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FluorCam葉綠素熒光成像技術:作物基因功能與調控機制研究

FluorCam葉綠素熒光成像技術:作物基因功能與調控機制研究

2021年中央一號文件提出了解決種源卡脖子問題的要求。而開發更加優質高效的作物品種和先進的栽培技術,解決種源“卡脖子”問題,一個非常重要的研究方向是將植物基因組學與表型組學進行結合來進行育種工作。一方面,作物基因的功能與調控機制必須進行相關的表型驗證,才能確定其確實具備相應的功能,比如光合能力變化、抗逆性調控等;另一方面,也可以通過對優良表型的篩選,獲得可穩定遺傳的基因型。

FluorCam葉綠素熒光成像技術作為最重要的表型成像分析技術之一,在作物基因功能與調控機制研究上都有大量應用。下面僅列舉2020年發表的部分文獻案例:

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圣路易斯華盛頓大學在研究玉米在固碳饑餓狀態下的自體吞噬回收過程時應用了綜合多組學分析方法FluorCam葉綠素熒光成像技術作為最具代表性的光合表型研究技術正適合這一研究。通過對核心自體吞噬組分ATP12缺乏突變體的多組學分析發現固碳饑餓會造成氨基酸碳水化合物核酸相關代謝物的極大變化但通過FluorCam測量得到最小葉綠素熒光F0和最大葉綠素熒光FmaxFm)則表明,固碳饑餓只會對光合作用造成最低限度的影響這一研究成果發表于2020年《the Plant Cell》。

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左圖:對玉米野生型和atg12突變體進行固碳饑餓處理中圖固碳饑餓造成代謝組顯著變化右圖最小葉綠素熒光F0和最大葉綠素熒光Fmax表明固碳饑餓對光合作用造成的影響非常小

細胞分裂素對植物生長發育的方方面面都有調節作用。北卡羅來納大學使用CRISPR-Cas9基因編輯技術破壞了水稻的細胞分裂素組氨酸激酶(HK)受體,從而研究細胞分裂素在單子葉植物中的作用。結果表明,hk5hk6信號突變體影響了根系生長葉片寬度花序結構和花的發育等同時,運用FluorCam葉綠素熒光成像技術分析熒光衰減比率RFd,表明在經過3天暗處理后,缺少外源細胞分裂素時,hk5hk6信號突變體的RFd顯著低于野生型而在補充外源細胞分裂素時則表現出顯著的趨緩反應。從而證明細胞分裂素在水稻光合作用中發揮重要功能。這一研究發表于2020年《Development》。

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A-Dhk5hk6信號突變體的彩色成像根莖形態變化EF熒光衰減比率RFd熒光成像圖及數據比較

鈣調神經磷酸酶B亞基樣蛋白(CBL)和CBL互作蛋白激酶(CIPK)在植物非生物脅迫調控中扮演重要角色。華南農業大學通過轉基因方法使水稻過表達CdtCIPK5CdtCBL4,然后對轉基因水稻進行鹽脅迫、低溫脅迫和干旱脅迫處理。通過FluorCam葉綠素熒光成像系統測量的最大光化學效率Fv/Fm證明CdtCIPK5CdtCBL4過表達提高了水稻的鹽脅迫抗性但對低溫和干旱脅迫則沒有顯著作用。這一研究發表于2020年《Environmental and Experimental Botany》。

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鹽脅迫處理后轉基因水稻的彩色成像、相對水分含量、葉綠素濃度、Fv/Fm數據和葉綠素熒光成像圖左圖CdtCIPK5過表達水稻右圖CdtCBL4過表達水稻

華中農業大學研究了一種水稻突變體osatp4。這種突變體缺乏一種玉米PPR-SMR蛋白ATP4的同源基因20℃低溫處理后,在表型上來說,osatp4突變體會表現出萎黃病。而通過FluorCam葉綠素熒光成像則證明20低溫下osatp4突變體的最大光化學效率Fv/Fm顯著低于野生型這表明ATP4是與水稻的低溫響應和光合機制相關的進一步研究發現ATP4會促進葉綠體rps8mRNA的編輯。這一研究成果發表于2020年《Plant Physiology》。

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左圖:20℃低溫處理下osatp4突變體與野生型的形態表型右圖低溫處理前后osatp4突變體與野生型的Fv/Fm葉綠素熒光成像圖及數據

參考文獻:

1.?McLoughlin?F, et al.?2020.Autophagy Plays Prominent Roles in Amino Acid, Nucleotide, and Carbohydrate Metabolism during Fixed-Carbon Starvation in Maize. The Plant Cell 32: 2699–2724

2.?Burr?CA, et al.?2020.The HK5 and HK6 cytokinin receptors mediate diverse developmental pathways in rice. Development 147: dev191734

3.?Huang?S, et al.?2020.CBL4-CIPK5 pathway confers salt but not drought and chilling tolerance by regulating ion homeostasis. Environmental and Experimental Botany179:?104230

4.?Zhang?J, et al.?2020.The PPR-SMR protein ATP4 is required for editing the chloroplast rps8 mRNA in rice and maize. Plant Physiology184: 2011–2021

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