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研究人员将成像技术应用于植物根系，对负责植物生长的化学物质有了新的认识。化学“路线图”确定了关键分子沿着玉米根系分布的位置，以及它们如何影响植物的成熟。
加州大学圣地亚哥分校和斯坦福大学的科学家们在不同的环境下研究了玉米植物的根和它们的代谢物——参与植物能量生产的分子——包括控制条件(左)和用乌头酸(中)和琥珀酸(右)处理。
在阳光明媚的春天漫步在公园里，很容易忽略植物隐藏在视线之外的部分。植物生物学家有不同的看法。他们观察植物根部在表面下的复杂系统，这些系统对生物体的发育至关重要。例如，组织复杂的树根系统可以延伸到地下，因为树木生长在土壤之上。
加州大学圣地亚哥分校和斯坦福大学的研究人员利用一种先进的植物根系成像技术，对植物生长所必需的根系化学物质有了新的认识。由加州大学圣地亚哥分校生物科学博士后学者Tao Zhang和助理教授Alexandra Dickinson领导的一项研究使用一种质谱仪制作了一个“路线图”，描绘了关键小分子沿着玉米植物根系干细胞分布的位置，以及它们的放置因素如何影响植物的成熟。研究结果发表在《Nature Communications》杂志上。
“这一化学路线图为科学家们提供了一种资源，可以用来寻找调节植物生长的新方法，”细胞与发育生物学系的教员Dickinson说。“当我们考虑在自然环境中保护我们的植物并使它们更具可持续性时，了解更多关于根如何生长的信息可能对保护有用，尤其是在农业中。”
在斯坦福大学担任访问科学家期间，Dickinson开始与该研究的共同第一作者Sarah Noll和Richard Zare教授合作，后者开发了一种质谱成像系统，帮助外科医生在肿瘤切除手术中区分癌组织和良性组织。
Dickinson等人采用了一种名为“解吸电喷雾电离质谱成像”(DESI-MSI)的技术，探测植物根系中与生长和能源生产有关的化学物质。他们最初关注的是玉米植株的根尖，那里的干细胞在植物的发育中起着积极的作用。他们的方法是切开根部的中心，以获得内部化学物质的清晰图像。
Zare说:“为了从生物学角度理解植物的根，我们需要找出哪些化学物质在那里。”“我们的成像系统喷射出水滴，击中根部的不同部分，并在该位置溶解化学物质。质谱仪收集液滴飞溅并告诉我们这些溶解的化学物质是什么。通过系统地扫描液滴目标点，我们绘制了根化学物质的空间地图。”
由此产生的图像，被认为是第一批揭示干细胞和成熟根组织之间转变的图像，显示了代谢物——参与植物能量生产的分子——的基本作用。三羧酸(Tricarboxylic acid, TCA)循环代谢产物是控制根系发育的关键物质，因此成为研究的热点。
在这项研究中，研究人员期望化学物质的分布相对均匀。相反，有了他们的化学路线图，他们发现TCA代谢物聚集在根部的斑块上。
Dickinson说:“我很惊讶有这么多化学物质以截然不同的模式出现。我们可以看到植物是故意这样做的——它需要特定区域的这些分子才能正常生长。”Dickinson实验室表明，这些TCA代谢物在发育过程中具有可预测的影响，不仅对玉米，而且对另一种植物(拟南芥)也有影响。这可能是因为TCA的代谢物是高度保守的——它们在所有植物和动物中都有。
新图像中还出现了以前未识别的化合物。Dickinson说，这些神秘的化合物可能对植物生长至关重要，因为它们也在特定的位置以模式分组，这表明它们在发育中起着重要作用。Dickinson和她的同事们现在正在研究这些化合物，并比较对恶劣气候条件和干旱等不利威胁具有不同抗逆性的玉米品种。新的信息将帮助他们开发新的化学和遗传策略，以改善植物的生长和抗逆性。
Dickinson说:“我们正在研究不同的抗旱玉米植物，看看我们是否已经发现了在其他品种中没有发现的特定于该品种的化学物质。我们认为这可能是一种找到可以促进生长的新化合物的方法，尤其是在恶劣的条件下。”
Chemical imaging reveals diverse functions of tricarboxylic acid metabolites in root growth and development
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