应用案例文献导读

Huang等人的研究结合实时动态监测下胚轴生长率和转录组学数据，发现生长素和油菜素类固醇影响庇荫诱导的下胚轴伸长的两个快速生长阶段；而赤霉素主要参与庇荫诱导下胚轴伸长的第二个快速生长阶段。并且他们发现转录因子光敏色素相互作用因子7（PIF7）对庇荫诱导的下胚轴快速生长作用比其他PIF（PIF4和PIF5）更早。这项研究表明，激素和转录调节因子共同作用调控下胚轴的动态变化，对庇荫信号做出即时反应，并提供了植物在环境变化中生长动力学的新理解。

在这项研究中，作者利用我们的高通量幼苗表型分析平台（DynaPlant）实时动态监测庇荫诱导的下胚轴伸长过程。通过该平台，作者获得了详细且高质量的数据，一些有代表性的结果如下。通过对下胚轴的新生长及生长速率进行精确测量和计算，作者定义了下胚轴在早期庇荫反应过程中的四个生长阶段：从庇荫处理开始到45分钟是生长滞后阶段，即第一阶段；45到105分钟是庇荫诱导下胚轴伸长的第一个快速生长阶段，即第二阶段；105到180分钟是生长放缓阶段，即第三阶段；180-660分钟是庇荫诱导下胚轴伸长的第二个快速生长阶段，即第四阶段（示例图1a）。为了探究生长素、BR和GA参与庇荫诱导的下胚轴伸长的哪个阶段，作者监测了生长素合成突变体sav3-2、BR受体突变体bri1-301、BR生物合成突变体det2-1、GA生物合成突变体ga5（示例图1b）以及在含有生长素转运体抑制剂N-1-萘酞酸（NPA）、BR生物合成抑制剂Brassinazol（BRZ）和GA生物合成抑制剂多效唑（PAC）的培养基上生长的野生型幼苗（示例图1c）的庇荫反应下胚轴四阶段生长曲线。结果表明，生长素和BR对庇荫反应下胚轴的整个伸长过程都非常重要，而GA只在庇荫诱导下胚轴伸长的第四阶段起作用。

此外，作者在此项研究中进一步应用了我们的系统平台进行了动态化学发光检测，对IAA17-LUC幼苗的LUC活性进行了实时动态检测，相应的数据如示例图2d所示。

镉（Cd）作为一种生物非必需重金属，通过各种途径排放到生态系统中，包括金属精炼、燃料燃烧以及塑料稳定剂、磷光体等的利用，因此Cd广泛分布在空气、土壤和水中。越来越多的证据表明，活生物体内的镉积累会增加罹患神经系统疾病的风险，对生物体中枢神经系统（CNS）造成不良影响，但其潜在的细胞/分子机制尚不清楚。

Xu等人利用模式生物斑马鱼从神经行为和神经影像学的角度报道了Cd在环境相当水平上的潜在神经毒性。他们的实验证明，施加环境浓度相当的Cd2+导致斑马鱼胚胎早期发育普遍被损害，包括显著干扰斑马鱼的神经行为模式、显著的神经发育障碍以及Cd2+诱导的神经免疫反应。此外，作者还观察到Cd2+会引发小胶质细胞强烈激活及严重的神经炎症。这项研究为Cd诱导的神经发育障碍提供了可视化的病因学证据，并且可能作为一个有希望的工具，一方面可以理解Cd诱导的神经毒性的分子机制，另一方面还可以帮助开发药物疗法，以减轻生物体暴露于Cd导致的神经损伤。

在这项研究中，作者利用我们的高通量动态成像系统（Dynaplant）实时动态跟踪暴露于不同浓度Cd2+的斑马鱼胚胎的早期发育过程。在Cd2+暴露组中观察到斑马鱼胚胎显著且直观的发育迟缓，且这种发育迟缓呈现出显著的Cd2+剂量依赖性，如下示例图1B中的箭头所示，这清晰地表明Cd导致斑马鱼早期发育严重受损。

此项研究表明我们的高通量动态成像系统应用广泛，可应用于不同模式生物的实时动态发育监测过程，满足多元化的研究需求。

虽然已有研究表明EIN3/EIL1和PIF能够平行地作用于顶端弯钩的发育调节，但它们在这个调节过程中的功能差异是未知的。在这项研究中，作者利用我们的幼苗表型分析平台对顶端弯钩的动态变化进行了延时分析，发现EIN3/EIL1和PIFs在细胞分裂素促进的顶端弯钩维持过程中具有不同的作用。下图6显示，在Col-0中，KT处理大大延长了顶端弯钩的维持阶段，并且延迟了弯钩打开过程，即使在拍摄的第9天，顶端弯钩的角度仍保持在50度以上（图6A）。在突变体ein3 eil1（图6B）中也观察到KT对顶端弯钩的明显维持作用，但在pifq突变体中这种维持作用却完全消失，这表明细胞分裂素对顶端弯钩的维持作用主要由PIFs介导，而不是EIN3/EIL1依赖的机制介导。

Zhao等人的研究报道BR和ET通过BR激活的油菜素抗性1（BZR1）和ET激活的乙烯不敏感3（EIN3）之间的直接相互作用，相互依赖地促进顶端钩发育和细胞伸长。BZR1与EIN3能够通过相互作用协同促进HOOKLESS1和PREs的基因表达。此外，他们进一步研究发现BR促进顶端弯钩发育需要GA介导的EIN3/EIL1的激活。此研究揭示了BR，ET和GA信号通路通过核心转录因子的直接相互作用调节植物发育的分子机制。

在这项研究中，作者探究了BR和ET之间的信号交互对顶端弯钩发育的调节。为了仔细研究BR及BZR1在顶端弯钩发育中的作用，作者利用我们的实时成像系统（DynaPlant）分析了拟南芥野生型黄化苗（Col-0）和各种BR信号通路相关材料（BZR1-1D具有增强的BR活性，bri1-116具有降低的BR活性）顶端弯钩发育的动力学过程。如下示例图1g所示，在bri1-116突变体中，顶端弯钩的发育提前停止，并在没有维持阶段的情况下直接进入弯钩打开阶段；而在bzr1-1D中，顶端弯钩的最大弯曲角度与野生型相似，但BZR1-1D的弯钩维持期明显长于野生型，这表明BR和BZR1在顶端弯钩发育过程中的弯钩维持阶段起关键作用。

已知顶端弯钩的发育过程包括弯钩起始、形成、维持和打开四个阶段，正是基于我们的动态成像系统的连续追踪顶端弯钩发育过程的各个阶段，才可以精细挖掘出BR和BZR1在顶端弯钩发育的维持阶段的重要功能。

双子叶植物在土壤中萌发时会在下胚轴的顶端部位形成一个弯曲的顶端弯钩（apical hook）结构来保护幼嫩的茎尖分生组织和子叶。顶端弯钩的发育过程是一个动态的过程，包括起始（initiation）、形成（formation）、维持（maintenance）及打开（opening）四个阶段。顶端弯钩结构形成的基础是弯钩内外两侧细胞的差异化生长，而这种差异化生长是由于植物激素生长素的不对称分布导致的：在弯钩内侧高浓度生长素抑制细胞伸长，在弯钩外侧低浓度的生长素促进细胞伸长进而促使顶端弯钩的形成。

在顶端弯钩发育的四个阶段，科学家们对弯钩维持及打开阶段进行了大量研究，并且揭示了一系列重要的分子机制，但是对于顶端弯钩的早期起始调控的研究却甚少，例如顶端弯钩是如何起始的以及生长素的差异响应是如何建立的并不清楚。 Peng 等人的研究提出了一个顶端弯钩早期起始阶段的新模型: 种子萌发后下胚轴伸长过程中会随机出现一个微弱的但是可以被显著分辨的生长不对称，随后才建立生长素的不对称响应，进而放大最初的生长不对称形成顶端弯钩结构。该模型刷新了从前人们认为顶端弯钩起始于生长素不对称分布的传统认知。

传统的静态研究手段无法获取顶端弯钩起始的动态发育过程，极大地限制了该领域的研究进展。该项研究使用DynaPlant^® Seedlings对拟南芥幼苗顶端弯钩的起始及形成阶段进行了详细的追踪观察与分析，并用重力模块施加重力扰乱处理。如示例图1所示，拟南芥胚胎折叠对顶端弯钩的形成没有决定性作用；如示例图2所示，胚根向重性弯曲能够促进但并不是顶端弯钩形成必需的。

在本研究中，作者旨在研究细胞质K+水平与根毛生长之间的时间关系。他们利用我们的幼苗表型分析平台进行了根毛伸长动力学分析，动态监测野生型Col-0及K+转运蛋白/通道相关的不同突变体（kup4-2、akt1、atkc1和hak5）的根毛长度及根毛生长速率。下图2结果显示，kup4-2及akt1突变体（具有比Col-0更弱的K+传感器NK3荧光，也就是更低的K+浓度）的根毛长度比野生型（Col-0）更短，并且根毛生长速率也比Col-0更低（图2C和2D），表明由K+转运/通道蛋白维持的根毛尖端的K+浓度对根毛的快速生长至关重要。

此外，基于获得的根毛生长速率的动态数据，作者还进行了根毛生长速率与根毛尖端NK3荧光的定量分析及相互关联分析。他们发现，每一次胞质K+浓度水平的升高基本都会爆发一次根毛的快速生长（图3B），并且K+浓度的震荡领先根毛生长速率振荡约1.5秒（图3C）。

Jiang等人的研究报道，拟南芥昼夜节律生物钟在夜间抑制避荫反应诱导的基因表达及下胚轴的伸长。夜间表达生物钟组分ELF3通过与光敏色素相互作用因子7（PIF7）相互作用并使其失活参与夜间抑制，而已知PIF7是避荫诱导基因表达和下胚轴伸长过程的主要调节因子。他们进一步发现ELF3对避荫反应的抑制作用在短日照生长条件下比长日照更强。

在这项研究中，作者关注拟南芥昼夜节律对避荫诱导下胚轴伸长的影响，需要精确追踪避荫处理后新伸长的下胚轴的生长状况。为了实现这一点，作者利用DynaPlant^® 幼苗表型平台进行下胚轴生长动力学分析，动态捕获在一天中不同时间点进行避荫处理后2小时内下胚轴的新生长状况。下面的图1C显示，4时处理的避荫诱导野生型（Col-0）下胚轴伸长反应与8时处理几乎相同，而16到20时避荫处理时，避荫诱导下胚轴伸长受到明显抑制，表明生物钟介导的避荫反应抑制主要发生在夜间。PIF7功能缺失突变体pif7完全丧失了避荫诱导的下胚轴伸长反应，表明其在促进避荫诱导下胚轴伸长过程中的重要作用。

Wang等人报道了乙烯诱导的微管重新排布对于其快速抑制拟南芥根系伸长至关重要。他们发现乙烯诱导的微管重新排布过程与根伸长抑制过程高度相关，并且微管重新排布是根对乙烯处理完全响应所必需的。他们还进一步证明了TIR1/AFBs Aux/IAAs ARFs生长素信号通路对于乙烯诱导的微管重排和根伸长抑制具有重要作用。

传统的研究方法只能拍摄长期乙烯处理后的根系表型，反映的是整个处理期间的累积效应。为了检测乙烯处理后的快速根系反应，作者DynaPlant^® Seedlings幼苗表型分析平台对乙烯处理后的根系伸长动力学进行了测定。该系统测得的根系生长速率低至0.1 μm/min，因此可以区分不同基因型或处理间乙烯敏感性的轻微变化。下图2显示，乙烯处理快速诱导根系生长速率的下降（在乙烯处理后半小时内），而应用微管解聚剂oryzalin（图2A）或两个微管相关突变体katanin和sprial1-2（图2D）则显著削弱了这种抑制效果，表明微管重新排布在乙烯诱导的根系生长抑制中的必要性。

光诱导顶端弯钩打开是一个非常快速的过程，需要快速并且仔细地追踪。本研究动态记录了野生型（Col-0）、各种突变体（ein3eil1，不同pif突变体）和转基因植物（EIN3ox/PIFsox）的光诱导快速顶端弯钩的打开过程。该系统不仅可以每1h/次的频率动态记录光诱导顶端弯钩打开过程中弯钩角度的变化，还可以准确计算弯钩打开速率（即每两个时间点之间的弯钩角度的变化）、最大打开速率（弯钩打开过程中的最大打开速率）和峰值时间（达到最大打开速率所需的时间），以更好地解析这个过程。下图7显示，与Col-0相比，ein3 eil1和pif突变体在光照处理后表现出弯钩更快的打开过程，具有更高的最大开放率和更早的峰值时间；而在转基因植物（EIN3ox/PIFsox）中，弯钩开放延迟，最大开放率降低及峰值时间延长（图7 A-H），这些结果表明EIN3/EIL1和PIFs在光诱导顶端弯钩开放过程中的重要作用。