫细胞可溶性糖含量显著变化;B. 淀粉粒消失

而为了深刻理解这种气孔运动变化对植物光合与生长的影响,就需要对各种相关拟南芥突变体表型进行全面的综合分析。研究人员使用了PSI植物表型研究中心的PlantScreen植物表型成像分析系统完成了这一工作。这一系统安装在FytoScope大型步入式植物生长室内,同时具备光适应室和称重浇灌单元,能够精确模拟各种植物培养环境。其自动化传送系统可以实现320株高50cm样品的同步培养和自动化成像测量。这套系统配置的表型成像分析单元包括:

成像单元

获取表型数据

叶绿素荧光成像单元

植物光合生理表型:Fv/Fm、QY(ΦPSII)、Fv’/Fm’NPQqP

RGB真彩形态学成像单元

形态学表型:株高、株宽、叶面积、生长动态分析、色彩分析等

VNIR(Visible-near-infrared,可见光-近红外)高光谱成像单元

反射光谱表型:反射光谱曲线、植被指数(NDVI、PRI、CRI、ARI等)

红外热成像单元

叶片温度、冠层温度

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糖转运蛋白stp突变体造成拟南芥气孔关闭后,最直接影响到的就是拟南芥的蒸腾作用,进而使光照条件下的叶片温度升高。红外热成像分析表明,各种stp突变体的叶温都比野生型有所升高。stp1stp4叶温升高尤其显著,这表明其气孔闭合程度最大。测量气孔导度gs进一步验证了这一点。

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A.不同拟南芥突变体的红外热成像图;B. 归一化叶片温度变化曲线;C. 不同光暗条件下的气孔导度gs变化

    VNIR高光谱成像获得的归一化植被指数NDVI是遥感和表型研究中最常用的植被指数。NDVI与叶绿素含量具备正相关关系,也常被用来估算叶绿素含量。结果表明,stp1stp4的NDVI与其他突变体和野生型是可比的。基于RGB成像色彩分析功能获得的绿度色彩丰富度,也表明在绿度分布上stp1stp4与其他突变体和野生型也没有显著差异。这表明stp1stp4突变体还是具备完整功能的光合机构。

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A.VNIR高光谱成像获得的NDVI成像图;B. NDVI变化曲线;C-E. 基于RGB成像色彩分析功能的绿度色彩丰富度

而叶绿素荧光成像结果表明,stp1stp4的光系统II最大光化学效率Fv/Fm、实际光化学效率ΦPSII、光适应最大光化学效率Fv’/Fm’,光化学淬灭qP等光合能力相关参数都有显著降低。

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A.实际光化学效率ΦPSII成像图;B. ΦPSII变化曲线

    RGB形态表型分析结果,与野生型相比,stp1stp4突变体的生长减少了60%,而且生长速率也要更低。而其他突变体的生长最多只降低20%。

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I. RGB成像图;J. 投影莲座面积变化曲线

这一研究工作充分利用了PlantScreen植物表型成像分析系统的优势:高通量样品自动培养与测量、无损表型成像功能实现了对同一植株的连续跟踪测量、最全面的表型分析数据(形态、光合、反射光谱、温度)

综合表型分析结果,研究人员认为STP1STP4基因的同时突变造成拟南芥散布性气孔限制,使叶肉光合作用所需的CO2有效性降低。这就解释了stp1stp4突变体光合能力降低、叶肉碳水化合物代谢变化,以及最后导致的生长表型缺陷。

参考文献:

Flütsch S, et al. 2020. Glucose uptake to guard cells via STP transporters provides carbon sources for stomatal opening and plant growth. EMBO Reports 21:e49719

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lThermo-RGB红外热成像技术

lSpectraPen/PolyPen、Specim高光谱测量技术

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