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萤光素酶技术应用第二弹：植物活体成像应用

2024-08-08 11:07:16

萤光素酶技术应用 | 第二弹

植物活体成像应用

之前我们在萤光素酶技术应用第一弹：小动物活体成像全流程详解中介绍了萤光素酶技术用于小动物成像的全流程。其实，除了小动物，植物也可以进行类似的以生物发光或荧光为基础的活体成像。植物活体成像因其操作简便、可以直接观察或监测植物体内的分子活动，从而被应用于许多研究中，如转基因植物筛选、生物钟节律研究、非生物胁迫研究、抗病虫害侵袭研究等。

本期我们就来为大家介绍一下以萤光素酶技术为基础的植物活体成像的常见应用。

转基因植物筛选

转基因技术是一种通过分子生物学方法将外源基因插入到目标植物的基因组中，从而培育新的品种的手段。转基因技术是植物育种、改良品系的的重要方法之一，在许多植物研究中必不可少。传统的转基因植物筛选方法费时费力，如果使用活体成像技术可以快速、直观的看到筛选结果，这可以显著提高筛选的效率且灵敏度高。

将携带萤火虫萤光素酶基因（Luc）的载体转入植物，通过添加发光底物后活体成像可以快速、简单和直观的进行转基因植物的鉴定和筛选。

文献举例

GSTs是一类在植物种广泛存在的酶，它们可以参与清除植物体内的活性氧和自由基，保护植物免受氧化应激胁迫。GSTF8是GSTs家族中重要的一员。

澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）农业与食品部研究人员构建了一个GSTF8启动子驱动的GSTF8:LUC，并转染到拟南芥中用于筛选不同突变体。结果发现esr3突变体可以显著增强LUC信号，且后续发现比起野生型，esr3突变体对尖孢镰刀菌、链格孢菌和蚜虫的抗性显著提高。

图1 通过LUC发光强度筛选拟南芥突变体

(引自Sci Rep. 2018 Sep 7;8(1):13454.)

生物钟节律研究

地球的自转和公转导致光、温度等环境信号出现昼夜和季节性的周期变化。为了应对这些变化，大多数生物包括植物进化出了生物钟这一生物节律。生物钟不仅参与植物的生长发育，还可以调控各种新陈代谢，协调植物的抗逆能力，帮助植物更好的适应环境。所以说生物钟对于植物非常重要，研究其具有非常重要的意义。

将需要研究的与生物钟节律相关的目的基因的启动子克隆到Luc载体上并转入植物内，通过活体成像监控Luc发光强度的变化，从而研究目的基因在生物钟节律中的作用机制。

文献举例

先前的研究显示烟酰胺可以延长拟南芥的生物钟周期，剑桥大学研究人员以生物钟核心组分CCA1的周期性表达模式为指标，构建了CCA1:LUC质粒并将其转入到拟南芥中，添加底物后通过连续监测LUC发光强度反映CCA1活跃周期变化，结果发现烟酰胺的确可以延长拟南芥的生物钟周期。

图2 通过CCA1:LUC监测不同处理对拟南芥生物钟节律的影响

(引自Plant Cell Environ. 2021 May;44(5):1451-1467.)

非生物胁迫研究

植物非生物胁迫研究对于理解植物如何在不利环境条件下生存和繁衍至关重要。这些研究有助于揭示植物对各种非生物胁迫（如干旱、低温、盐分胁迫）的响应机制，同时为开发抗逆作物品种，帮助植物适应环境等方面提供思路。

文献举例

铁（Fe）是植物生长必须的营养元素，但是过量的铁会引发植物中毒。因此铁的摄取受到严格调控。在缺铁时，铁摄取显著上调以响应缺铁胁迫。

为了研究植物缺铁胁迫时如何调控铁摄取，达特茅斯学院的研究者构建了一个转基因拟南芥株，这个拟南芥含有一个由铁调节转运蛋白IRT1启动子驱动的萤光素酶基因（pIRT1:LUC）。并通过筛选发现一个突变体uri在缺铁时不能诱导Luc的表达。随后他们通过一系列实验进一步发现uri在缺铁胁迫时可以通过一系列调控增加铁的摄取。