从根到芽:利用植物发育高通量表型量化拟南芥线虫耐受性


发布时间:

2023-04-20

来源:

植物表型资讯

作者:

PhenoTrait

线虫的迁移、取食场所的形成、植物同化物的消退和植物防御反应的激活对植物的生长发育有重要影响。尽管植物对根食线虫的耐受性有种内变异,且已被认为是主要作物生物相互作用中的一个明显特征,但仍缺乏机制方面的见解,量化困难和繁琐的筛选方法阻碍了进展。因此,我们转向了模式植物拟南芥,因为它为研究线虫与植物相互作用的分子机制和细胞机制提供了广泛的资源。

 

本研究中,我们报告了一个高通量表型平台的构建和验证,以实时监测因线虫感染而引起的地下生物胁迫下的植物生长。我们测试了生长参数(如根系结构成分、绿冠层面积、开花、和角果形成),稳健性地量化甜菜胞囊线虫侵染对寄主生长和发育的影响。我们发现,拟南芥的绿冠层面积是一种可获取且信息量大的特征,可用于对根寄生线虫的生长反应的自动化分析。时间序列测量结果显示,单个植物的日生长速率在植物中是一致的,提供了宿主生物反应(即补偿反应)的见解。因此,我们相信,我们的表型系统不仅可以使我们能够更准确地揭示耐受性的潜在遗传机制,而且最终可以精确定位调节内寄生线虫对生物应激耐受性的基因。

 

图1 拟南芥初生根长度和绿冠层面积对甜菜胞囊线虫Heterodera schachtii侵染的响应呈密度依赖关系。a-c):9日龄拟南芥幼苗接种密度为0-50的H. schachtii幼体(ml modified KNOP media),接种后 7d 对幼苗生长进行监测;a)已量化的根系统架构组件概述;b)拟南芥根系在 7dpi 的代表性图像;c)总根长(cm)、主根长(cm)、总次级根长(cm)、平均次级根长(cm) 、次级根数(n)。数据采用Tukey HSD单因素方差分析,ns =不显著,*p < 0.05,**p < 0.01,*** p < 0.001 (n=24-30)。d-g):在土壤中培养的21日龄拟南芥幼苗,接种H. schachtii幼体密度增加(每g干沙0 ~ 50幼体);d)拟南芥幼苗在地面上2和11dpi时的代表性图像;e) 2dpi和11dpi的绿色冠层面积(cm2),密度增加(Pi);f)11dpi的花朵数量;g)11dpi时的角锥数量。数据采用Tukey HSD单因素方差分析,ns =不显著,*p < 0.05,**p < 0.01,***p < 0.001 (n=16-20)。

 

图2 甜菜胞囊线虫Heterodera schachtii接种密度(Pi)与绿冠层面积(相对产量)的关系。将9日龄拟南芥幼苗于200 mL含200 g干沙的罐子中接种20个密度(每g干沙0 ~ 100 J2s)的H. schachtii幼体。a)实验设置和照片颜色通道分解,从图像中提取绿叶表面。b)在0 ~ 21 dpi范围内,以H. schachtii不同接种密度接种拟南芥植株的平均生长曲线,直线拟合基于黄土回归。红框表示用于拟合Seinhorst产量损失方程的数据。c)根据Seinhorst产量损失方程进行拟合,Seinhorst 's Eq.参数值为H. schachtii初始种群密度(Pi)与测量叶表面积之间的关系,Pi和容忍极限(Te)均以甜菜胞囊线虫(每g干沙)-1表示,而在21dpi时,最小产量(m)与最大绿冠面积(cm2) (Ymax)的比例最低。模型对数据的拟合优度用决定系数(R2)表示。

 

图3 基于生长速率的Col-0对甜菜胞囊线虫Heterodera schachtii 耐受限度的定量研究。9日龄拟南芥幼苗以20个密度(Pi)(0 ~ 100株/ g干沙)接种。a)接种后0 ~ 21天,Pi 0(蓝线)或5(海蓝色线)处理的植物的绿冠层面积。b)在0 ~ 21 dpi范围内,Pi 0(蓝色线)或5(海蓝宝石线)处理的生长速率由公式2计算。c)接种增加Pi的中位数生长速率,从5 dpi增长到16 dpi。d)接种增加Pi的植物的生长速率(cm2),从17 dpi增长到21 dpi。e)增加接种剂量的植物累积生长率。c-e)点代表单株植物。数据分析采用Wilcoxon Rank Sum检验,ns =不显著,*p < 0.05,**p < 0.01,***p < 0.001 (n=10-24)。

 

图4 基于生长速率的Col-0对根结线虫Meloidogyne incognita耐受限度的定量研究。用18个密度(Pi)(每g干沙0 ~ 100个幼虫)接种9日龄拟南芥幼苗。a)接种后0 ~ 21天,Pi 0(蓝线)或5(海蓝宝石线)处理的植物冠层面积。b) Pi 0(蓝色线)或Pi 5(海蓝宝石线)处理的植株在0到21 dpi范围内的生长速率由公式2计算。c)接种增加Pi的生长速率,从5 dpi增长到16 dpi。d)接种增加Pi的植株生长速率,从17 dpi增长到21 dpi。e)增加接种剂量的植物累积生长率。c-e)点代表单株植物。数据采用Wilcoxon Rank Sum检验进行分析。ns =不显著,* p < 0.05, **p < 0.01, *** p < 0.001 (n=10-12)。

 

图5 拟南芥Col-0对Meloidogyne incognita的耐受性高于Heterodera schachtii。拟南芥感染 H. schachtii或 M. incognita的生长速率参数:(A) H. schachtii侵染密度的最大冠层面积为K,拟合直线来自高斯曲线,R2来自拟合曲线。(B) H. schachtii侵染的固有生长速率r/感染密度。拟合直线来自指数模型,R2来自拟合曲线。(C)与(A)相似,但用于M. incognita感染。(D)与(B)相似,但与M. incognita感染有关。实线表示公差极限。虚线表示置信区间。

 
 
来 源
Willig J J, Sonneveld D, Steenbrugge J J M, et al. From root to shoot; Quantifying nematode tolerance in Arabidopsis thaliana by high-throughput phenotyping of plant development[J]. bioRxiv, 2023: 2023.03. 15.532731.
 

编辑

陈秋
 

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