PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)應用——氣孔運動調節(jié)機制與相關表型分析

葉片表面的保衛(wèi)細胞能夠調節(jié)氣孔開放，從而使植物與大氣間進行氣體交換，讓植物的光合作用與蒸騰作用之間達到平衡。保衛(wèi)細胞的新陳代謝活性又主要依賴來源于葉肉的糖分。而參與到這一過程中的轉運蛋白及其對保衛(wèi)細胞功能的貢獻還不清楚。

蘇黎世聯(lián)邦理工學院、蘇黎世大學與捷克Photon Systems Instruments (PSI)公司合作，證實了在擬南芥保衛(wèi)細胞中，單糖/質子協(xié)同轉運子糖轉運蛋白1和4（STP1和STP4）是主要的質膜轉運蛋白。結果表明它們的共同作用需要葡萄糖輸入到保衛(wèi)細胞，提供淀粉積累和光誘導氣孔打開所需的碳源。這一研究成果作為封面文章發(fā)表于2020年《EMBO Reports》。

A．stp1stp4雙突變體保衛(wèi)細胞可溶性糖含量顯著變化；B. 淀粉粒消失

而為了深刻理解這種氣孔運動變化對植物光合與生長的影響，就需要對各種相關擬南芥突變體表型進行全面的綜合分析。研究人員使用了PSI植物表型研究中心的PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)完成了這一工作。這一系統(tǒng)安裝在FytoScope大型步入式植物生長室內，同時具備光適應室和稱重澆灌單元，能夠準確模擬各種植物培養(yǎng)環(huán)境。其自動化傳送系統(tǒng)可以實現(xiàn)320株高50cm樣品的同步培養(yǎng)和自動化成像測量。這套系統(tǒng)配置的表型成像分析單元包括：

糖轉運蛋白stp突變體造成擬南芥氣孔關閉后，直接影響到的就是擬南芥的蒸騰作用，進而使光照條件下的葉片溫度升高。紅外熱成像分析表明，各種stp突變體的葉溫都比野生型有所升高。stp1stp4葉溫升高尤其顯著，這表明其氣孔閉合程度大。測量氣孔導度gs進一步驗證了這一點。

A．不同擬南芥突變體的紅外熱成像圖；B. 歸一化葉片溫度變化曲線；C. 不同光暗條件下的氣孔導度gs變化

    VNIR高光譜成像獲得的歸一化植被指數(shù)NDVI是遙感和表型研究中常用的植被指數(shù)。NDVI與葉綠素含量具備正相關關系，也常被用來估算葉綠素含量。結果表明，stp1stp4的NDVI與其他突變體和野生型是可比的。基于RGB成像色彩分析功能獲得的綠度色彩豐富度，也表明在綠度分布上stp1stp4與其他突變體和野生型也沒有顯著差異。這表明stp1stp4突變體還是具備完整功能的光合機構。

A．VNIR高光譜成像獲得的NDVI成像圖；B. NDVI變化曲線；C-E. 基于RGB成像色彩分析功能的綠度色彩豐富度

而葉綠素熒光成像結果表明，stp1stp4的光系統(tǒng)II大光化學效率Fv/Fm、實際光化學效率ΦPSII、光適應大光化學效率Fv’/Fm’，光化學淬滅qP等光合能力相關參數(shù)都有顯著降低。

A．實際光化學效率ΦPSII成像圖；B. ΦPSII變化曲線

    RGB形態(tài)表型分析結果，與野生型相比，stp1stp4突變體的生長減少了60%，而且生長速率也要更低。而其他突變體的生長多只降低20%。

I. RGB成像圖；J. 投影蓮座面積變化曲線

這一研究工作充分利用了PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)的優(yōu)勢：高通量樣品自動培養(yǎng)與測量、無損表型成像功能實現(xiàn)了對同一植株的連續(xù)跟蹤測量、全面的表型分析數(shù)據（形態(tài)、光合、反射光譜、溫度）。

綜合表型分析結果，研究人員認為STP1和STP4基因的同時突變造成擬南芥散布性氣孔限制，使葉肉光合作用所需的CO₂有效性降低。這就解釋了stp1stp4突變體光合能力降低、葉肉碳水化合物代謝變化，以及后導致的生長表型缺陷。

參考文獻：

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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