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非洲水稻不同种群动态光合特性的自然变异

非洲水稻不同种群动态光合特性的自然变异

  • 分类:植物表型资讯
  • 作者:PhenoTrait
  • 来源:本站
  • 发布时间:2021-11-12 06:10
  • 访问量:

【概要描述】动态光合特性和NPQ在Oryza glaberrima体内起重要作用,本文强调了弱光条件下的NPQ动力学和NPQ,证明了Oryza glaberrima在一系列重要性状上具有广泛的、可遗传的自然变异,这可能有助于Oryza glaberrima的改良。这里所汇编的表型研究将为生理学研究中有趣性状的鉴定提供基础,帮助选择作物改良的材料和遗传特征的信息。

非洲水稻不同种群动态光合特性的自然变异

【概要描述】动态光合特性和NPQ在Oryza glaberrima体内起重要作用,本文强调了弱光条件下的NPQ动力学和NPQ,证明了Oryza glaberrima在一系列重要性状上具有广泛的、可遗传的自然变异,这可能有助于Oryza glaberrima的改良。这里所汇编的表型研究将为生理学研究中有趣性状的鉴定提供基础,帮助选择作物改良的材料和遗传特征的信息。

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  非洲水稻(Oryza glaberrima)已经适应了具有挑战性的环境,是一种有希望的遗传变异来源。我们分析了155份Oryza glaberrima的光合作用和形态动态,地理坐标如图1.

 

  图1 显示整个非洲Oryza glaberrima地理采集位置的地图。

 

  植株在农艺温室中生长到分蘖期晚期。使用IRGA (infra-red gas analyser, Li-Cor 6400XT, Lincoln, NB, USA)测量气体交换,通过气体交换和叶绿素荧光测定暗胁迫下的光合作用和弱光胁迫下的光合作用,。其中光合作用(CO2同化,A)和光保护诱导和还原(由非光化学猝灭测量,Non Photochemical Quenching ,NPQ)测量数据如图2,原始数据:https://doi.org/10.5281/zenodo.5555930。

 

  图2 示意图显示在气体交换测量过程中对光照强度变化的诱导和松弛反应的例子。

  这些原始A和gs气体交换测量的例子显示了建模的动态反应参数;最小、最大、斜率和达到曲线最大百分比的时间。达到曲线最大值的规定百分比的时间

 

  同时测定根、茎生物量、气孔密度(迁移学习FasterRCNN计算)和叶面积,根系生物量、地上部生物量和地上部面积的变化幅度分别为5倍、3倍和4倍。PGV株高变异为1.3倍。各植物生长性状间均呈显著正相关(p<0.001),如图3。

 

   图3 O. glaberrima显示了一系列有趣的形态和稳态光合作用性状的相关性。颜色梯度显示了与Y轴变量的第二个相关性。(a) 根和芽的生物量之间的正相关,第二个相关显示根生物量和芽的面积。(b) gsmax对Amax的影响以及gsmax对iWUEmax的第二种相关性。(c) 皮尔森相关矩阵显示了形态学和稳态气体交换性状之间的关联,过滤后显示了p<0.1005显著性阈值下的性状关联。相关性以颜色为尺度,显示在右侧的比例条中,星星表示性状之间的显著性(p<0.001***, p<0.01**, p<0.05*)。(d) SD比率与植株高度之间呈负相关 负相关,而SD比率与NPQmax 显示出正相关关系。

 

  动态反应现在被认为是光合作用生产力的重要决定因素。对气体交换、荧光和光保护对光移的响应进行了建模,并在29个性状中显示了显著的变化。在强光下的光合诱导速率与弱光下的下降速率有关,如图4和5,根据水分有效性、gs、A和NPQ的不同地区进行聚类,表明动态光合作用在与生物量和叶面积呈高度相关NPQ、A和gs的动力学具有适应价值。

 

  图4用4个样本研究了光强变化对 (a, b) a和(c, d) gs的动态响应。IG35和TOG_6356分别作为“慢”和“快”响应的例子,而EG85和TOG_12160则用于演示群体中响应的中间梯度。(e) gsislope与gsrslope、Aislope相关;在归纳过程中,一个更大的负值表示一个更陡的斜率,这个关系在松弛过程中是相反的。(f) Arrate与gsr50和地上部生物量呈正相关。

 

  图5 利用图5所示的四个样本证明了光强变化对NPQ (a)诱导和(b)松弛反应。(c) NPQi 90与Amax和NPQi rate呈负相关。(d) NPQrrate率与gsrslope呈正相关关系,数值越大,坡度越陡; NPQrrate与NPQrslope呈负相关关系,在该模型中,负值越大,松弛坡度越陡。NPQi 90 (e)和NPQr 90 (f)均与地上部生物量和地上部面积相关。

 

  对稳态和动力学响应进行了建模,描述了Oryza glaberrima在稳定状态下的广泛的自然变异,光合作用的诱导和减少反应,这对基因发现和作物改良有价值。主成分分析(Principle component analyses)表明,植物生物量、光合作用(CO2同化,A)和光保护诱导和还原(由非光化学猝灭测量,Non Photochemical Quenching ,NPQ)的关键簇与不同的适应相一致。如图6,在多变量分析中,我们观察到O. sativa IR64值与O. glaberrima在生态学和原产地方面都有不同的聚类。在绘制PC1和PC3时,可以最清楚地看到这一点,这两个物种在亚洲原产国和稻田生态方面有明显的聚集。(图7)。

 

  图6 155份O. glaberrima材料的等级聚类分析(a) 64个表型性状的等级聚类,每个原产地的等级聚类频率(b)和在气候等级聚类分析中确定的支系(1-3)的生态位(c)。

 

  图7 图形化PCA输出,表型PCs 1和2与O. glaberima加入物的95%置信度椭圆相叠加(a)原产地和(b)生态型分类变量。(c) PCs 3显示基于原产国和生态型类别的O. sativa(IR64)与O. glaberrima的单独聚类。(d) 表型性状数据PCA的PC1与PC4的函数。

  因此,动态光合特性和NPQ在Oryza glaberrima体内起重要作用,本文强调了弱光条件下的NPQ动力学和NPQ,证明了Oryza glaberrima在一系列重要性状上具有广泛的、可遗传的自然变异,这可能有助于Oryza glaberrima的改良。这里所汇编的表型研究将为生理学研究中有趣性状的鉴定提供基础,帮助选择作物改良的材料和遗传特征的信息。

 

  来源:Sophie B. Cowling, Pracha Treeintong, John Ferguson, Hamidreza Soltani, Ranjan Swarup, Sean Mayes, Erik H. Murchi. Out of Africa: characterising the natural variation in dynamic photosynthetic traits in a diverse population of African rice (Oryza glaberrima). 2021, Journal of Experimental Botany, erab459, https://doi.org/10.1093/jxb/erab459

 

  编辑:王春颖

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