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大麦光谱质量发展响应的遗传多样性(大麦芽l .)

摘要

背景

植物利用光的波长、强度、方向和持续时间来预测即将到来的季节变化,并决定何时启动生理和发育过程。其中,作物对光的反应还没有被完全了解。在这里,我们研究了光质量如何影响大麦发育,使用两个广谱光源,金属卤化物(M)和荧光灯(F)。在控制条件下(长日照,相同光照)对11个主要花期基因的等位变异品种进行了评价。采用全春化植株进行2个试验:1)对照处理(M、F);2)实验开始后10天移室(MF, FM)。

结果

总的来说,在M条件下,品种生长得更快。差异最大的原因是F灯泡促进了延迟,特别是在第一个节出现和直到茎伸长开始的时间。产量相关性状如种子数也受所经历的条件的影响。然而,并不是每个品种对光质量的反应都是一样的,它们可以分为对光质量不敏感和敏感两类。开花时间基因的表达水平hvvrn1.HvFT1PPD-H1M值高,而HvFT3HVVRN2.在F条件下更高。换档处理下的表达也显示出高度相关性hvvrn1.PPD-H1转录水平。

结论

光质效应的表征突出了光谱对早期发育阶段的重要影响,影响了干伸长的瞬间的瞬间,以及对植物和产量组分的形态的进一步后果。我们建议光谱控制vernalization和PhotoPeriod基因可能通过信号传导途径的上游元件的调节。对光谱的不同反应背后的球员应得到进一步的研究,这有助于优化育种策略。

背景

由于植物是固着生物,它们测量光的数量(强度)、质量(光谱组成)、方向和持续时间(光周期),以调节它们的发育和适应周围环境[123.].几个提示的整合对于植物破译它正在发生的事情并相应地回应的工厂至关重要。在Casal和Qüesta公开的一个例子中[4):“同样的光周期可以发生在夏末和春”,这样一个独特的信号没有提供足够的信息,和需要更多的信号来解决歧义,同样发生在冬季作物,在冬季气温的记忆补充光周期信息定义的季节。光谱组成是植物感知光的一个参数,它随海拔、纬度、季节以及气候和大气因素而变化[5].在白天,太阳光的光谱能量分布在白天、黎明和黄昏之间发生变化,因此光质量有助于确定光周期信号的精确定时。此外,蓝色、红色和远红外波长的相对水平在许多情况下会发生变化,例如在云层存在的情况下。因此,自然光谱在不断变化的通量状态下,伴随着其他环境的变化[6].最后,到达植物的辐射受到这些因素和邻近植物树冠的影响[7].所有这些情况引起导致复杂的相互作用的光谱差异,影响植物的生长[8].

开花是一个复杂的过程,它涉及多种信号通路,记录来自植物和环境的信息,并在有利的条件下促进过渡到生殖阶段。大麦(大麦芽L.)和小麦(小麦属植物SPP。)是漫长的(LD)植物,在增加的日间较早开花。开花促销通过主要开花时间基因的相互作用来控制,春化1HVVRN1)vernalization 2HVVRN2.)和同源的开花轨迹T.FT.),HvFT1.必须集成春化和光周期信号以及时开花;因此,上述基因与长期和短的光周期反应基因相互作用,PhotoPeriod Remancal1.PPD-H1,谁的候选人是HVPRR37.9)),photoperiod响应2PPD-H2,谁的候选人是HvFT310.]), 分别。

光质量对植物生长的影响已被广泛研究,特别是在园艺和观赏植物中。如今,在室内设施中尽可能快速种植作物的新方案正处于植物育种研究的前沿[11.].在计划实验时,必须考虑优化生长室的光谱组成,以有利于快速发展或促进结果的复制。在最近的一项小麦LED照明实验中[3.]光谱和强度影响发育,新陈代谢,产量和质量,开启可能调节光线以改善它们。

由于其与植被阴影的关系及其在避免避免综合征的关系,包括不同光源的比较,因此已经广泛研究了红色(R:Fr)的比率。12.13.14.].最近,人们对植物响应能力高度依赖于感兴趣的物种和品种的其他波段比率给予了很多关注[15.].例如,在小麦中,光质质量是干伸长的决定因素,其受蓝色,绿色和远红光抗拮抗的影响[3.].

我们的工作重点是两种提供不同光谱质量的传统人工照明方案:荧光(F)和金属卤化物(M)灯泡对植物发育的影响。我们的目的是:1)描述不同照明系统的影响,并检验在两种条件下转移植物的后果,2)评估来自不同来源的一组品种的反应的自然变化,3)确定植物发育早期对春化和光周期途径的分子效应。我们比较了大麦主要开花时间基因在形态和发育方面的响应,包括开花端检测和基因表达研究。

结果

对光质的发展响应

在这项工作中,研究了两种广谱光源的影响:荧光(F)和金属卤化物(M)灯泡。两种光源都发射出连续的可见光谱,在特定区域有很大差异(图S)1)。通常,荧光灯富含绿色黄色(GY)和红色(R)区域,而金属卤化物谱在光合作用区域(PAR)上更平衡。

11个不同等位基因组成的大麦品种hvvrn1.HVVRN2.HvFT1HvFT3基因(见表1)在M和F条件下评估,以及在春化过程结束后10天涉及增长室之间的交换的换档处理。通常,在f的植物下生长的大麦植物比在m条件下开花(图。1在包括开花过程的物候期(物候期)中,光照条件对第一个节出现(DEV31)和从第一个节出现到茎伸长期(DEV30)的时间影响最大(F更长)。

表1所检查的大麦基因型列表和主要开花时间基因的等位基因变体
图1
图1

在不同的光照治疗的不同发展阶段的持续时间。金属卤化物(M), 10 days in fluorescent and then shift to metal halide (FM); fluorescent (F) and 10 days in metal halide and then shift to fluorescent (MF) bulbs. Mean of 11 varieties and 4 replicates per variety (n = 44), and standard deviation are represented as numbers in each phase. DEV31, first node appearance; DEV31–30, days from first node appearance to the onset of stem elongation; DEV30–37, days from the onset of stem elongation to the appearance of the flag leaf; DEV37–39, days to complete expansion of the flag leaf; DEV39-DEV49, days from the completion of the flag leaf to awns appearance; DEV49-ZDSE, days from awns appearance to the end of stem elongation

关于换档处理,通常,从M至F(MF)转移的植物需要较长的时间以比从F至M(FM)转移的植物到达杆伸长率(ZDSE)的末端,而是早于F条件(无花果。1)。在这两种偏移中,植物显示出类似的DEV31阶段的平均持续时间,其左右25天。然而,从那一刻开始,FM条件缩短了不同苯酚的持续时间,变得更类似于M条件的发育。总体而言,治疗中的阶段持续时间的差异在两个阶段中更浓缩,茎伸长率前后(DEV30)之前和之后。总持续时间直到DEV30为24.2,27.9,34.4和52.4天(分别为M,FM,MF,F)。在DEV30之后,总和在FM,MF,M和F处表现出治疗的几乎变化,分别为13.9,15.3,17.3和17.8天。方差的分析显示治疗,品种和相互作用治疗×各种发育阶段之间的显着差异(图S2)。

治疗m和fm显示出相似的苯菌酶的持续时间(图。1)。在荧光条件下10天,DEV31和DEV30 (FM后)的出现略有延迟,但这一延迟几乎完全被最后三个阶段的加速所抵消。F和MF的差异更大。在M条件下,大部分物候期在10 d后变短。1),前两个阶段的差异最大(Dev31和Dev31-30)。金属卤化物照明(MF)下的10天的简要阐述,假设DEV31的加速度高达17.5天,以及高达31天的AWNS外观(DEV49)的加速度(图S3.)。

连续F光处理的植株主茎终叶数高于其他3个处理。光处理对叶螨也有影响,F光处理下叶螨的数量越多,叶螨的数量越长(图S)4)。

该品种在对照(M)条件下显示出不同的发育模式(图S5)。尽管使用了照明系统,一些品种仍能同时达到DEV31,而在其他情况下,荧光灯延迟了过渡,从点到1:1线的距离可以看出。在不同的光处理中,品种Haruna二条和Kold的响应是最稳定的。

端生和植物高度的动态

在实验的不同时间点对植物进行解剖,研究根尖的发育情况。记录Waddington期和顶长。在荧光条件下,植株顶端发育延迟(图。2)。For apices dissected 10 days after the shift (20 days after vernalization), two contrasting patterns were detected: shifted plants in FM showed the same delayed pattern as the plants from the initial F chamber but plants in MF progressed as readily as plants in M. Thus, the initial period under metal halide light produced a developmental boost that accelerated development even after the shift to fluorescent lighting conditions. From 10 days after the shift to the last apex dissection, we observed different patterns of responses: (A) plants that adapted to the new conditions, showing the expected pattern of growth according to the new conditions (Scio and Price), and (B) plants which showed small or no differences between treatments (Kold, Haruna Nijo, Ragusa).

图2
图2.

不同光质条件下APEX开发的动态。每个块代表一个品种。实线表示对照处理(白点是荧光,黑点是金属卤化物),并且虚线表示换档处理(在平方米,三角形中的MF中的FM)。每个点的大小表示该蛇顿阶段的APICE(生物重复)的数量。虚线水平线标记WD2,双脊阶段被认为是从植物生殖相到的过渡。垂直透明灰线表示换档日:改变轻质化妆品的日子。阴影区域表示使用多项式回归模型计算的95%置信区间(黄土光滑线)

在移位处理中,尖的发育表现出快速的形态变化,而尖的长度则表现出较慢的响应(图S6)。在试验过程中多次测量尖峰发育,但4个处理在同一天只测量一次(试验开始后30天,轮班后20天)。品种间、处理间及其互作间顶端发育存在显著差异(表S1)。

我们在响应光质质量方面观察了植物高度动态的多样性(图。3.)。一些品种仅在F(Esterel,Ragusa,SBCC016和SBCC046)中显示出不同的行为。其他品种在四种处理下显示出不同的发育,植物在M,然后在FM和MF中达到茎伸长的发作,最后在F条件下(Dicktoo,8-12,价格,SCIO和WA1614-95)。

图3
图3.

不同光质条件下株高动态。每个块代表一个品种。蓝线,荧光(F);黑线,调频;红线,金属线(M);黄线,MF。每条线代表4个生物重复的平均值,条形代表标准差。曲线下方水平线表示主茎中从第一个节点出现(DEV31,第一个点)到芒出现(DEV49)的时间。垂直的实灰色线表示转换日(植物在不同光质量处理的生长室之间切换的日子)

最终株高受各处理的影响(图S4),但低于其他特征,如DEV30(图S2)或达到最终株高50%的天数(图S)4)。

我们分析了是否基于开花时间基因的等位基因组成的基因型组如表所示1对发展有任何影响(表S2)。我们发现在处理交互作用水平上的品种只有微小差异(HvFT1按最终株高处理)。

生殖健康特征

不同发育时期对收获时测定的性状有影响。在荧光条件下生长的植株节间多,末节间短,每穗小穗数多,种子少且颜色浅。4)和更多的最后叶子(图S7)而不是其他治疗方法。结果表明,除主穗种子数(方差分析)外,其他性状在处理间均存在差异p-Value = 0.182)。在金属卤化物条件下种植的植物比在荧光条件下生长的植物具有较重的种子。在FM中种植的植物显示比荧光灯在荧光灯下的植物更加生殖的分蘖和种子数量,植物在十一种品种中有九个耕犁(图)8),但许多不产生穗,导致生殖分蘖的数量与金属卤化物相同(图。4)。

图4
装具

4个光品质处理在收获时测定的性状箱形图。F,荧光;FM,在荧光灯下10天,然后转为金属卤化物光;M,金属卤化物光;MF,在金属卤化物中10天,然后转移到荧光条件。在每个箱形图(n = 44)中,均值用黑菱形表示;分割框的水平条表示中值;方框的高度代表四分位范围,须的长度代表四分位范围的1.5倍。从上到下,从左到右:主茎节点数;主茎最后节间的长度,以厘米计; length of the main spike in cm; number of spikelets per main spike; number of seeds in the main spike; individual seed weight (g) in the main spike; number of reproductive tillers per plant; total number of seeds per plant; and total seed weight per plant. Results derived from 4 plants per variety, 11 varieties. Different letters represent significant differences between treatments in a post-hoc LSD-test, for aP值< 0.05

基因表达

在春化处理结束后20天(FM和MF转移后10天),分析了主要开花时间基因在植株叶片中的表达情况。5,表3.)。对于所有品种,除了最早的Haruna Nijo外,当大多数基因型的端子已经发生了营养生成转变时,发生了采样时间WD2.0(图。2)和植物在DEV31之前,或DEV31和DEV30之间(图S3.)。

图5
figure5

不同处理下的基因表达。春化处理结束后20天取样。与肌动蛋白相关的基因表达。3个生物重复的平均值。酒吧代表扫描电镜

总的来说,HvFT1最重要的是本研究中最早的多样性的Haruna Nijo。另一方面,Kold,最新品种,表达了HVVRN2.在所有处理下,其在其他基因型中的表达均较低。HvFT3,在荧光条件下大多数情况下上调(Scio是例外)。这两个基因都在这种情况下表达。

光质量的影响hvvrn1.PPD-H1被观察到。在M和FM条件下均有较高的表达。这些基因表现出对新环境的快速适应,因为它们的表达水平在MF和F之间以及FM和M之间更加相似(图2)。5)。有趣的是,表达了PPD-H1hvvrn1.Pearson相关性为中高正相关(r = 0.59)。

如前所述,大多数对光照条件的发育持续时间的变化发生在DEV30之前。采用双元图分析同时发生的形态和基因表达变化,主成分分析包括每个基因型在DEV30前后两个阶段的持续时间,以及基因表达(图)。6一个,不包括HVVRN2.HvFT3,这在大约一半的基因型中不存在)。第一和第二组分分别解释了41.11和16.03%的差异(图。6a).第一个组分按处理的整体早度将品种区分清楚,M和FM在右边,F在左边,MF在中间。这一组分也在早期和晚期品种之间整体分离,特别是在F条件下最慢的Scio和WA1614-95,与在所有条件下最快的Haruna Nijo品种分离。快速过渡到伸长期(以低DEV30值表示)与发育诱导基因的高表达水平有关PPD-H1hvvrn1.HvFT1(无花果。6A),它有大量的负载与相反的标志在第一个组件。RNA取样日(实验开始后20 ~ 23天)的顶峰期与表达水平的相关系数证实了这一点hvvrn1.(r = 0.42),PPD-H1(r = 0.57)HvFT1(r = 0.60)。第二组分呈现为茎伸长阶段LSE的最大载荷(图。6a).同样,当分析中包含所有物候期和基因表达数据时(图S)9),DEV31和DEV31-30是第一个组件中最大的变量,负载负载,这意味着它们在F处理处获得更高的值,并且在M和FM下降低。第二组分再次与杆伸长率的各种特性相关联。在这种情况下,DEV37-30(阀杆伸长率发出的天旗叶片的出现)最大的装载。HVVRN2.在该轴上呈正贡献,表明其更高的表达式在密集的杆伸长率和旗叶外观的开始之间恰好恰好间隔。

图6
figure6

发育阶段与遗传背景的关系。一个常见基因表达的主成分分析及发育的两个阶段。红色箭头表示的基因表达值hvvrn1.HvFT1PPD-H1和两阶段的发展阶段:从春天结束到茎伸长率(dev30)的开始的天数,以及茎伸长阶段(LSE)的长度。b基于物候特征的11个大麦品种树状图。4种条件下测定的性状(F, FM, MF, M)

通常,相关性和PCA表明,开花的启动子基因的高表达有助于第一个节点外观的加速度和其他候选阶段的直立阶段的加速度,而表达HVVRN2.与茎伸长期的延长有关(图S9)。

对不同光源的响应的多样性

我们利用17个性状(包括物候和形态)对4个处理的响应进行了探索性分析,以分类品种(表S4)。结果,品种被分为4组。Haruna二条和Kold各组成一组。6)尽管是最不敏感的品种:Haruna Nijo是最早的和Kold最新的治疗。这些组与主要开花时间基因的等位基因变体无关,尽管各种主要分为两个主要群体中的地理来源。因此,来自美国的品种(价格,八十二,WA1114-95和SCIO)集成在一起,除了位于欧洲集团的ragusa(ragusa,Esterel,Sbcc016和Sbcc046)附近的Dicktoo除外。一般而言,欧洲品种的轻质性治疗影响较小,而大多数美国品种则应响应金属和换档条件下的加速发展模式。

讨论

平衡光谱加速了植物的发育

在相同的光强度、温度和光周期下,我们观察到仅仅由于光源的光谱组成而导致的显影差异。黄绿色和红色区域的荧光丰富,而金属卤化物灯泡则在PAR区域产生更平衡的光谱。我们的结果表明,金属卤化物条件比荧光灯更有效地加速发育,其效果被证明是发育阶段特定的。

在这项工作中,我们已经建立了质量轻影响物候期的茎的伸长发病前的时间,最大程度。第一节点外观(DEV31)和植物(DEV31-30)的直立状态匍匐之间的过渡需要较长的时间的荧光的条件下发生。这与顶点发展的动力,在并购加速光一致,并与叶的数量和更长phyllochron F中的光增加。因此,F光下的生长迟缓,是由于具有更多叶开发的组合,和叶外观速率慢。叶子的最终数量植物发育过程中的早期确定,因为有两个移位治疗之间几乎没有差别,这意味着条件后不久移位并没有太大影响到这个特点。Phyllochron,在另一方面,是更受后移的条件。分蘖在荧光条件更丰富的,尽管在实验结束时,F下生长的植物显示出相同数目的生殖分蘖比M.另外的植物,F中生长的植物产生的每穗的小穗更多。穗粒数,然而,是不是从其他治疗方法不同,但F中的种子显著轻。因此,导致分蘖生产的较长F相的条件下的时间越长初期阶段,但这些植物不能生长的所有那些分蘖,直到结束,并且即使在这种情况下,分别在灌浆效率较低,即使示出不育或晶粒流产。 To the best of our knowledge, this is the first report indicating that light spectra of metal halide bulbs accelerated barley development, reducing the duration of the stem elongation phase, producing plants with less biomass and heavier seeds than in fluorescent light.

众所周知,轻质质量,特别是红色和远红光(R:Fr比率)的关系,是调节植物生长和植物生殖阶段的过渡的重要提示[19.].R:FR比的变化有助于植物检测邻居的存在[20.].为了应对低R:FR光比,许多植物表现出一种快速和明显的光敏色素介导的建筑适应,称为遮荫回避综合征[220.21.22.].在不耐阴的植物中,如拟南芥,这种综合征包括茎和叶柄伸长生长速度的增加、叶绿素含量的降低、顶端优势度的增加和开花早[22.23.].本研究中观察到的不同反应可能与光谱的某些部分中强度的差异有关,特别是R:FR比率的R:Fr比。荧光灯产生非常高的R:Fr比率。金属卤化物鳞茎还显示出R族的高比率:Fr与天然条件(〜1.1)相比,但比荧光低3倍。考虑到这一点,人们可以期望在金属卤化物条件下的植物反应可能类似于那些诱导的阴影避免反应。用金属卤化物灯生长的植物显示出更快的阀杆伸长率,较早开花,但减少了分蘖数,所有与避免阴影相关的反应。然而,在实验结束时的植物高度在治疗中类似,而在荧光条件下生长的植物中观察到延迟的顶点开发,广泛的分蘖和晚开花。在这方面,当在低红色/远红比下分析10个小麦品种的生长,尽管植物高度未受影响,但低R:r比率每株植物的谷物产量显着降低(通过晶粒数,二次,通过粒度植物) [1].在我们的研究中,M和F之间的比较表明,平均而言,植物与金属卤化物灯较重的种子。所有这些观察结果表明,即使金属卤化物可能引出“避免避免”反应,R:Fr比率不足以涵盖产量罚款。其他作者已经检查了特定波长在小麦生长和发育中的影响。在使用LED照明的研究中,不同的光波带(蓝色,绿色和远红色)对小麦开发作用拮抗,特别是在较低的强度下[3.].这些作者揭示了蓝光和红光之间的平衡比例加速了小麦的开花时间。乍一看,这可能与我们的结果一致。而在我们的实验中,金属卤化物和荧光条件下的B:R的比值非常相似,接近于1。此外,绿光通过隐花色素依赖和独立的机制影响植物过程,其效应与红色和蓝色波段驱动的效应相反[24.].由于荧光光谱在绿色和红色波长上饱和,这可以解释在这种光照条件下在大麦植株中观察到的延迟。

基因和基因表达底层光反应

如上所述,阴影避免可能与观察到的响应相关。事实上,在大麦中描述了这种机制,其中邻近植物的碳分配受到红色变化的影响:远红光条件影响挥发性有机化合物的发射[25.].传统上,育种工作已经减弱了现代作物品种的某些但不是所有避荫反应[26.].对拟南芥光敏色素缺失突变体的研究证实了它们调节遮荫回避综合征[20.].

随着红色和蓝光激活植物和加密体,这些区域的平衡光谱可能导致快速生殖反应。有些报道还突出了绿光对发育过程的重要性,通过加密依赖机制,以及可能的其他途径。它的效果通常与红色和蓝色波段驱动的效果相反[24.].在拟南芥,有报道称绿色波段有抑制作用FT.由直接失活的CRY2蛋白引起的表达[27.]但是这种效果主要发生在低光条件下。值得注意的是,在植物家庭中对绿灯变化的反应,据报道,据报道,小麦通过促进早期开花来响应绿色黄光带(500-600nm)[28.].在我们的实验中,绿色和红色的荧光光谱更丰富,这可以解释在这种光照条件下大麦植株中观察到的延迟。

荧光和金属卤化物灯泡的明显光谱引起了主要开花时期基因的表达水平的差异,即使在全常规化和每天长度为16小时后为两个腔室中的所有基因型提供同样的诱导条件。开花的正稳压因素(hvvrn1.PPD-H1HvFT1)在金属卤化物条件下显示出比在研究的大多数品种的荧光条件下更高的转录水平(Kold是例外,尽管其表达水平可能太低,但非常精确)。这种效果很清楚,是这项研究的主要结果之一。其他研究发现了依赖FT.在这种情况下,不同的R:FR比率对光质量的影响拟南芥突变体,并提出了Phya和ELF3的调节[29.].由于在这项工作中使用了广谱光源,我们不能丢弃其他波段在荧光条件下开花启动子下调的涉及或在金属卤化物灯泡的平衡光谱下的上调。事实上,开花促进剂的上调符合开花阻遏物的低水平HVVRN2.,金属卤化物条件下。这种对葡萄化基因的影响意外,因为在转移到生长室之前,所有基因型都是完全vernalize以开始轻质质量处理。

在大麦,HVVRN2.表达受光周期控制,因长时间工作而上调[30.].在这里,我们发现增加了HVVRN2.在荧光条件下生长的植物中mRNA水平,与降低的水平有关hvvrn1.以及早期阶段的延长。这些结果实际上模拟了春化治疗不足的效果[31.32.].HvFT3与其他处理相比,荧光条件下表达上调。一个启动子的作用,特别在早期阶段的发展被提出HvFT333.],并且有证据表明春化不完整时的促进效果[31.32.].更大的表达HvFT3在F中可能是对春化效应部分逆转的补偿。

在这项工作中,我们强调了之间的高度相关性hvvrn1.PPD-H1F和MF以及M和FM条件下的基因表达水平相似。变化的光质量条件引起基因表达水平的快速变化。两种条件之间的转换仅10天后,这两个基因的表达就适应了新的光照处理。PPD-H1在大麦对长日照条件的敏感性方面起着关键作用,同时也是生物钟的输出。最近,有报道称大麦的光质生物钟发生了变化[34.].我们假设这一点PPD-H1hvvrn1.是受所经历的不同光谱条件影响的时钟元件的下游因素。据此,有较强的下行调控PPD-1基因,昼夜时钟成分在缺失小麦突变体中表达不同或者PHYC35.].尽管需要更多的研究,但发现可以支持我们的假设。

不同时期光谱的混合有利于植物生长

一般情况下,进行移位的条件的植物表现更接近金属卤化物控制,即使MF植物传递的大部分时间荧光的条件下。We compared control and shift to determine whether 10 days in other lighting regime had effect on development. We observed that the pattern of development in FM was very similar to M. Thus, plants that started their development under fluorescent conditions were delayed, but recovered very fast. The delayed development caused by fluorescent lighting in early phases was overcome rapidly in metal halide conditions. On the contrary, when grown for 10 days in metal halide conditions and then shifted, plants did not behave as those in control fluorescent conditions. Plant development in MF was more rapid than under fluorescent conditions. Thus, 10 days in M were enough to accelerate development remarkably, which was not as severely impaired by the fluorescent spectrum as for plants grown continuously in that condition.

对光电质量的不同敏感性及其对多样性的生物学意义

在研究中的品种中有多种对照明治疗的反应。在所有治疗中,Haruna Nijo是最早的品种,对轻质质量不敏感。该基因型突变突变光敏色素C基因,在SD和LD条件下都具有非常早期的表型[36.37.].我们观察到其他10个基因型对光质量的反应是分级的。需要进一步的研究来解开这些不同反应背后的遗传因素。

这种对光质量条件的不同敏感性可能在植物策略中具有生物学意义,这些策略赋予植物不同的生态行为以应对竞争对手和环境[38.].到目前为止,对光质量响应多样性的研究主要集中在对低R:FR的不同响应上,例如培育对邻居冠层不敏感的植物[39.].某些高拟南芥株系受低R:FR的影响比短拟南芥株系小,低纬度的基因型比高纬度的基因型高[40].同样,这里的品种研究显示了与不同位置相关的不同植物高度动态。欧洲品种(Ragusa,Esterel,SBCC016和SBCC046)和日本人(Haruna Nijo)往往更高,并且比来自美国的轻质质量条件更低的响应性(Kold,Price,WA1614-95,八十十二,Scio和Dicktoo)总体而言也更短。植物高度的这种差异可能揭示了不同的育种历史。欧洲三个品种被直接选择了(Ragusa,以及SBCC线),而所有美国人都来自现代​​育种计划。因此,美国品种可能携带一些半矮种等位基因。在该地区的进一步研究中,应考虑植物高度和光敏之间的可能链路。

结论

光质量效应的表征突出了光谱在发育早期阶段的重要影响,揭示了茎伸长的开始受影响最大,以及其他下游对植物形态和产量构成的影响。与金属卤化物光相比,荧光能部分逆转春化过程的结果,延缓发育,并影响粮食生产。大麦对光品质敏感的基因型存在变异,可为培育具有较强竞争能力的品种提供依据。在对光质量的响应中发现的自然变异加强了对不同光参数响应的遗传控制的未来研究的需要。基于我们的研究结果,我们认为光谱线可能通过调控信号通路的上游元件来调控春化和光周期基因。是否光敏色素或隐色素在金属卤化物条件下的平衡光谱和荧光灯泡的绿色和红色饱和光谱之间的差异,值得进一步研究。

材料和方法

植物材料

本研究共纳入11个大麦品种1)。Kold,Price,Wa1614-95,Haruna Nijo,八十,十二,Scio和Dicktoo是美国上限项目的一部分,并由Patrick Hayes教授提供(美国,美国)[41.42.].拉古萨是一种克罗地亚长白龙,从荷兰瓦赫宁根中国广核集团获得。埃斯特尔是来自斯伯拉的法国品种。SBCC016和SBCC046是从SBCC衍生的两个西班牙长种自交系[43.].所有品种在MTA-ATK分离繁殖,收集自袋装穗,从OSU或EEAD-CSIC小组提供的原始种子。不同品种的主要开花时间基因具有不同的等位基因构成,与春化和光周期途径相关(hvvrn1.HVVRN2.HvFT1PPD-H1HvFT3),如表所示1.在实验开始之前,植物完全vernalized(5±2°C,在8小时内/ 16 H晚上52天)。然后,将植物移动到具有不同灯泡,荧光或金属卤化物的独立生长室。所有这些都是在长期的光周期条件下建立(16小时光/ 8 H夜),在白天和夜间恒定温度为18±1°C,相同的光强度(〜250μmolm- 2年代- 1)。

光光谱条件

实验是在匈牙利科学院农业研究所Martonvásár(匈牙利)的Phytotron设施中进行的,使用的是Conviron PGR-15生长室(Conviron Ltd.,加拿大)。

使用了两种在光合活性区域有主要差异的广谱灯(PAR, 400-700 nm): Sylvania cool white fluorescent (F)和tungsten HGL-400 metal halide (M)灯泡。绝对光子辐照度由USB400-UV-VIS光谱仪(Ocean Optics, USA)获得,测量植物冠层顶部的PAR。光谱数据基于0.21 nm区间(350 ~ 873 nm),计算为光谱光子分布,并将区间内的总和计算为光子通量[44.].在400-850 nm波长范围内,研究了两种光源中光的光谱能量分布(图S)1图S给出了不同波长的光子通量密度的比值1B(继莫滕森和斯特罗姆[45.])。蓝色区域(b)范围为400-500 nm;绿黄色(GY),500-600纳米;红色(r),600-700 nm;远红色(FR),700-800 nm。PAR区域内的主要差异是由于绿色黄红色比率(GY:R)和红色比率(R:FR)(图S1)。

光质量处理的比较

该研究包括两个对照处理和两个转换处理,在两个生长室中生长,每个生长室都配备了不同的照明类型。首先进行轮班处理,当这些处理完成后,再进行两个对照处理。对照处理的植株在相同的生长室(M或F)中保存整个试验期间。移栽处理在春化后将植株移入其中一个室,10 d后互换整株植株(M株移入F室,F株移入M室)。移位处理被编码为MF和FM。为了进行表型测定,每个基因型分别播种16株,每个生长室放置4株,每个基因型和处理4个重复。此外,每个基因型和处理20粒种子,每组5株/盆,用于破坏性取样,记录顶端发育阶段和基因表达研究。

表型测量

通过计算叶片和分蘖数,测量株高,检查第一个节的外观(植物发育阶段31,或DEV31)和最后一个叶鞘(DEV49)上方可见芒的外观,每周监测植株发育两次。所有这些数据被用来分析物候期的发育,物候期是根据Zadoks量表的阶段定义的[46.,根据Tottman等人的描述[47.].kiss等人衡量了发展的动态。[48.].DEV30为延伸阶段的开始,DEV37和DEV39分别为旗叶出现和完全伸长的天数。另一个计算性状是达到株高50% (PH)的时间50)。

在对照条件下,在冬季化期结束后的8,23,31,37和45天进行Apex解剖。在换算条件下,在春化期后进行20,30和41天进行APEX解剖。在每个采样点,每种各种和治疗的3种植物被解剖。在Waddington的规模之后,在录制顶点长度(mm)和顶点阶段组成的表型[49.].为了进行基因表达分析,在每个处理的光照周期中间,即春化结束后的20天,采集3个植株的最后一片完全展开的叶片进行基因表达分析。

将植物生长至全部成熟度,评价以下产率组分:主干中的节点数量,主干(cm)中的最后一个间质的长度,主干(cm)中的尖峰长度,每次尖峰数主干中的穗,肥沃的分蘖数(生殖分蘖),主要茎的种子数量,主干中的个体种子重量(g),每株种子总数,整个植物的种子总数,整个植物中的总种子重量(G)。

基因表达

根据制造商说明(Qiagen, Ltd),使用TRIzol Reagent (Thermo Fisher Scientific, Ltd)和Qiagen RNeasy Plant Mini试剂盒从叶子组织中分离总RNA。然后在QIAcube设备(Qiagen Ltd)中提取材料。1微克总RNA用于cDNA合成,使用Revert Aid First Strand cDNA合成试剂盒(Thermo Fisher Scientific, Ltd),采用公司提供的标准协议。采用SYBR-Green Master Mix,在旋转基因Q设备(Qiagen Ltd)中进行了3个生物学和2个技术重复的实时定量PCR。所评估的基因引物序列见表S5.表达式归一化为肌动蛋白使用转子基因软件,也占放大效率。

统计分析

分析采用了生长在4个不同处理(MF、FM、M、F)的11个品种的数据,并考虑了平均3-4个生物重复。在表示顶点阶段的动力学,95%的置信区间使用局部多项式回归模型计算。所有分析均在R [50].所有因素(基因型和处理)均为固定因素,并在处理内嵌套进行方差分析。当比较基因型组时,计算因子基因型内的对比及其与治疗的相互作用。为了检验它们的显著性,我们计算了每个对比的均方根与没有被每个对比解释的混合基因型方差的均方根的比率。Fisher ' s受保护的最小显著差异(LSD)与R包' agricolae '进行多重比较[51].皮尔逊相关性是通过“corrplot”软件包获得的[52].利用R函数' prcomp '进行奇异值分解,并基于相关矩阵进行主成分分析(PCA)。双图是用包' ggplot2 '进行的[53].为了通过聚类分析评估表型多样性,考虑所有处理中的所有常见变量,丢弃了高度相关的变量。最后,使用17种表型特征来进行集群分析(表S4)。群集分析(UPGMA)是用包装“FactoExtra”的[54].以亲和相关系数最高、高尔距离最低的结果为最佳分组结果。

可用性数据和材料

在当前研究中使用和/或分析的数据集可从通信作者在合理要求。

缩写

B:

蓝色区域

戴夫:

发展阶段

F:

荧光

FM:

从荧光状态到金属卤化物状态的转变

FR:

远红外的地区

孔侑:

Green-yellow地区

M:

金属卤化物

MF:

从金属卤化物到荧光条件移

票面价值:

光合活性区域

r:

红地区

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