ArrayJet生物芯片点样仪助力植物耐旱能力研究
植物细胞最重要的特征之一是含有细胞壁，细胞壁富含多糖结构，包围着原生质体，具有控制植物形态和调节生理功能的作用。对于多肉植物而言，干旱会迫使它们形成多肉综合征，主要表现为细胞壁的改变。对于多肉综合征与细胞壁结构以及多糖成分变化之间的关系目前尚无明确定论。为了了解植物组织结构进化与其适应干旱环境的内在联系，已经有许多团队从分子生物学、组织学、功能学等多方向开展研究。本次我们介绍的是从不同种类植物的细胞壁及其组分进化的角度，来研究与耐旱能力之间的关系。
该文章于2023年8月31日发表在《Physiologia Plantarum》杂志，来自于哥本哈根大学植物与环境科学系的Bodil Jørgensen团队。该团队选取了Crassula（一类景天科植物）作为研究对象，主要研究内容：(1)不同干旱条件下，自然生长的Crassula多糖和糖蛋白组成; (2)Crassula的糖组学多样性对进化和适应干旱环境能力的影响。
实验方法
作者共采集了56个Crassula类群样本，每个类群至少采集三片叶片作为生物重复。首先，将叶片样本破碎并纯化，然后连续稀释形成浓度梯度并接种到384微孔板中，使用英国Arrayjet公司的 Arrayjet Marathon Classic生物芯片点样仪（现为Mercury 25型号）将样品点印在0.45微米的硝酸纤维素膜上制成多糖芯片。然后使用48个靶向不同的多糖和糖蛋白的单克隆抗体作为一抗与芯片杂交，再用荧光标记的二抗进行孵育。在芯片扫描仪读取芯片后，使用RStudio软件，利用微阵列聚合物谱分析方法（Comprehensive microarray polymer profiling ，CoMPP）、多因素分析法（Multiple factor analysis ，MFA）和随机森林分析（Random forest ，RF）（图1）完成芯片数据分析。
为了印证芯片分析的结果，作者进一步使用显微镜观察了不同种Crassula的叶片组织切片，从组织学角度分析细胞壁与耐旱能力之间的关系。同时，也利用高效液相色谱分析了叶片样本中单糖的组分差异与细胞壁之间的关系。
图1 微阵列芯片方法的流程示意图，利用Arrayjet Marathon Classic生物芯片点样仪制备植物多糖芯片，进行抗体杂交检测
实验结果
通过对多糖微阵列芯片与组织结构进行分析，发现致密型和非致密型Crassula物种在叶片糖组学方面具有不同的表型分布(图2)，而且细胞壁中果胶和阿拉伯半乳聚糖的表达呈现出显著差异；在与干旱相关性的研究中，发现鼠李半乳糖醛酸聚糖以及阿拉伯糖的表达水平也与干旱程度呈正相关。这些结果提示不同的糖组性状可能通过参与细胞壁的形成影响植物抗旱性。作者将CoMPP的结果以热图的方式呈现，并结合多MFA形成了图2中的结果。有些类似于流式细胞分析的结果，该方法是从多个维度分析样本参数在散点图中的分布情况。作者分析了前五个MFA维度，综合各个维度的结果，结果发现致密型和非致密型两类植物的生长形态的综合差异则会更大。
图2 (A)基于CoMPP数据的多因子分析(MFA)得分图，根据两种生长形态(浓度椭圆在0.68水平;星星代表离群值)。(B) (A)阴影区域的扩展视图。紧密型和非紧密型Crassula种沿MFA第1维度(C)和第2维度(D)的箱形图。使用Welch t检验(如果两者均呈正态分布)或Wilcoxon检验评估两组之间的显著差异，用星号表示(***p <0.001)。
在单糖分析中，致密型植物的阿拉伯糖含量显著较高，而非致密型植物的木糖含量较高，葡萄糖则没有明显的倾向。此外，细胞壁中果胶和阿拉伯半乳聚糖的表达呈现出显著差异；在与干旱相关性的研究中，发现鼠李半乳糖醛酸聚糖以及阿拉伯糖的表达水平也与干旱程度呈正相关。
最终，结合单糖成分、组织结构分析，作者得出以下结论。利用MFA分析的CoMPP结果表明，致密型和非致密型crasura物种在叶片糖组学方面占据了不同的表型空间(图2)。果胶和阿拉伯半乳聚糖蛋白质（AGP）是驱动两种Crassula产生生长形式差异的主要细胞壁成分。在与干旱相关性的研究中，鼠李半乳糖醛酸聚糖，阿拉伯糖和AGP表位的水平也与干旱的增加呈正相关，这些结果提示不同的糖组性状可能通过参与细胞壁的形成影响植物抗旱性。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ppl.14007
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