水稻分蘖逆制的可塑性生长发育试验和模型辅助分析: 应用植物生长模型缩减基因型与表现型的间隙

表现型是基因型和环境相互作用的结果，不同环境条件下给定基因型能表达为不同的表型，这是我们所熟知的植物表型可塑性。可塑性一方面帮助植物更好地适应不利环境，但我们也不得不承认可塑性，使得人们难以从表型直接理解基因功能。如今，基因组学快速发展允许解密基因更迅速便捷，甚至发现大量基因。因此，进一步理解可塑性过程的基因背景、理解基因和环境对表型的作用非常必要。由于从基因到表型非线性过程，从而引起基因型和表型差异，期望有效方法或工具能跨越这个横沟。植物生长模型已被开发用来模拟植物响应环境动态关系，并且将参数和环境整合到模型方法中。因此，普遍认为植物生长模型将在探讨复杂可塑性基因功能扮演重要作用。水稻是普遍应用在基因组学和功能基因组学典型的模式植物。水稻分蘖是重要的基因依赖环境敏感的过程，这是农学上非常关注的现象。本文将应用模型方法理解水稻分蘖逆制的可塑性。本研究设计了一个相对优化环境条件下，野生型水稻分蘖逆制试验，该试验有两个处理（1）手工剪切分蘖;（2）一个TDNA突变体，并分别设置对照。本试验在法国国际农业研究发展中心（CIRAD）温室开展，每个试验利用水培方法，培育植株50天左右（营养生长阶段）。在营养生长阶段，定期破坏性测量单个器官的鲜重、干重和单个器官的大小。本文尝试应用两个植物生长模型模拟和解释水稻响应分蘖逆制表型发育。GreenLab是一个植物结构数学模型，已被开发用来模拟植物结构动态和结构功能反馈。植物3D结构决定光捕获和生物产量，然后，生物量分配到新的器官，因此，器官形态结构将发生变化，新阶段的生物量生产将会更新。通过基于最小二乘法的CornerFit软件实现了模型参数优化。另一个模型EcoMeristem，基于作物模型和形态发生概念，用来模拟水稻分生组织活动、器官发生和形态过程等可塑性过程，内部竞争指数Ic主要与环境相关，参数主要描述基因功能。通过植物生长过程模拟与测量的优化，手工提取了模型参数。这两个植物生长模型演示了缩减基因型与表型之间的差距，并实现了水稻响应分蘖完全逆制的可塑性过程。GreenLab模型有一个极好的器官发生基础，但本研究限于单茎拓扑结构。另外，该模型有更长的时间步长，这对描述植物可塑性没有提供足够的分辨能力，这在EcoMeristem模型中得到了解决。很明显，EcoMeristem模型有更弱的结构基础，这可能蕴含了一些可塑性信息的缺失。总体而言，EcoMeristem模型有更专业的可塑性过程、基因环境理解和表达能力。