利用Plantarray高通量植物生理表型平臺(tái)研究轉(zhuǎn)基因番茄

Plantarray是一款基于稱重的高通量、多傳感器生理表型平臺(tái)以及植物逆境生物學(xué)研究通用平臺(tái)。該系統(tǒng)可持續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量位于不同環(huán)境條件下、陣列中每個(gè)植株的土壤-植物-空氣（SPAC）中的即時(shí)水流動(dòng)。直接測(cè)量根系和莖葉系統(tǒng)水平衡和生物量增加，計(jì)算植物生理參數(shù)以及植物對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的反饋。系統(tǒng)以有效、易用、無損的方式針對(duì)植物對(duì)不同處理的反應(yīng)、預(yù)測(cè)植物生長(zhǎng)和生產(chǎn)力進(jìn)行定量比較，廣泛應(yīng)用于生物脅迫和非生物脅迫以及植物栽培加速育種研究等，脅迫研究涵蓋干旱脅迫、鹽脅迫、重金屬脅迫、熱、冷脅迫、光脅迫以及灌溉/養(yǎng)分、CO2指示、植物健康等領(lǐng)域的研究。

之前的研究表明降低赤霉素 (GA) 的水平或信號(hào)能夠促進(jìn)植物對(duì)環(huán)境脅迫（包括干旱）的耐受性，但潛在機(jī)制尚未明確。在本文中研究了活性 GAs 水平降低對(duì)番茄 (Solanum lycopersicum) 植株耐旱性的影響以及造成這些影響的機(jī)制。為了降低活性 GAs 水平，我們培育了過度表達(dá)擬南芥GA甲基轉(zhuǎn)移酶1（AtGAMT1）基因的轉(zhuǎn)基因番茄。 AtGAMT1 編碼的一種酶，可催化活性 GA 的甲基化以生成無活性的 GA 甲酯。過度表達(dá) AtGAMT1 的番茄植株表現(xiàn)出典型的 GA 缺乏表型特征以及對(duì)干旱脅迫的耐受性增加。 GA應(yīng)用于轉(zhuǎn)基因植物恢復(fù)了正常生長(zhǎng)和對(duì)干旱的敏感性。在干旱條件下，轉(zhuǎn)基因植株由于全株蒸騰作用的減少而保持了較高的葉片水分狀態(tài)，氣孔導(dǎo)度的降低造成了蒸騰作用的降低。 GAMT1的過度表達(dá)抑制了葉表皮細(xì)胞的增殖，導(dǎo)致氣孔減少而形成更小的氣孔毛孔。在干旱條件下，GA活性降低、蒸騰作用減少的植物可能較少遭受葉片干旱，從而保持較高的能力和恢復(fù)率。

關(guān)鍵詞：干旱脅迫；GAMT1；番茄；蒸騰

圖1. 在灌溉和干旱脅迫下，AtGAMT1過度表達(dá)降低了整個(gè)植株的蒸騰作用

圖1表明與對(duì)照植物相比，蒸騰作用降低的轉(zhuǎn)基因植株可以更緩慢地利用土壤中的水分，因此持續(xù)的時(shí)間更長(zhǎng)。通過實(shí)驗(yàn)確定蒸騰作用的降低以及土壤中水分利用率的增加是 GAMT1 過表達(dá)植株對(duì)干旱耐受性增加的原因。

圖2. AtGAMT1過度表達(dá)減少了葉片大小，增加了氣孔密度

葉面積減少（圖2）可能是轉(zhuǎn)基因植物整株蒸騰量降低的主要原因。盡管 AtGAMT1 的過表達(dá)對(duì)葉片數(shù)量沒有影響，但它減緩了小葉葉片的生長(zhǎng)，所有轉(zhuǎn)基因品系的整株葉面積都小于對(duì)照植物的葉面積（圖2）。用顯微鏡分析了葉背面的表皮組織，該分析顯示所有轉(zhuǎn)基因品系中的氣孔密度高于對(duì)照葉片中的氣孔密度。轉(zhuǎn)基因株系的氣孔面積與其表型嚴(yán)重程度和全株蒸騰速率密切相關(guān)。以上結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因植株中蒸騰速率的降低是由于氣孔導(dǎo)度的降低造成的。