PlantScreen植物表型成像分析系統-氣孔運動調節機制與相關表型分析

葉片表面的保衛細胞能夠調節氣孔開放，從而使植物與大氣間進行氣體交換，讓植物的光合作用與蒸騰作用之間達到平衡。保衛細胞的新陳代謝活性又主要依賴來源于葉肉的糖分。而參與到這一過程中的轉運蛋白及其對保衛細胞功能的貢獻還不清楚。
   
蘇黎世聯邦理工學院、蘇黎世大學與捷克Photon Systems Instruments (PSI)公司合作，證實了在擬南芥保衛細胞中，單糖/質子協同轉運子糖轉運蛋白1和4（STP1和STP4）是主要的質膜轉運蛋白。結果表明它們的共同作用需要葡萄糖輸入到保衛細胞，提供淀粉積累和光誘導氣孔打開所需的碳源。這一研究成果作為封面文章發表于2020年《EMBO Reports》。
   
而為了深刻理解這種氣孔運動變化對植物光合與生長的影響，就需要對各種相關擬南芥突變體表型進行全面的綜合分析。研究人員使用了PSI植物表型研究中心的PlantScreen植物表型成像分析系統完成了這一工作。這一系統安裝在FytoScope大型步入式植物生長室內，同時具備光適應室和稱重澆灌單元，能夠精確模擬各種植物培養環境。其自動化傳送系統可以實現320株高50cm樣品的同步培養和自動化成像測量。這套系統配置的表型成像分析單元包括：
 

成像單元	獲取表型數據
葉綠素熒光成像單元	植物光合生理表型：Fv/Fm、QY（ΦPSII）、Fv’/Fm’、NPQ、qP等
RGB真彩形態學成像單元	形態學表型：株高、株寬、葉面積、生長動態分析、色彩分析等
VNIR（Visible-near-infrared，可見光-近紅外）高光譜成像單元	反射光譜表型：反射光譜曲線、植被指數（NDVI、PRI、CRI、ARI等）
紅外熱成像單元	葉片溫度、冠層溫度

 
糖轉運蛋白stp突變體造成擬南芥氣孔關閉后，最直接影響到的就是擬南芥的蒸騰作用，進而使光照條件下的葉片溫度升高。紅外熱成像分析表明，各種stp突變體的葉溫都比野生型有所升高。stp1stp4葉溫升高尤其顯著，這表明其氣孔閉合程度最大。測量氣孔導度gs進一步驗證了這一點。
  A．不同擬南芥突變體的紅外熱成像圖；B. 歸一化葉片溫度變化曲線；C. 不同光暗條件下的氣孔導度gs變化
 
 VNIR高光譜成像獲得的歸一化植被指數NDVI是遙感和表型研究中最常用的植被指數。NDVI與葉綠素含量具備正相關關系，也常被用來估算葉綠素含量。結果表明，stp1stp4的NDVI與其他突變體和野生型是可比的。基于RGB成像色彩分析功能獲得的綠度色彩豐富度，也表明在綠度分布上stp1stp4與其他突變體和野生型也沒有顯著差異。這表明stp1stp4突變體還是具備完整功能的光合機構。
  A．VNIR高光譜成像獲得的NDVI成像圖；B. NDVI變化曲線；C-E. 基于RGB成像色彩分析功能的綠度色彩豐富度
    
而葉綠素熒光成像結果表明，stp1stp4的光系統II最大光化學效率Fv/Fm、實際光化學效率ΦPSII、光適應最大光化學效率Fv’/Fm’，光化學淬滅qP等光合能力相關參數都有顯著降低。  
RGB形態表型分析結果，與野生型相比，stp1stp4突變體的生長減少了60%，而且生長速率也要更低。而其他突變體的生長最多只降低20%。
這一研究工作充分利用了PlantScreen植物表型成像分析系統的優勢：高通量樣品自動培養與測量、無損表型成像功能實現了對同一植株的連續跟蹤測量、最全面的表型分析數據（形態、光合、反射光譜、溫度）。

綜合表型分析結果，研究人員認為STP1和STP4基因的同時突變造成擬南芥散布性氣孔限制，使葉肉光合作用所需的CO₂有效性降低。這就解釋了stp1stp4突變體光合能力降低、葉肉碳水化合物代謝變化，以及最后導致的生長表型缺陷。

 
參考文獻：
Flütsch S, et al. 2020. Glucose uptake to guard cells via STP transporters provides carbon sources for stomatal opening and plant growth. EMBO Reports 21:e49719
 
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