WIWAM植物表型成像系统由比利时SMO公司与GHent大学VIB研究所研制生产，整合了LED植物只能培养、自动化控制系统、叶绿素荧光成像测量分析、植物热成像分析、植物近红外成像分析、植物高光谱分析、植物多光谱分析、植物CT断层扫描分析、自动条码识别管理、RGB真3D成像等多项*技术，以优化的方式实现大量植物样品以优化的方式实现大量植物样品——从拟南芥、水稻、玉米到各种其它植物的生理生态与形态结构成像分析，用于高通量植物表型成像分析测量、植物胁迫响应成像分析测量、植物生长分析测量、生态毒理学研究、性状识别及植物生理生态分析研究等。
拟南芥种质的分布施加了不同类型的进化压力，这有助于这些种质对环境胁迫的各种反应。干旱胁迫反应已经得到很好的研究，特别是在哥伦比亚的一种常见拟南芥种质。然而，对干旱胁迫的反应是复杂的，我们对这些反应中哪些有助于植物对轻度干旱的耐受性的理解是非常有限。本文研究了自然种质在早期叶片发育过程中在生理和分子水平上对轻度干旱的反应机制。记录了自然种质之间轻度耐旱性的差异，并使用干旱敏感种质 ICE163 和耐旱种质 Yeg-1 的转录组测序来深入了解这种耐受性的潜在机制。这表明ICE163 优先诱导茉莉酸和花青素相关途径，这有利于生物胁迫防御，而Yeg-1 更明显地激活脱落酸信号，即经典的非生物胁迫反应。还研究了相关的生理特征，包括脯氨酸、花青素和 ROS 的含量、气孔关闭和细胞叶参数，并将其与转录反应相关联。结论是这些过程中的大多数构成了一般干旱响应机制，在耐旱和敏感的种质中受到类似的调控。然而，在轻度干旱下关闭气孔和维持细胞扩张的能力似乎是在轻度干旱下促进叶片更好生长的主要因素。
图1.不同拟南芥种质在轻度干旱下表现出不同的叶片生长减少
为了探索拟南芥的遗传多样性如何影响对轻度干旱胁迫的反应，我们在自动称重、成像和浇水机（WIWAM）上筛选了来自不同来源的15份自然材料（图1A）。当第三片真叶（L3）开始出现时，在层积（DAS）后6天开始对一半植株进行轻度干旱（MD）处理。另一半的植物保持在充分浇水（WW）的条件下作为对照。在22 DAS收获植株，并测量成熟L3的面积。在WW条件下，各材料的平均叶面积（LA）已经有所不同（图1），但除EY15-2外，所有材料在MD条件下的LA相对显著减少（图1B）。值得注意的是，LA的减少程度因加入量的不同而有很大差异，从14%到61%不等（图1B，补充表S2）。在WW条件下，对MD的敏感性并不取决于叶片的大小，因为WW条件下的LA与MD的相对减少之间没有相关性。我们鉴定了干旱敏感材料，如Oy-0、Ler-0、ICE97和ICE163，以及更具耐旱性的材料，包括C24、Yeg-1、An-1、Sha和EY15-2。
图2.轻度干旱胁迫下脯氨酸、花青素和活性氧的积累
通过在WW和MD条件下进行3,3-二氨基联苯胺 (DAB) 染色来检查 H2O2的丰度。除了EY15-2和ICE163（图2A），在MD下的大多数种质的子叶中，H2O2水平（可视化为深棕色沉淀物）增加。然而没有观察到耐受和敏感种质之间一致的显著差异。为了保持ROS的稳态，植物进化出复杂的酶促和非酶促抗氧化系统，已知脯氨酸积累在非生物胁迫中发挥积极作用。除了脯氨酸外，在本文的GO分析中，花青素相关基因的比例过高。因为脯氨酸和花青素都能够清除 ROS，我们在保水后五天测量了它们在幼苗中的丰度。除了Sha外，大多数种质在MD处理后积累的脯氨酸水平相似（图2B）。另一方面，花青素测量显示，积累较少H2O2 的生态型，ICE163和EY15-2，在MD期间花青素含量显着增加（图2C）。这些结果表明，在我们的MD条件下，花青素可有效抵消 ROS，而脯氨酸在敏感和耐受性种质中充当一般干旱响应因子。
在保水后五天测量了干旱对耐受性和敏感种质气孔关闭的影响。在WW条件下，Oy-0和ICE163（干旱敏感种质）已经显示出比ICE97和三个耐受种质更高的开放气孔比率（图 3，A和B）。在MD下，所有种质的气孔开放显着减少（图3，A和B），但我们发现耐受性种质的开放气孔少于敏感种质（图3B）。在MD条件下，具有较低气孔密度（SD，每平方毫米气孔数）的植物表现出较低的蒸腾作用和较高的水分利用效率。因此，在22 DAS 时分析了所有敏感和耐受种质的SD。值得注意的是，敏感种质 ICE163和ICE97在MD处理期间显示出SD显着增加（图3D），而在耐受种质中SD未改变。并计算了22DAS时的气孔指数（SI，每表皮细胞总数的气孔数）。在所有种质中，Sha在WW和MD条件下的SI最高（分别为32%和29%），而Oy-0的SI（分别为23%和 22%）（图3C）。然而，我们在所有六个种质中都没有观察到MD处理对SI的任何显着影响（图3C），这表明气孔的发育在干旱期间没有改变。
图3.轻度干旱处理后的气孔开度、指数和密度
本文发现大多数种质在干旱期间平均路面细胞数量显着减少，除了EY15-2（图4A），其中L3的最终区域不受干旱的显着影响（图 1B）。在所有生态型中，细胞数量减少到相似的程度（图4A）。另一方面，敏感种质中的 MD 处理显着减少了平均路面细胞面积，而在耐受种质中没有观察到减少（图 4B）。 更具体地说，敏感种质在 MD 处理期间显示出较小细胞比例增加或大路面细胞比例降低，但在耐受种质中未观察到显着差异（图4C）。 这些数据表明，细胞扩增的减少是这些生态型中对MD的耐受性和敏感性之间的主要区别因素。
图4.轻度干旱对敏感和耐受种质的路面细胞数量和面积的影响不同
