作物、植物表型組學(xué)研究

WIWAM高通量植物表型成像系統(tǒng)由比利時(shí)SMO公司與Ghent大學(xué)VIB研究所研制生產(chǎn)，整合了LED植物智能培養(yǎng)、自動(dòng) 化控制系統(tǒng)、葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)量分析、植物熱成像分析、植物近紅外成像分析、植物高光譜分析、植物多光譜分 析、植物CT斷層掃描分析、自動(dòng)條碼識(shí)別管理、RGB真彩3D成像等多項(xiàng)*技術(shù)，以較優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)大量植物樣 品——從擬南芥、玉米到各種其它植物的生理生態(tài)與形態(tài)結(jié)構(gòu)成像分析，用于高通量植物表型成像分析測(cè)量、植 物脅迫響應(yīng)成像分析測(cè)量、植物生長(zhǎng)分析測(cè)量、生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識(shí)別及植物生理生態(tài)分析研究等。

室內(nèi)植物表型成像系統(tǒng)WIWAM Line

WIWAM葉綠素?zé)晒獬上衲K是革新性的植物葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)，是專門針對(duì)整個(gè)植株成像的相機(jī)系統(tǒng)，成像方式為遠(yuǎn)程成像，高分辨率和高速成像。生成圖像提供了光合作用性能信息。該模塊有兩種版本: 高分辨率版本和高速版本。同時(shí)配有分析軟件，可為科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用提供少有的解決方案。所依據(jù)的原理是基于持續(xù)激發(fā)成像熒光計(jì)，用以測(cè)量Kautskyis響應(yīng)曲線。采用了高能紅燈來(lái)使光合作用飽和，通過(guò)使用敏感相機(jī)，在不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)相應(yīng)曲線成像以測(cè)量F0和Fm。依賴于所拍攝圖像的有效信號(hào)/噪音比，相機(jī)積分時(shí)間是從20µs-1ms。紅光燈的典型照射強(qiáng)度是1000-5000µmol/(m2s)。

WIWAM葉綠素?zé)晒獬上衲K的版本

1.高分辨率版

此版本特點(diǎn)是高分辨率，成像可達(dá)1.4Mp,14bitA/D模數(shù)轉(zhuǎn)化生成16384灰度值/像素以及15幀/秒。距離在80cm時(shí)，成像面積直徑達(dá)到50cm。相機(jī)可以用于單株植物詳細(xì)成像或?qū)M南芥植物的多個(gè)小植株成像在一起。

2.高速版

此版本專為在高幀速拍攝響應(yīng)曲線設(shè)計(jì)。每秒可拍攝380幀圖想，分辨率可達(dá)320×240像素，14bit的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)化。

WIWAM葉綠素?zé)晒獬上衲K應(yīng)用

高通量篩查: 在此類應(yīng)用中，系統(tǒng)安裝在植物傳送帶上方(頂視)或側(cè)面(側(cè)視)。系統(tǒng)拍攝圖像需要400ms，計(jì)算光合性能。這意味著其可以典型的每小時(shí)4000株植物的速度來(lái)篩查植物。

多熒光成像：研究上，系統(tǒng)可配備拓展濾波輪，于不同熒光波段成像。客戶可濾波輪。有15種濾波輪供備選(1英寸光學(xué)濾波）多光譜成像：另外應(yīng)用是光譜成像。這樣可使用用于熒光成像的相同相機(jī)拍攝光譜圖像。第二濾波輪利用白燈可使用15個(gè)不同光譜波段。除了光譜圖像，也可拍攝彩色圖像(RGB)。

多熒光和光譜成像：光譜和熒光多波段成像可集成在一個(gè)相機(jī)系統(tǒng)中。此CropReporter系統(tǒng)可在例如12個(gè)波段測(cè)量多熒光圖像，3彩濾波(RGB)以及15種不同光譜波段。總共可達(dá)30個(gè)濾波輪。依據(jù)客戶要求，還可提供其它濾波組合。

紅掌植物彩圖

紅掌植物葉綠素?zé)晒鈭D

紅掌植物Fv/Fm圖

科研背景介紹

植物生長(zhǎng)、活力以及品質(zhì)主要依賴于其水分吸收、營(yíng)養(yǎng)、二氧化碳以及光合作用中光的作用。光合作用中，生成了糖和淀粉。光在此過(guò)程中作用非常關(guān)鍵，因光吸收累積了化學(xué)能，是植物生長(zhǎng)的能量來(lái)源。脅迫條件，如干旱，惡劣溫度、病害，害蟲、除草劑以及營(yíng)養(yǎng)缺乏會(huì)降低其生長(zhǎng)速度。

光合作用

通過(guò)測(cè)量光合作用中的光吸收利用程度，植物的監(jiān)控，活力以及品質(zhì)可以數(shù)字表述：光合作用效率。該數(shù)字指示了多少的光轉(zhuǎn)化到生長(zhǎng)當(dāng)中。植物可達(dá)到83%的光合效率。只意味著達(dá)83%的葉綠素捕獲光真正用于光合作用，用于糖和淀粉生產(chǎn)。當(dāng)光合作用不起作用時(shí)，光合效率為零，沒(méi)有光被吸收用于光合作用。

葉綠素?zé)晒?/strong>

植物體內(nèi)的葉綠素在光照射時(shí)發(fā)出熒光。這意味著一旦植物被紅光照射，植物發(fā)射出較深顏色的紅彩色。 使用鏡頭中的光學(xué)濾波輪，可以拍攝熒光圖片。采用特殊測(cè)量程序，可從這些熒光信號(hào)計(jì)算光合效率。

Over expression of F-Box Nictaba Promotes Defense and Anthocyanin Accumulation in Arabidopsis thaliana After Pseudomonas syringae Infection

丁香假單胞菌感染后F-Box-Nictaba的過(guò)度表達(dá)促進(jìn)擬南芥的防御和花青素積累

丁香假單胞菌。番茄DC3000（Pst DC3000）是一種著名的病原菌和模式生物，用于研究植物與病原菌的相互作用和隨后的植物免疫反應(yīng)。許多研究已經(jīng)證明了Pst DC3000對(duì)擬南芥植物的作用，以及III型效應(yīng)物是如何促進(jìn)細(xì)菌毒力和致病機(jī)理的。F-Box-Nictaba（由At2g02360編碼）是一種脅迫誘導(dǎo)凝集素，在Pst DC3000感染后在擬南芥葉片中上調(diào)。在本研究中，優(yōu)化了接種試驗(yàn)，以檢查細(xì)菌感染后不同表達(dá)水平F-Box-Nictaba的轉(zhuǎn)基因擬南芥幼苗的性能。利用多光譜和熒光成像結(jié)合分子技術(shù)，研究了感染兩種毒力菌株（Pst DC3000及其鞭毛蛋白1fliC缺陷突變株）的擬南芥葉片中的疾病癥狀、F-Box Nictaba轉(zhuǎn)錄水平和疾病相關(guān)基因。對(duì)感染熒光標(biāo)記Pst DC3000的植物的分析使我們能夠研究植物系之間細(xì)菌定植的差異。在感染后期，過(guò)表達(dá)植株的細(xì)菌含量降低。我們的研究結(jié)果表明，F(xiàn)-Box-Nictaba的過(guò)度表達(dá)可減少細(xì)菌感染后的葉片損傷，而基因敲除和基因敲除系并不比野生型植物更容易受到假單胞菌感染。與野生型和敲除型植物相比，F(xiàn)-Box Nictaba的過(guò)表達(dá)株系在Pst DC3000感染后花青素含量顯著增加，光系統(tǒng)II（Fv/Fm）效率更好，葉綠素含量更高。F-Box-Nictaba的過(guò)度表達(dá)與水楊酸（SA）相關(guān)防御基因的表達(dá)增加一致，證實(shí)了早期數(shù)據(jù)顯示F-Box-Nictaba是SA依賴性防御Pst DC3000感染的一部分。在假單胞菌感染后，敲除系對(duì)植物癥狀沒(méi)有明顯影響，表明F-BoNictaba基因之間可能存在基因冗余。

圖1.轉(zhuǎn)基因品系中的F-BoxNictaba轉(zhuǎn)錄水平

在15天齡的幼苗中對(duì)F-Box Nictaba的轉(zhuǎn)錄水平進(jìn)行了量化（圖1）。過(guò)度表達(dá)系OE4和OE6顯示F-Box Nictaba的轉(zhuǎn)錄水平分別增加93倍和468倍。相反，與野生型植物相比，基因敲除系（KD）顯示F-Box-Nictaba水平下調(diào)10倍。敲除系KO2中F-Box Nictaba的轉(zhuǎn)錄水平與野生型植物沒(méi)有差異。這可能是因?yàn)橐餂](méi)有覆蓋缺失區(qū)域，但是RNA轉(zhuǎn)錄本會(huì)產(chǎn)生一個(gè)缺陷蛋白。

圖2.與模擬處理的植物相比，Pst DC3000 感染對(duì)接種后3天的17天齡擬南芥植物中的蓮座叢大小、光系統(tǒng)II效率(Fv/Fm)和葉綠素含量 (ChlIdx) 的影響

用PstDC3000感染14天大的擬南芥植物，并在接種后3天進(jìn)行分析，以確定細(xì)菌感染對(duì)三種不同植物參數(shù)的影響：蓮座大小、光系統(tǒng)II的效率和葉綠素含量（圖 2-4）。過(guò)表達(dá)F-Box Nictaba的植物的花環(huán)明顯小于在相同條件下生長(zhǎng)的野生型植物的花環(huán)（圖 2）。 KD和npr1-1 植物呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。相比之下，敲除系KO2和KO5產(chǎn)生更大的玫瑰花結(jié)。當(dāng)植物被PstDC3000感染時(shí)，所研究的所有植物品系的蓮座大小都顯著減小，這是感染的一種癥狀。細(xì)菌感染后，OE4、OE6和KD植物的花環(huán)仍顯著小于WT植物的花環(huán)。

圖3、4模擬處理和Pst DC3000接種后3天擬南芥花環(huán)的多光譜圖像

在模擬處理的和PstDC3000感染的植物中分析了花青素含量（圖3、4）。野生型和轉(zhuǎn)基因植物之間的比較分析表明，KO5、KD和npr1-1的 mARI水平低于模擬處理的野生型。在相同條件下，過(guò)表達(dá)株系的mARI值高于KD、KO2、KO5和npr1-1植物。在Pst DC3000感染后，OE4和OE6系均顯示出增加的mARI水平，而在野生型和KO2植物中降低。KD植物在模擬植物中顯示出顯著較低mARI 水平，但與OE系相似感染后花青素水平顯著高于野生型植物。但感染并沒(méi)有增加KD植物中的花青素含量。在同一株系中，模擬處理后KO株系的花青素含量低于野生型植物，但這些KO株系在感染后的 mARI水平?jīng)]有顯著變化。

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