對于水稻等禾本科植物來說，僅僅依靠蒸騰作用是無法滿足新葉、穗子等幼嫩組織對礦質營養(yǎng)的大量需求，而具有系統(tǒng)化維管束結構的器官—節(jié)—在礦質元素的分配與再分配過程中行使著舉足輕重的功能（圖1）【1,2】。負責將礦質元素從節(jié)向更上部各器官分配的直接責任者是分布在節(jié)中各個區(qū)域的膜轉運蛋白，多個轉運蛋白通過協(xié)同作用保障礦質元素的按需分配【1,2】。

圖1. 水稻的節(jié)（左）、節(jié)的橫截面維管束結構及礦質元素的運輸路徑示意圖（右）

大多數情況下，只能通過分別比較植株的不同器官（如根、莖、葉等）間的元素含量差異來推斷轉運蛋白的生物學功能。但是，對于結構復雜程度更高的節(jié)來說，位于其中的很多轉運只負責其中的一個或少數幾個步驟，在野生型和突變體植株中的節(jié)中元素含量可能不會有太大的差異，因此很有必要比較目的元素在為細胞及組織水平上的分配差異，以解析轉運蛋白的作用機制。

據報道，前人曾經開發(fā)出了多種元素成像技術，但是由于其對設施的特殊要求、靈敏性欠佳、樣品制備過程復雜等原因限制了其廣泛使用。近日，日本岡山大學馬建鋒教授課題組開發(fā)出了基于LA-ICP-MS（激光蝕-電感耦合等離子體質譜）的礦質元素在水稻節(jié)中的原位成像技術。其簡要工作流程為：待分析的植物組織在高能激光的作用下被剝蝕成直徑為微米級的一系列小樣品并被塵化，依次進入離子加速器中并被等離子化，并且加速。離子化的離子云的樣品在進入質譜儀被檢測出來。不同時間點收集樣品的元素含量被收集起來以后通過相應的軟件分析即可得到元素的空間分布圖像。利用該技術可清晰觀測到大量、微量和毒害元素在突變體和野生型水稻節(jié)的不同維管束區(qū)域的分配模式，為解析轉運蛋白的作用機制及礦質元素分配機理提供非常直觀的生理學證據。相關研究成果以題為Bioimaging of multiple elements by high-resolution LA-ICP-MS reveals altered distribution of mineral elements in the nodes of rice mutants的研究論文發(fā)表在The Plant Journal雜志上。

首先，研究人員優(yōu)化了樣品制備條件，獲得了包括Mg、P、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn等元素在新鮮水稻節(jié)樣品中的分布模式（圖2），通過降低激光蝕刻樣品時的直徑實現了元素分布的精細定位。接下來，通過降低樣品厚度及激光的能量大小精確控制所剝蝕樣品的體積，并對樣品進行預處理引入相應的標準品實現了礦質元素在節(jié)中各細胞結構的定量分析。通過比較野生型水稻與OsHMA2突變體節(jié)中鋅（Zn）的分布，以及野生型水稻與負責硅（Si）從節(jié)向稻穗中協(xié)同運輸的Lsi2, Lsi3和Lsi6突變體中Si的分布，驗證了該方法的有效性【3,4】。此外，該技術體系同樣適用于水稻的其它組織，例如根和葉片。

圖2. 水稻最上部節(jié)中各礦質元素的縱向和橫向分布模式

綜上，該技術可將轉運蛋白的組織定位等細胞學特征與細胞水平上元素分布等生理學特征緊密聯(lián)系起來，是解析礦質元素的分配機制的有力工具。

參考文獻

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原文鏈接： 

https://onlinelibrary./doi/10.1111/tpj.14410