利用Plantarray高通量植物生理表型平臺研究鹽脅迫下煙草

Plantarray是一款基于稱重的高通量、多傳感器生理表型平臺以及植物逆境生物學研究通用平臺。該系統(tǒng)可持續(xù)、實時測量位于不同環(huán)境條件下、陣列中每個植株的土壤-植物-空氣（SPAC）中的即時水流動。直接測量根系和莖葉系統(tǒng)水平衡和生物量增加，計算植物生理參數(shù)以及植物對動態(tài)環(huán)境的反饋。系統(tǒng)以有效、易用、無損的方式針對植物對不同處理的反應、預測植物生長和生產(chǎn)力進行定量比較，廣泛應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、植物健康等領域的研究。

煙草(Nicotiana tabacum; C3)在非生物脅迫下提高了水分利用效率(WUE)，并在莖、葉柄和傳輸?shù)兰毎酗@示出C4植株的光合作用特征。煙草脅迫誘導的水通道蛋白(NtAQP1) 既是水分通道又是CO2 通道。在煙草植株中，NtAQP1 的過表達增加了葉片的凈光合作用 (AN)、葉肉 CO2 傳導率和氣孔導度，而其沉寂會降低根系水力傳導率 (Lp)。然而，在正常和脅迫條件下，NtAQP1葉片和根系活動之間的相互作用及其對植物水分利用效率和生產(chǎn)力影響的研究尚未被提及。因此，本研究的目的是提出NtAQP1在植物水分利用效率、抗逆性和生產(chǎn)力中的作用。在所有試驗條件下，在番茄 (Solanum lycopersicum) 植株(TOM-NtAQP1) 中表達 NtAQP1 會產(chǎn)生更高的氣孔導度、整株植物蒸騰作用和 AN。與對照相比，鹽脅迫下的L p 減少了3倍多，TOM-NtAQP1 植株與玉米（Zea mays；C4）相似，Lp并沒有顯著降低（僅降低約40%）。相互嫁接為 NtAQP1 在防止水力破壞和維持全株蒸騰速率方面的作

用提供了新的證據(jù)。本研究結(jié)果揭示了在根和葉中獨立但密切相關的 NtAQP1 活性。這種雙重活性增加了植物在最佳和脅迫條件下的用水量和AN，從而提高了WUE。因此，正如在組成型表達 NtAQP1 的番茄和擬南芥 (Arabidopsis thaliana) 中所示，它在所有測試條件下都有助于植物在產(chǎn)量方面的抗逆性。本文還討論了NtAQP1參與煙草類C4光合作用特性的可能性。

關鍵詞：煙草(Nicotiana tabacum)；NtAQP1；水分利用效率(WUE)；抗逆性

圖1. 在受控溫室中，正常灌溉和鹽脅迫下生長的TOM-NtAQP1和對照植物的全株日蒸騰速率和相對蒸騰速率

使用將VPD和植物葉面積測定統(tǒng)一化的多重蒸滲儀系統(tǒng)同時測量了所有TOM-NtAQP1和對照植物的每日蒸騰速率。在正常生長條件下，前者的日蒸騰速率高于對照植物（圖2A），以致全天的相對蒸騰水平顯著升高（圖2A）。總?cè)照趄v量由日蒸騰速率曲線下的面積確定。在鹽脅迫處理期間（圖2、B和C）以及隨后從鹽脅迫恢復期間（圖2D），TOM-NtAQP1和對照植物之間的蒸騰作用差異顯著。

2. 在正常和100 mM NaCl 灌溉下嫁接植物的每日蒸騰速率、gs和AN

NtAQP1在防止根莖水力衰竭和提高全株抗逆性方面的作用：一方面增加gs和蒸騰作用，同時在滲透脅迫條件下維持正常的根系Lp；另一方面，表明NtAQP1通道在全植物水力控制中具有雙重獨立的作用。為了估計NtAQP1的這些活性與每個在整個植物對脅迫響應中的相對重要性之間的關系，進行了相互嫁接實驗。同時測量所有嫁接植物的全株蒸騰速率和相對日蒸騰量，在正常和鹽處理下轉(zhuǎn)基因植物的蒸騰速率和相對日蒸騰量更高（圖2，A和B）。從中午開始，T/C 嫁接植物的全株每日蒸騰速率顯著降低，T/C 植物蒸騰速率的這種“午休"（在正常和鹽脅迫條件下均清楚可見）可能是由于氣孔關閉導致的。另外一種解釋可能是由于較高的gs和較低的Lp導致Lp失效。

為了估測在鹽脅迫下根水力信號對相互嫁接植株地上部分gs 和AN的相對影響，對嫁接植株的這二者進行了測量。測量分兩個時間段進行：上午（8:00–11:00 AM）和中午（11:00 AM–2:00 PM）。在上午時間段嫁接植物中檢測到的整株蒸騰速率（圖2B）或gs或AN沒有變化（圖2，C和E）。然而在中午期間，除了T/T植物外，所有植物存在蒸騰速率的中斷（圖2B）。雖然 C/C和C/T植物的氣孔關閉可以解釋整株蒸騰速率的降低，但這并不能解釋T/C植物的高gs和AN值，它們?nèi)匀桓哂趯φ詹⑴cT/T 植物類似（圖2、D和F）：與C/C或C/T植物相比，T/T和T/C植物保持相似且明顯更高的gs和A值。