大麦表型经典研究案例

Article source:本站 | 2017-08-29

大麦(学名:Hordeum vulgare L.),俗称三月黄,禾本科植物,是一种主要的粮食和饲料作物,也是酿造啤酒的主要原料。作为工农业生产的重要谷类作物,其总产量排在玉米、水稻、小麦之后列第4位,种植面积约达53万平方公里,在我国也曾是栽培面积达一亿亩以上的重要农作物之一。

 

大麦是第一个被驯化的谷类作物,因其早熟和高度抗逆性(包括耐寒、耐旱、耐盐碱等)而在世界范围内广泛种植。其二倍体特性使其成为麦类作物基因组研究的重要材料。经过基因测序,大麦基因组全长5.1 Gb,约为水稻基因组的11倍,几乎是人类基因组的两倍。2017年4月27日,Nature期刊以Article的文章形式题为“A chromosome conformation capture ordered sequence of the barley genome”(论文链接:http://dx.doi.org/10.1038/nature22043)公布了国际大麦测序联盟(IBSC)在大麦基因组精细图谱研究上取得的重大研究成果,该文被列为自然杂志当期的封面文章,张国平教授团队参与完成的大麦基因组研究成果,为该论文的共同通讯作者。

 

随着大麦基因组的不断深入研究,科学家们针对大麦优良基因的遗传改良从未停止,因为表型以及表型组学技术的逐渐成熟,越来越多的课题研究组在现有的分子生物学、遗传学等技术基础之上,采用了更为先进的方法,更高效的对大麦的表型或者性状进行研究与分析。Christian Klukas课题组在德国著名的研究机构—植物遗传与作物植物研究所(IPK)的莱布尼茨研究所,利用高通量的表型平台进行了大麦的表型以及生理的研究。大麦在干旱条件下(见下图),其株高会降低、分蘖数减少,而复水处理之后,其株高、分蘖数表型会得到明显的回复,利用表型平台的成像数据,在这篇研究文章中,大家可以明显看到干旱和复水处理之后,不同时期的表型成像分析:在可见光成像下,进行植株高度及其动态变化、生物量及有效分蘖数的分析;在近红外成像下,观测植株含水分布情况;在荧光成像下,监测植株的生理变化。该工作发表在植物学领域的著名期刊 The Plant Cell上。

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文献来源:Dijun Chen, Christian Klukasa et al., The Plant Cell(2014)



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文献来源:Dijun Chen, Christian Klukasa et al., The Plant Cell(2014)


利用高通量的表型平台,大麦的许多参数都可以得到很好的测定与分析,小编为大家小结不同研究领域的主要参数类型,如下:

大麦株型研究领域重点关注的参数:植物冠层宽度、垂直高度、紧密度、对称性、投影叶面积、空间体积、植物结构、叶角度、节间长度。

大麦对生物胁迫反应的领域重点关注的参数:垂直高度、投影叶面积、空间体积、叶颜色、叶病斑、植物结构、叶角度、节间长度。

大麦对非生物胁迫反应的领域重点关注的参数:整株相对含水量分布、植物结构、叶角度、节间长度、叶长、垂直高度、投影叶面积、空间体积、叶颜色、投影叶面积、空间体积。

大麦产量研究领域重点关注的参数:植物冠层宽度、垂直高度、空间体积(生物量)等。

 

除此之外,还有更多的种子选育技术,可以进一步对大麦种子进行成熟度检测、性状检测。

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背景资料:

ž   LemnaTec表型平台

上述文章中的课题组进行图像采集与分析,主要使用的是LemnaTec的表型成像平台—Greenhouse Scanalyzer 3D。如下图,LemanTec完全可根据实验需求,进行定制化的设计与生产。

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ž   德国IPK研究所

莱布尼兹植物遗传与作物植物研究所(IPK)是非营利性研究机构,也是威廉·莱布尼兹协会(WGL)的成员。该研究所是德国中部生物技术园区加泰派生的发起者和中心。

 

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作为国际知名的植物研究中心,IPK重点关注基础和应用领域的现代生物学问题,重点研究栽培植物。 研究领域包括:

ž   植物遗传资源的管理,分析和演变

ž   细胞和分子基因组分析

ž   分子与发育生理学

ž   应用生理学和细胞生物学

 

IPK的核心研究问题是研究野生和栽培植物的遗传多样性,目的在农业部门更有效和更广泛地利用这些方法和植物材料,而且进一步开发新的改进的生物材料。IPK的表型图像分析的课题组,做了不少关于玉米、拟南芥等植物的表型研究,下面是他们近两年发表的文章。(来源:http://www.ipk-gatersleben.de/en/molecular-genetics/image-analysis/publications/)