基于高通量生理學(xué)的應(yīng)激反應(yīng)表型：園藝植物的優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用和前景

表型組學(xué)是一門(mén)新的科學(xué)分支，可在系統(tǒng)級(jí)別對(duì)植物和動(dòng)物性狀進(jìn)行高通量量化。過(guò)去十年見(jiàn)證了許多形態(tài)特征的高通量表型分析的巨大成功，但在蒸騰作用和光合作用等生理特征的精確表型分析方面仍然存在重大挑戰(zhàn)。由于對(duì)環(huán)境的反應(yīng)中生理性狀的高度動(dòng)態(tài)性質(zhì)，在植物中存在適當(dāng)?shù)倪x擇標(biāo)準(zhǔn)和生理水平的生理水平的有效篩選系統(tǒng)。在這篇綜述中，表型組學(xué)技術(shù)在園藝植物中的現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)。具體而言，強(qiáng)調(diào)了基于高通量生理學(xué)的表型分析的新興領(lǐng)域，稱(chēng)為“生理組學(xué)”，用于干旱脅迫反應(yīng)。除了分析基于生理學(xué)的表型相對(duì)于基于形態(tài)的方法的優(yōu)勢(shì)外，還重新審視和討論了將高通量生理表型應(yīng)用于模型和非模型園藝植物的新例子。基于集體發(fā)現(xiàn)，我們建議高通量、非破壞性和自動(dòng)生理測(cè)定可以而且應(yīng)該用作園藝植物應(yīng)激反應(yīng)性狀表型分析的常規(guī)方法。

由于傳統(tǒng)表型分析方法存在通量低、人工成本高、主觀性強(qiáng)等弱點(diǎn)，因此它們?cè)跐M(mǎn)足對(duì)表型-基因組環(huán)境關(guān)系進(jìn)行綜合分析的需要方面變得不那么強(qiáng)大了。表型組學(xué)是一種強(qiáng)大的方法，可以在基因型-環(huán)境相互作用下定量測(cè)量植物的形態(tài)、生化和生理特征。配備了大規(guī)模、非破壞性和自動(dòng)化的表型分析設(shè)施，植物表型系統(tǒng)為感興趣的性狀提供動(dòng)態(tài)和全面的表型數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是生物學(xué)研究和基于性狀的植物育種或預(yù)育的關(guān)鍵。通常，當(dāng)前的表型組學(xué)平臺(tái)根據(jù)其目標(biāo)特征分為兩類(lèi)，基于形態(tài)學(xué)和基于生理學(xué)的表型組學(xué)平臺(tái)。前者獲取形態(tài)參數(shù)，例如株高、莖直徑、葉面積、葉角、莖長(zhǎng)和株距。后者獲取生理指標(biāo)，包括葉綠素?zé)晒?、蒸騰速率、葉片含水量、根部流入和流出、氣孔導(dǎo)度。不考慮形態(tài)和生理特征，表型組學(xué)要求在多個(gè)植物中同時(shí)監(jiān)測(cè)這些特征，以獲得用于比較的同質(zhì)數(shù)據(jù)（Close，2011）。獲得這些形態(tài)和生理數(shù)據(jù)后，可以將這些信息與全基因組 DNA 基因型數(shù)據(jù)整合，通過(guò)遺傳連鎖作圖（對(duì)于譜系種群，如 F2、BC1F1 和重組自交系）或關(guān)聯(lián)作圖（對(duì)于自然人口）。表型組學(xué)應(yīng)用已經(jīng)從主要糧食作物（例如水稻、小麥和玉米）轉(zhuǎn)移到更經(jīng)濟(jì)的植物，包括園藝植物（例如番茄、豆類(lèi)和黃瓜）。

最近，用于基于生理學(xué)的壓力表型的技術(shù)取得了突破。例如，各種檢測(cè)平臺(tái)和統(tǒng)計(jì)方法用于以高通量方式連續(xù)獲取生理特征數(shù)據(jù)。稱(chēng)重蒸滲儀廣泛用于跟蹤植物重量的變化，從而可以監(jiān)測(cè)植物失水率和水分利用效率 (WUE)，以及模擬干旱脅迫。同樣，開(kāi)發(fā)了一種非破壞性、自動(dòng)化、高通量系統(tǒng) (PlantArray)，用于基于生理特征的水和生物刺激素反應(yīng)表型分析。從理論上講，該系統(tǒng)可擴(kuò)展到其他類(lèi)型的非生物脅迫，包括鹽分、低溫或高溫以及重金屬。該平臺(tái)監(jiān)測(cè)許多生理特征，包括光合作用和蒸騰速率，這些是在壓力條件下保持作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。這些生理特征被稱(chēng)為“功能特征”或“定量生理特征”（QPT）。因此，高通量生理組學(xué)平臺(tái)允許對(duì)植物進(jìn)行功能生理表型(FPP)。通過(guò)同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)百種植物的環(huán)境（土壤-大氣）和QPT，可以比較幾個(gè)種質(zhì)系之間的脅迫反應(yīng)。通過(guò)比較每個(gè)植物相對(duì)于整個(gè)種群的動(dòng)態(tài)性能，可以輕松選擇在特定脅迫情景下表現(xiàn)良好的植物。此外，還可以揭示基因型差異對(duì)植物脅迫反應(yīng)的潛在生理機(jī)制。由于生理反應(yīng)對(duì)環(huán)境的敏感性高于形態(tài)變化，因此FPP可以更有效地檢測(cè)細(xì)微或短暫的壓力反應(yīng)。下面討論了在園藝植物中使用FPP的生理組學(xué)平臺(tái)的示例性研究。

在模型園藝植物番茄中的應(yīng)用

番茄基因組相對(duì)較小，生長(zhǎng)周期短，轉(zhuǎn)基因系統(tǒng)完善，是一種肉質(zhì)模型園藝植物。番茄功能基因組學(xué)和表型組學(xué)研究已成為園藝研究的熱點(diǎn)。哈爾珀林和Nir等人用生理組學(xué)系統(tǒng)以實(shí)時(shí)方式記錄一系列植物在正常、水分脅迫和恢復(fù)條件下的生理反應(yīng)曲線(xiàn)（圖1，A）。該系統(tǒng)允許使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的算法同時(shí)和連續(xù)監(jiān)測(cè)整個(gè)植物的蒸騰作用、生物量增益、氣孔導(dǎo)度和根系通量。與傳統(tǒng)的氣體交換工具相比，這種生理測(cè)定在以更高的時(shí)間分辨率測(cè)量幾種植物以及不同生理特征的比較檢查和分級(jí)排序方面具有主要優(yōu)勢(shì)，包括生長(zhǎng)速率、WUE、中午蒸騰水平(E)、冠層氣孔導(dǎo)度 (Gsc) 和抗旱指數(shù) (DRI)?；谶@些 QPT 數(shù)據(jù)，可以輕松評(píng)估植物恢復(fù)力，并且可以選擇在干旱脅迫后重新澆水時(shí)表現(xiàn)出最快和*恢復(fù)的基因型。因此，這個(gè)生理系統(tǒng)將植物功能基因組學(xué)和現(xiàn)代育種技術(shù)聯(lián)系起來(lái)。

圖1.用于應(yīng)激反應(yīng)表型分析的高通量生理分析系統(tǒng)

在非模式園藝植物豇豆和胡椒中的應(yīng)用

每個(gè)植物物種或栽培品種使用自己的途徑來(lái)平衡其水分狀況，這對(duì)植物生長(zhǎng)行為和脅迫條件下的產(chǎn)量損失具有重要意義。根據(jù)全株水分關(guān)系的生理特征，植物可分為等水型和非等水型。等水植物（例如仙人掌）在面臨干旱脅迫時(shí)優(yōu)先考慮節(jié)水，通過(guò)快速關(guān)閉氣孔以防止水分流失，從而阻礙生長(zhǎng)。相反，在干旱脅迫下，特別是在輕度至中度干旱條件下，不等水植物（例如向日葵）保持相對(duì)較高的氣孔導(dǎo)度(GS)和CO2同化率 (AN)，以獲取生物量。豇豆起源于西非干旱地區(qū)，在該性狀中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐旱性和廣泛的種內(nèi)變異。先前的研究揭示了豇豆有2種不同類(lèi)型的耐旱反應(yīng)，I型和II型（它們分別對(duì)應(yīng)于等水/異水行為，將豇豆作為研究水關(guān)系的有前途的新模型系統(tǒng)，包括等水/非等水水調(diào)節(jié)機(jī)制。使用類(lèi)似的平臺(tái)，Xu等人優(yōu)化了豇豆（蔬菜豇豆）生理應(yīng)激反應(yīng)分析的生長(zhǎng)條件和實(shí)驗(yàn)程序，包括環(huán)境溫帶范圍、光照、供水模式、生理參數(shù)和管理（圖1，B）。通過(guò)對(duì)4個(gè)植物品種 B118、B128、B253和B47 15d的連續(xù)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了平臺(tái)的穩(wěn)定性和可靠性。很好地證明了4個(gè)品種之間水分調(diào)節(jié)策略的基因型差異。結(jié)果表明，4個(gè)品種在干旱脅迫下的WUE、最大蒸騰量（Emax）、日蒸騰量和生長(zhǎng)抑制程度存在顯著差異（圖2，A和B）。半矮化品種 B47 表現(xiàn)出緩慢的生長(zhǎng)速度和適度的WUE，對(duì)干旱處理的生長(zhǎng)潛力損失較小，而不確定型品種B128在井下表現(xiàn)出最快的生長(zhǎng)速度和最高的WUE-澆水條件，以及干旱處理下生長(zhǎng)潛力的最大損失。這兩種材料被認(rèn)為分別在某種程度上具有等羥基和非等羥基類(lèi)型的特性。此外，通過(guò)將動(dòng)態(tài)土壤含水量(θ) 數(shù)據(jù)與蒸騰速率軌跡對(duì)齊，作者能夠計(jì)算臨界土壤含水量(θcr)，這是表示植物何時(shí)開(kāi)始關(guān)閉其氣孔的關(guān)鍵次要參數(shù)，對(duì)于每個(gè)品種（圖 2，A）。此外，比較了4個(gè)植物品種 G034、G047、G356 和 TZ30 27d在預(yù)處理、脅迫和恢復(fù)階段的整個(gè)基因型之間的全株日蒸騰量和全株重（圖2、C和D)。在干旱脅迫條件下，G047 的生長(zhǎng)抑制程度顯著高于TZ30（圖2，C和D）。這些定量的水分預(yù)算參數(shù)對(duì)于該物種的水分調(diào)節(jié)行為的育種和分子解剖很有價(jià)值。

圖2.非模式植物豇豆QPT測(cè)定的優(yōu)化生理系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

未來(lái)展望

基于形態(tài)學(xué)和生理學(xué)的表型分析方法在園藝植物研究中得到迅速應(yīng)用。對(duì)于前者，在不久的將來(lái)需要開(kāi)發(fā)具有成本效益和適應(yīng)性的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)分析多維表型。還需要更復(fù)雜和自動(dòng)化的工作流程來(lái)在表型分析過(guò)程的不同階段實(shí)施適當(dāng)?shù)臋z查點(diǎn)，以降低數(shù)據(jù)質(zhì)量惡化和遺漏有趣表型的風(fēng)險(xiǎn)。鑒于與形態(tài)水平相比，植物在生理水平上對(duì)環(huán)境的快速和敏感反應(yīng)，后者（基于生理的參數(shù)）與 DNA、RNA 和蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)直接相關(guān)。因此，生理組學(xué)有可能利用其他“組學(xué)”數(shù)據(jù)（如基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)和表觀基因組學(xué)數(shù)據(jù)）對(duì)表型數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，以更好地將植物應(yīng)激反應(yīng)與其環(huán)境聯(lián)系起來(lái)。全基因組關(guān)聯(lián)研究 (GWAS) 也被廣泛用于識(shí)別控制賦予壓力耐受性的關(guān)鍵生理特征的特定基因組區(qū)域。鑒于越來(lái)越多的表型數(shù)據(jù)，在不久的將來(lái)的一個(gè)挑戰(zhàn)是有效剖析控制動(dòng)態(tài)生理變化的遺傳成分。

新的統(tǒng)計(jì)框架，例如“功能映射”，這是一個(gè)通用的統(tǒng)計(jì)映射框架，用于在一個(gè)步驟中表征復(fù)雜動(dòng)態(tài)性狀的數(shù)量性狀基因座 (QTL)，對(duì)于克服這一挑戰(zhàn)可能很有價(jià)值，并最終能夠解釋從生理學(xué)設(shè)施中獲取的大數(shù)據(jù)。隨著生理系統(tǒng)在園藝植物研究中的應(yīng)用迅速增加，預(yù)計(jì)將在以下領(lǐng)域取得進(jìn)一步的技術(shù)進(jìn)步：第一，應(yīng)為植物生理學(xué)家、遺傳學(xué)家和育種者等開(kāi)發(fā)更方便和用戶(hù)友好的操作系統(tǒng)。后兩者通常缺乏專(zhuān)業(yè)的植物生理學(xué)知識(shí)；其次，更復(fù)雜的次要生理參數(shù)應(yīng)該從系統(tǒng)可測(cè)量的許多主要參數(shù)中計(jì)算出來(lái)。該類(lèi)別可包括葉子的相對(duì)含水量(RWC)，以及葉子（葉）和根部水分（根) 潛力。獲得一套更全面的參數(shù)將加深我們對(duì)植物響應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件的全廠(chǎng)水分預(yù)算過(guò)程的理解。例如，由于動(dòng)態(tài)土壤大氣參數(shù)與生理測(cè)定中的植物生理特征一起測(cè)量，不同植物品種的蒸騰速率和其他關(guān)鍵脅迫反應(yīng)可以基于土壤水分含量而不是脅迫處理的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行比較。傳統(tǒng)方法。這些進(jìn)步將為園藝植物的基因型差異提供更具生理意義的見(jiàn)解。