前言

目前随着世界人口的不断增长以及气候变化对作物产量的影响，全球粮食的需求日益增加，尽管每年世界各地都有不断打破现有产量和质量记录的新品种出现，但生产力的进步还是显得较为缓慢，无法满足未来全球粮食增长的需求。基于亲本杂交和后代表型选择的传统植物育种已有数千年的历史，虽然这些杂交种子对农业生产力产生了巨大的影响力，但相对缓慢的育种过程（一年生作物的平均育种计划需要10-12年）在当今粮食需求快速增长的背景下体现了其不足，尤其面对日益严峻的气候环境变化，保持目前的产量提高速度本身就是很大的挑战。许多新品种是在非生物胁迫条件下培育出来的，但这些品种在非生物胁迫条件下有明显的产量损失，非生物胁迫条件下的育种是一项极具挑战性的工作。目前胁迫育种面临诸多的困难，包括植物在非生物胁迫下耐受性的复杂程度，环境条件的不稳定，缺乏明确定义的胁迫场景以及耐受性标记、预期性状不明确等。以上因素导致在非胁迫条件下培育新品种的数量少并且存在较长的育种周期。

植物表型分析是对植物复杂性状的综合评估，传统的育种者根据个人经验对品系进行主观的视觉表型分析。尽管获得了一些成果，但在植物生理性状和难以用肉眼观察的性状方面就显得力所不及了，尤其在抗逆性育种巨大的工作量面前，低通量，人工的方法无法达到评估的要求。目前胁迫育种研究面临的主要瓶颈之一是缺少一种简单快速，可以选择所需生理性状，并且可以对生长环境中的全部植物同时进行测定的功能筛选方法。胁迫条件下的作物育种应关注生产力而非生存力，而与植物水分相关的生理性状是直接影响植物产量的关键因素。鉴于植物水分平衡调节机制对植物的胁迫反应、生产力和恢复力有着巨大的影响，这些生理性状应被整合到非生物胁迫育种计划中。目前主要用于评估植物水分状况的方法有叶片气体交换、冠层温度测定、光谱反射率测定等，但由于植物对周围环境非常敏感，难以利用这些技术收集植物与环境的动态相互作用以及植物对水分胁迫动态响应的有关信息。

生理表型系统是以植物生理学为基础，采用高通量、非侵入式、非破坏性的表型技术，可以对植物及其生长环境进行连续测定的一种新型功能系统。系统使用拟合模型描述植物对胁迫条件的反应，并与对照植物进行比较，可用于特定条件下最佳性能表现植株的筛选以及了解控制其反应的生物学机制。平台的高准确度可以检测出植株与环境变化相关的特定生理性状的微小变化，并在统计分析的基础上选择所需植株。其最具应用前景的一个方面是具备对特定环境和不同胁迫条件下同时对数百种基因型植株进行全株分析测定的能力。生理表型系统也可以为植物生理学、植物营养研究以及农艺管理等领域提供独特、富有价值的科学依据。

Plantarray高通量植物生物学监测系统是以植物生物学为基础的一套高精度表型系统，可以完成整个植物生长周期中不同环境下的SPAC因子的测量。系统可以连续不间断的获取阵列内所有植物的监测数据，实时监控和及时调整每个培养容器中的土壤条件，包含土壤水分、盐分，是非破坏性进行植物生物学研究的理想实验平台。本论文摘要集主要介绍应用Plantarray高通量植物生物学监测系统对蔬菜、作物、乔木在胁迫反应、育种、生物刺激素等方面的研究，并对相关综述文章进行了归纳概述。旨在为逆境生物学、植物生理学、种质资源等领域的国内科研工作者提供科学依据。

主题Ⅰ：蔬菜研究

The Arabidopsis GIBBERELLIN METHYL TRANSFERASE 1 suppresses gibberellin activity, reduces whole-plant transpiration and promotes drought tolerance in transgenic tomato

拟南芥赤霉素甲基转移酶1抑制了转基因番茄的赤霉素活性，降低了全株的蒸腾作用并提高其抗旱性

摘要：之前的研究表明降低赤霉素 (GA) 的水平或信号能够促进植物对环境胁迫（包括干旱）的耐受性，但潜在机制尚未明确。在本文中研究了活性 GAs 水平降低对番茄 (Solanum lycopersicum) 植株耐旱性的影响以及造成这些影响的机制。为了降低活性 GAs 水平，我们培育了过度表达拟南芥GA甲基转移酶1（AtGAMT1）基因的转基因番茄。 AtGAMT1 编码的一种酶，可催化活性 GA 的甲基化以生成无活性的 GA 甲酯。过度表达 AtGAMT1 的番茄植株表现出典型的 GA 缺乏表型特征以及对干旱胁迫的耐受性增加。 GA应用于转基因植物恢复了正常生长和对干旱的敏感性。在干旱条件下，转基因植株由于全株蒸腾作用的减少而保持了较高的叶片水分状态，气孔导度的降低造成了蒸腾作用的降低。 GAMT1的过度表达抑制了叶表皮细胞的增殖，导致气孔减少而形成更小的气孔毛孔。在干旱条件下，GA活性降低、蒸腾作用减少的植物可能较少遭受叶片干旱，从而保持较高的能力和恢复率。

关键词：干旱胁迫；GAMT1；番茄；蒸腾

图1. 在灌溉和干旱胁迫下，AtGAMT1过度表达降低了整个植株的蒸腾作用

图1表明与对照植物相比，蒸腾作用降低的转基因植株可以更缓慢地利用土壤中的水分，因此持续的时间更长。通过实验确定蒸腾作用的降低以及土壤中水分利用率的增加是 GAMT1 过表达植株对干旱耐受性增加的唯一原因。

图2. AtGAMT1过度表达减少了叶片大小，增加了气孔密度

叶面积减少（图2）可能是转基因植物整株蒸腾量降低的主要原因。尽管 AtGAMT1 的过表达对叶片数量没有影响，但它减缓了小叶叶片的生长，所有转基因品系的整株叶面积都小于对照植物的叶面积（图2）。用显微镜分析了叶背面的表皮组织，该分析显示所有转基因品系中的气孔密度高于对照叶片中的气孔密度。转基因株系的气孔面积与其表型严重程度和全株蒸腾速率密切相关。以上结果表明转基因植株中蒸腾速率的降低是由于气孔导度的降低造成的。