Plantarray高通量植物生理表型平台：番茄如何避免缺水的损害

Plantarray是一款基于称重的高通量、多传感器生理表型平台以及植物逆境生物学研究通用平台。该系统可持续、实时测量位于不同环境条件下、阵列中每个植株的土壤-植物-空气（SPAC）中的即时水流动。直接测量根系和茎叶系统水平衡和生物量增加，计算植物生理参数以及植物对动态环境的反馈。系统以有效、易用、无损的方式针对植物对不同处理的反应、预测植物生长和生产力进行定量比较，广泛应用于生物胁迫和非生物胁迫以及植物栽培加速育种研究等，胁迫研究涵盖干旱胁迫、盐胁迫、重金属胁迫、热、冷胁迫、光胁迫以及灌溉/养分、CO₂指示、植物健康等领域的研究。

植物采用气孔关闭和减少生长以避免缺水的损害。生长促进激素赤霉素（GA）的水平降低导致对水分亏缺的耐受性增加，但其基本机制尚不清楚。研究表明，番茄DELLA蛋白质PROCERA（PRO），是GA信号传导的负调节因子，在保卫细胞中通过增加对脱落酸（ABA）的敏感性来促进气孔关闭并减少水分亏缺。pro功能丧失的突变体在缺水胁迫下表现出增加的气孔导度和快速萎蔫。过表达植株组成型的激活稳定的DELLA蛋白（S-della），并表现出相反的表型。S-della对气孔开度和水分流失的影响在ABA缺失突变体sitiens（sit）中被强烈抑制，表明S-della的这些作用是ABA依赖性的。尽管DELLA对ABA水平没有影响，但与野生型相比，S-della中的保卫细胞ABA反应性增加，而pro植物中的保卫细胞ABA反应性降低。在保卫细胞特异性启动子的控制下表达S-della足以增加气孔对ABA的敏感性并在缺水胁迫下减少水分损失，但对叶片大小没有影响。这一结果表明DELLA促进气孔关闭独立于其对生长的影响。

关键词：气孔调节；DELLA蛋白；保卫细胞；ABA

1. 番茄DELLA pro功能丧失的突变体在缺水条件下表现出快速失水

为了研究DELLA对植物水分状况的影响，本文测试了DELLA功能丧失的番茄突变体pro（Bassel etal.2008）对缺水胁迫的反应。在缺水处理开始之前，将所有植物灌溉至饱和。4d后，未灌溉的pro植株开始萎蔫，而对照植株生长正常（图1A）。干旱处理开始后第4天，pro的叶片相对含水量（RWC）降低了30%；而M82降低了10%（图 1B）。上午10点在pro植株中测得的气孔导度比M82的值高50%（图 1C）。使用称重传感器（蒸渗仪）监测温室中灌溉植株的全株蒸腾作用，同时记录每株植物的每日称重变化情况。Pro植株的每日蒸腾速率显著高于M82植株的测量值（图1D）。对取自灌溉中的pro和M82植株背面叶表皮的印记进行显微镜分析显示，pro(72 μm2) 植株的气孔面积远大于M82植株(37μm2；图1E)。 pro气孔略大于M82，二者密度相近（补充图1）。这些结果表明，在pro中观察到的快速失水是由于气孔孔隙面积增加，进而导致气孔导度和蒸腾作用增加。

图2. DELLA 活性促进保卫细胞对 ABA 的反应

在灌溉与缺水条件下M82、pro和proΔ17叶片中的ABA含量没有显着差异（图 5A），表明DELLA不会促进番茄叶片中ABA的积累。用不同浓度的ABA处理M82、pro和rgaΔ17叶片的去皮远轴表皮条，发现三种植株的气孔孔径均有不同程度的减小，这些结果表明DELLA活性影响保卫细胞对ABA的反应。除了对气孔关闭的影响外，ABA 还促进基因表达，P5CS1和RAB18两种基因在proΔ17保卫细胞中的表达显著高于M82（图 5D 和 5E），表明S-della组成性地促进保卫细胞中的 ABA反应。在H2O2积累的检测中，proΔ17保卫细胞对ABA的反应明显强于M82。在所有的M82、pro 和 proΔ17检查品系中山梨糖醇造成的气孔关闭程度相近（图5F），结果表明DELLA活性不参与ABA独立的气孔关闭。

Plantarray高通量植物生理表型平台和植物逆境生物学生理研究平台--番茄研究2

Plantarray高通量植物生理表型平台和植物逆境生物学生理研究平台--番茄研究3

Plantarray高通量植物生理表型平台和植物逆境生物学生理研究平台--番茄研究4

Plantarray高通量植物生理表型平台和植物逆境生物学生理研究平台--番茄研究5

Plantarray高通量植物生理表型平台和植物逆境生物学生理研究平台-西红柿研究6