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FluorCam葉綠素熒光成像技術(shù)：作物基因功能與調(diào)控機制研究
發(fā)布時間： 2021-09-08 點擊次數(shù)： 2437次2021年中央一號文件提出了解決種源“卡脖子"問題的要求。而開發(fā)更加優(yōu)質(zhì)高效的作物品種和先進的栽培技術(shù)，解決種源“卡脖子"問題，一個非常重要的研究方向是將植物基因組學與表型組學進行結(jié)合來進行育種工作。一方面，作物基因的功能與調(diào)控機制必須進行相關(guān)的表型驗證，才能確定其確實具備相應的功能，比如光合能力變化、抗逆性調(diào)控等；另一方面，也可以通過對優(yōu)良表型的篩選，獲得可穩(wěn)定遺傳的基因型。
FluorCam葉綠素熒光成像技術(shù)作為最重要的表型成像分析技術(shù)之一，在作物基因功能與調(diào)控機制研究上都有大量應用。下面僅列舉2020年發(fā)表的部分文獻案例：
1. 玉米固碳饑餓狀態(tài)下自體吞噬回收的多組學分析
圣路易斯華盛頓大學在研究玉米在固碳饑餓狀態(tài)下的自體吞噬回收過程時應用了綜合多組學分析方法，F(xiàn)luorCam葉綠素熒光成像技術(shù)作為*代表性的光合表型研究技術(shù)正適合這一研究。通過對核心自體吞噬組分ATP12缺乏突變體的多組學分析發(fā)現(xiàn)，固碳饑餓會造成氨基酸、碳水化合物、核酸相關(guān)代謝物的極大變化，但通過FluorCam測量得到最小葉綠素熒光F0和最大葉綠素熒光Fmax（Fm）則表明，固碳饑餓只會對光合作用造成限度的影響。這一研究成果發(fā)表于2020年《the Plant Cell》。
2. 水稻細胞分裂素受體對發(fā)育的調(diào)節(jié)
細胞分裂素對植物生長發(fā)育的方方面面都有調(diào)節(jié)作用。北卡羅來納大學使用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)破壞了水稻的細胞分裂素組氨酸激酶（HK）受體，從而研究細胞分裂素在單子葉植物中的作用。結(jié)果表明，hk5和hk6信號突變體影響了根系生長、葉片寬度、花序結(jié)構(gòu)和花的發(fā)育等。同時，運用FluorCam葉綠素熒光成像技術(shù)分析熒光衰減比率RFd，表明在經(jīng)過3天暗處理后，缺少外源細胞分裂素時，hk5和hk6信號突變體的RFd顯著低于野生型；而在補充外源細胞分裂素時則表現(xiàn)出顯著的趨緩反應。從而證明細胞分裂素在水稻光合作用中發(fā)揮重要功能。這一研究發(fā)表于2020年《Development》。
3. CBL4-CIPK5信號通路對水稻鹽抗性的調(diào)節(jié)作用
鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶B亞基樣蛋白（CBL）和CBL互作蛋白激酶（CIPK）在植物非生物脅迫調(diào)控中扮演重要角色。華南農(nóng)業(yè)大學通過轉(zhuǎn)基因方法使水稻過表達CdtCIPK5和CdtCBL4，然后對轉(zhuǎn)基因水稻進行鹽脅迫、低溫脅迫和干旱脅迫處理。通過FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)測量的最大光化學效率Fv/Fm證明，CdtCIPK5和CdtCBL4過表達提高了水稻的鹽脅迫抗性，但對低溫和干旱脅迫則沒有顯著作用。這一研究發(fā)表于2020年《Environmental and Experimental Botany》。
4. PPR-SMR蛋白對水稻、玉米葉綠體mRNA的編輯作用
華中農(nóng)業(yè)大學研究了一種水稻突變體osatp4。這種突變體缺乏一種玉米PPR-SMR蛋白ATP4的同源基因。20℃低溫處理后，在表型上來說，osatp4突變體會表現(xiàn)出萎黃病。而通過FluorCam葉綠素熒光成像則證明，20℃低溫下，osatp4突變體的最大光化學效率Fv/Fm顯著低于野生型。這表明ATP4是與水稻的低溫響應和光合機制相關(guān)的。進一步研究發(fā)現(xiàn)ATP4會促進葉綠體rps8 mRNA的編輯。這一研究成果發(fā)表于2020年《Plant Physiology》。
參考文獻：
1.McLoughlin F, et al. 2020. Autophagy Plays Prominent Roles in Amino Acid, Nucleotide, and Carbohydrate Metabolism during Fixed-Carbon Starvation in Maize. The Plant Cell 32: 2699–2724
2.Burr CA, et al. 2020. The HK5 and HK6 cytokinin receptors mediate diverse developmental pathways in rice. Development 147: dev191734
3.Huang S, et al. 2020. CBL4-CIPK5 pathway confers salt but not drought and chilling tolerance by regulating ion homeostasis. Environmental and Experimental Botany 179: 104230
4.Zhang J, et al. 2020. The PPR-SMR protein ATP4 is required for editing the chloroplast rps8 mRNA in rice and maize. Plant Physiology 184: 2011–2021
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