WIWAM植物表型成像分析平台—水稻病虫害研究

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WIWAM植物表型成像分析平台—水稻病虫害研究

发表时间：2021-11-29 09:33:00点击：1095

来源：北京博普特科技有限公司

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植物智能培养、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真彩3D成像等多项先进技术，以较优化的方式实现大量植物样品——从拟南芥、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。

室内植物表型成像系统WIWAM Line

摘要：随着人们生态意识的提高，科学家们一直在探索减少使用化学杀虫剂来控制病虫害的新策略。触发植物内在防御系统是减少线虫等病原生物产量损失的有效策略之一。抗坏血酸氧化酶（AO）通过抗坏血酸氧化过程调节质外体抗坏血酸/脱氢抗坏血酸（DHA）的比例，在植物防御中发挥重要作用。抗坏血酸氧化可诱导水稻对寄生根结线虫（RKN）的系统抗性。在这里，我们试图评估AO或DHA是否诱导对RKNM的耐药性（IR）。graminicola涉及苯丙烷途径的激活，以及该IR表型是否对胁迫和非胁迫条件下水稻幼苗的生长具有潜在影响。我们的结果表明，AO/DHA-IR对抗这些寄生线虫依赖于苯丙氨酸解氨酶（PAL）的激活。然而，应用还原抗坏血酸（AA）并没有引起这种反应。通过qRT PCR进行的基因表达分析表明，OsPAL2和OsPAL4在喷洒AO/DHA的线虫感染根中高度表达，PAL活性测定证实，喷洒AO/DHA可触发植物在线虫感染时激活该酶。AO/DHA-IR对喷洒化学PAL抑制剂的植物无效，证实AO/DHA诱导的抗性取决于PAL活性。在AO/DHA喷施的植物中，植物生长的改善和线虫感染的降低被发现与芽叶绿素荧光（Fv/Fm）、叶绿素指数（ChlIdx）和改良花青素反射指数的增加相关，这被证明是线虫侵染的良好地上参数。详细的生长分析证实，在线虫感染的条件下，AO/DHA处理的植物生长得到改善。综上所述，我们的结果表明，抗坏血酸氧化增强了基于苯丙烷的线虫感染反应，并导致处理后的水稻植株表现出耐性表型。

本文中叶面AA、AO或DHA处理对水稻植株的影响通过计算虫瘿的数量得到独立证实，并通过计算产卵雌性（ELF）的总数得到扩展。与模拟喷洒植物进行比较，在水稻植株上叶面施用AO和DHA可显著减少接种后14天记录的虫瘿数量（图1A），喷洒AO和DHA也减少了ELF的数量（分别减少87%和80%；图1B）。喷洒AA不会引起虫瘿（图1A）或ELF（图1B）数量的任何显著变化。

为了研究喷洒AO和DHA的水稻植株的低禾本科植物易感性是否是由于苯丙烷途径的改变，对14天大的水稻植株喷洒了 AO 或 DHA 或模拟喷洒。量化了OsPAL2 和 OsPAL4 的表达，并在接种后3天（即喷洒后4天）测量了PAL活性。对感染和未感染植物的枝条以及未感染植物的瘿与根尖进行分析。qRT-PCR分析表明，与未感染的未处理植物相比，OsPAL2 和 OsPAL4 在DHA 喷洒未感染植物的枝条中均显著下调（图 1C）。然而，在根组织中，OsPAL4 基因的表达在 DHA 喷洒后被显著诱导（图 1D）。在线虫诱导的瘿中，与模拟喷洒的未感染或感染植物相比，在AO和DHA喷洒植物中观察到 OsPAL2 和 OsPAL4 基因的表达水平显著更高（图1D）。PAL 活性测量证实了其酶促活化。数据显示，与模拟喷洒植物相比，喷洒 AO/DHA 植物的枝条中的 PAL 活性显著增加（~32%），而与感染无关（图 1E）。此外，在 AO/DHA 喷洒植物的瘿中，与 AO/DHA 喷洒植物的未感染根尖相比，观察到 PAL 活性显着增加（图 1F），表明 AO/DHA 喷洒触发植物进行 PAL线虫感染后虫瘿中的活性。

为了证实PAL活性参与AO/DHA诱导的抗性，使用化学PAL抑制剂 AOPP 的叶面施用进行了独立的感染实验。当化学阻断这种酶时，未观察到瘿体数量（图1G）或 ELF 数量（图1H）的显著差异，证实了之前的观察结果。数据再次显示，与模拟喷洒 (Ctrl) 植物相比，喷洒AO/DHA的植物中的瘿（图1G）和ELF（图 1H）数量显著减少（减少 50-70%）。然而，用AO或 DHA 与 AOPP 组合喷洒的植物表现出增强的禾本科小球藻易感性，达到在模拟喷洒(Ctrl)植物中观察到的严重程度，表明AO/DHA 诱导的抗性取决于PAL活性。

图1. 叶面喷洒AO和DHA通过激活PAL诱导水稻根系对禾本科禾本科的系统抗性

与未感染的植物相比，在所有处理中，线虫感染植物的枝条中通常观察到显着更高的mARI 值，（图2A）。数据进一步显示，与所有其他处理相比，线虫攻击后 DHA 喷洒植物的mARI 值显著增加（图 2A）。观察 Fv/Fm，与未感染植物的枝条相比，线虫感染植物枝条的值显著降低，但仅当植物被模拟喷洒或喷洒 AA 时（图 2B）。相反，与模拟喷雾或 AA 喷雾植物的枝条相比，AO或DHA喷雾感染植物枝条的 Fv/Fm 值显著增加（图2B）。确认降低的 Fv/Fm，数据还显示与未感染植物相比，模拟喷雾感染植物的枝条中ChlIdx 的值显著降低（图2C）。

图2.AO/DHA喷施植物生长的改善和线虫感染的减少与茎Fv mARI、Fv/Fm和ChlIdx的增加有关

在喷洒前（14 天）测量植物，然后在 18、22 和 26 天时使用（Mg+）或不使用（Mg-）再次测量以监测它们的生长。在第 18 天和第 26 天（图3A），未处理的感染 (Mg+) 植物与 Ctrl (Mg-) 相比，在未处理的感染 (Mg+) 植物中观察到枝条高度略有下降（30%，不显著），这说明线虫感染对地上水稻生长。然而，当植物预先喷洒 AO 或 DHA 时，这种效果就被抵消了。在 26 天时，与未处理的感染植物 (Mg+) 相比，在 AO 或 DHA 喷洒的植物中，在线虫感染 (Mg+) 下，芽高度显着增加（图 3A）。早在喷洒后 4 天就观察到 AO/DHA 对枝条高度的积极影响，但线虫感染的植物 (Mg+) 比未接种的 (Mg-) 植物强得多。与未处理或喷洒 AA 的植物相比，AO/DHA 处理的植物在 22 天和 26 天时根长显著增加，这种效果似乎主要是在线虫感染条件下放大了（图3B）。