FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)：作物基因功能與調(diào)控機(jī)制研究

   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(jìn)的栽培技術(shù)，解決種源“卡脖子"問題，一個(gè)非常重要的研究方向是將植物基因組學(xué)與表型組學(xué)進(jìn)行結(jié)合來進(jìn)行育種工作。一方面，作物基因的功能與調(diào)控機(jī)制必須進(jìn)行相關(guān)的表型驗(yàn)證，才能確定其確實(shí)具備相應(yīng)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?zé)晒獬上窦夹g(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(jī)制研究上都有大量應(yīng)用。下面僅列舉2020年發(fā)表的部分文獻(xiàn)案例：

1. 玉米固碳饑餓狀態(tài)下自體吞噬回收的多組學(xué)分析
   圣路易斯華盛頓大學(xué)在研究玉米在固碳饑餓狀態(tài)下的自體吞噬回收過程時(shí)應(yīng)用了綜合多組學(xué)分析方法，F(xiàn)luorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(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(xué)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?zé)晒釬₀和最大葉綠素?zé)晒釬max（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(xì)胞分裂素受體對發(fā)育的調(diào)節(jié)
   細(xì)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(xué)使用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)破壞了水稻的細(xì)胞分裂素組氨酸激酶（HK）受體，從而研究細(xì)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(shí)，運(yùn)用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(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(xì)胞分裂素時(shí)，hk5和hk6信號突變體的RFd顯著低于野生型；而在補(bǔ)充外源細(xì)胞分裂素時(shí)則表現(xiàn)出顯著的趨緩反應(yīng)。從而證明細(xì)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(xué)通過轉(zhuǎn)基因方法使水稻過表達(dá)CdtCIPK5和CdtCBL4，然后對轉(zhuǎn)基因水稻進(jìn)行鹽脅迫、低溫脅迫和干旱脅迫處理。通過FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)測量的最大光化學(xué)效率Fv/Fm證明，CdtCIPK5和CdtCBL4過表達(dá)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(xué)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?zé)晒獬上駝t證明，20℃低溫下，osatp4突變體的最大光化學(xué)效率Fv/Fm顯著低于野生型。這表明ATP4是與水稻的低溫響應(yīng)和光合機(jī)制相關(guān)的。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)ATP4會促進(jìn)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(xiàn)：

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