旋转圆盘共聚焦成像研究植物基因表达

蜻蜓如何帮助研究高等植物在非生物胁迫下的基因表达调控

植物对非生物胁迫的反应是动态的和复杂的，他们的研究不仅对理解植物对环境的反应很重要，而且对理解植物对环境的反应也很重要为未来的作物改良研究提供额外资源．

植物成像是复杂的，必须克服一些技术挑战，如自体荧光、组织穿透、采集速度。理想的植物成像系统将使研究人员在植物生物学方面获得深入了解，并创造工具，以提高重要作物的抗逆性。

在本文中，我们将介绍:

• 和或蜻蜓共焦系统作为植物成像的合适解决方案
• 研究重点——利用显微镜了解作物抗逆的分子基础。
  • NMig1——植物抗非生物胁迫的新分子调控因子
  • 植物抗非生物胁迫的激素调控
• Valya Vassileva教授的实验室，其研究重点是寻找可能提高作物抗逆性的分子调节剂。

图1。代表性图像显示6日龄拟南芥初生根分生组织中过度表达的NMig1基因的定位。图像采集采用AND或蜻蜓共焦成像系统。比例尺20um（Velinov等人，Front.Plant Sci，2020年，11815）

Andor蜻蜓植物成像

现代植物科学需要各种各样的实验方法，而光学显微镜在其中扮演着重要的角色。由于植物成像通常是在不同的规模水平上进行的，因此使用显微镜从亚细胞结构快速提供高质量的图像到大器官是至关重要的。

和或蜻蜓，一种高速多点共焦系统，具有独特的功能，非常适合植物成像。它的高速采集和实时三维绘制允许快速成像和可视化，不损失任何分辨率。专利北极光均匀照明，与一个大视场和无缝缝合是在几分钟内成像大型组织的完美工具。本系统还提供了使用方法红外激光这对于深度成像和降低植物自身荧光的风险是非常好的。

图2。Valya Vassileva教授使用Andor Dragonfly来寻找新的分子调节器，以提高作物的抗应激能力。

研究重点-利用显微技术了解作物抗逆性的分子基础

在它们的生命周期中，所有的植物都受到各种环境压力，如土壤盐分、干旱和极端温度。这些条件也被称为非生物压力，可以导致细胞内稳态的异常，这可能对植物的生长和发育产生不利影响。

为了对抗这种胁迫，植物发展了各种复杂而协调的反应，包括植物代谢的变化和结构和形态的调整。在分子水平上，植物细胞经历的基因表达变化是由内部信使(如激素和自由基)或其他分子机制(如表观遗传变化)触发的。

如上所述，植物对非生物胁迫的反应是动态和复杂的。

因此，对这一主题的研究意义重大，因为它允许:

• 了解植物对环境的反应，
• 提供可能使作物改良取得进展的新工具

Vassileva教授的研究旨在了解植物抗逆性的分子机制。下面我们将介绍她在保加利亚科学院植物生理学和遗传学研究所的实验室进行的两个植物生物学研究项目。

2.1 NMig1 -植物抗非生物胁迫的新分子调控因子

在“基因表达调控”实验室最近发表的一篇文章中，一个新基因在植物的根系发育和非生物胁迫耐受性中具有先前未描述的重要功能拟南芥已报告（Velinov等人，2020年）。该基因属于NudC基因家族，它被命名NMig11.美国

为了了解这个以前未被描述的基因的功能，该小组利用了和或蜻蜓多模态共焦系统研究的表达模式NMig1在过度表达融合蛋白GFP-NMig1的转基因系中。

的共焦显微镜图像显示初生根中检测到很强的GFP荧光，在根尖分生组织中信号最强烈。与野生型相比，在多种非生物胁迫因子下，过表达转基因株系中观察到的信号与增强根系生长和分枝有关。

非常重要的是，实验室意识到：

”这些结果有助于在不利环境下培育具有更强适应性的根系构型的作物．”

2.2激素对植物抗非生物胁迫的调控

为了全面了解植物对非生物胁迫的抗性，本实验室重点研究了乙烯和生长素激素在胁迫调控中的协同作用。

生长素在植物生命周期的许多生长过程中起着重要的协调作用，是植物体发育所必需的。乙烯是另一种参与应激反应的植物激素

研究人员利用了廖等人（2015）开发的高灵敏度比率生长素传感器R2D2。R2D2传感器允许对不同细胞文件中活性生长素水平的变化进行高清评估：ndtTomato信号（洋红）对生长素水平不敏感，用作对照，而维纳斯信号（绿色）在生长素水平升高时降低。

这种高分辨率，快速评估激素水平的变化是使用和或蜻蜓旋转圆盘共聚焦显微镜．

图3。荧光信号采集与或蜻蜓共焦成像系统。对照和100 mM NaCl处理（48 h）野生型植物根中R2D2的比率评估，以及它们与ctr1-1的激素型F3杂交。箭头标记表皮细胞文件。（Vaseva et al.Plants，2021，10（3）：452。）

为了测试植物对盐环境的抗性，Vaseva博士和同事引入了R2D2传感器来监测生长素水平，以控制植物和乙烯信号突变体(Vaseva等，2021年)。分析是用蜻蜓共焦旋转圆盘显微镜检测生长素报告基因R2D2荧光信号的变化。

蜻蜓是分析植物对胁迫反应的理想工具，因为它的高背景排斥，大视野，和优秀的敏感性。值得注意的是，由于植物对胁迫的反应是组织甚至细胞特异性的，Vaseva博士将生长素信号定位在单细胞水平上是至关重要的。

“利用蜻蜓共焦系统获得的共焦观察结果使我们能够将活性生长素增加映射到特定的根表皮细胞，这一现象与胁迫引起的根生长抑制有关。”。

结果表明，在盐胁迫下，对照植株的生长素活性增加，并伴有向地性反应的丧失。然而，构成性乙烯信号突变体(ctr1-1)总有较高的基础生长素水平(以图2中的低绿色信号表示)，并且在盐胁迫下向地弯曲没有明显变化。综上所述，乙烯信号可能通过调控本地生长素的有效性参与了植物对盐胁迫的响应。

总之，研究人员希望如此这些结果可能为提高重要经济作物的抗逆性提供新的策略。

Valya Vassileva教授的实验室——寻找分子调控因子以提高作物对逆境的抗性。

瓦西里瓦教授实验室的研究项目主要集中在阐明植物适应非生物胁迫的分子机制．

为了实现这一目标，实验室研究基因表达调控的遗传学和表观遗传学方面。实验室成员使用模型植物物种拟南芥和莲藕，以及农作物，例如普通小麦，玉米,和菜豆以解决对非生物胁迫的抗性。实验室产生和特征的转基因植物系的基因是过度表达或沉默。

通过从遗传学到生物化学的实验方法，并找到了支持先进的光学显微镜方法，实验室的目标是：

• 鉴定和分析与植物发育和抗逆相关的基因的功能。
• 评估与非生物胁迫反应相关的植物激素串扰的细胞特异性。
• 分析DNA甲基化改变对模式植物物种功能状态的影响，并将这些结果用于经济相关作物。
• 开发新的分子标记检测植物对非生物胁迫的敏感性。

参考文献

Herud-Sikimić， O.， Stiel, a.c.， Kolb, M.等。一种直接可视化生长素的生物传感器。《自然》592,768 - 772(2021)。https://doi.org/10.1038/s41586-021-03425-2

廖志强，刘志强，刘志强，等。记者对生长素反应的敏感性和定量测量。Nat Methods 12, 207-210(2015)。https://doi.org/10.1038/nmeth.3279

Vaseva II，Mishev K，Depaepe T，Vassileva V，Van Der Straeten D.拟南芥的不同盐胁迫反应ctr1-1和ein2-1乙烯信号突变与根生长素内稳态的改变有关。植物，2021，10（3）：452。https://doi.org/10.3390/plants10030452

Velinov V、Vaseva I、Zehirov G、Zhiponova M、Georgieva M、Vangheluwe N、Beeckman T、Vassileva V.过表达NMig1基因编码的NudC结构域蛋白增强了根的生长和非生物胁迫耐受性拟南芥．前面。植物科学。，2020, 11, 815. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00815