根部化学物质的高级成像为植物生长提供了新的见解

在阳光明媚的春天漫步在公园里，很容易忽略隐藏在视野中的植物部分。植物生物学家的看法不同。它们观察表面之下，植物根部组织在对生物体发育至关重要的复杂系统中。例如，组织复杂的树木根系可以延伸到地下，因为树木生长在土壤上方。

将先进的成像技术应用于植物根部，加州大学圣地亚哥分校和斯坦福大学的研究人员对负责植物生长的基本根部化学物质有了新的认识。使用一种质谱仪，由加州大学圣地亚哥分校生物科学博士后学者张涛和助理教授Alexandra Dickinson领导的一项研究制作了一个“路线图”，该路线图描述了关键小分子沿着玉米(玉米)植物根系的干细胞分布的位置以及它们的位置如何影响植物的成熟。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

“这个化学路线图提供了一种资源，科学家可以用来寻找调节植物生长的新方法，”细胞和发育生物学系的教员迪金森说。“拥有更多关于根如何生长的信息可能有助于保护，因为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，特别是在农业方面。

在斯坦福大学担任访问科学家期间，Dickinson开始与研究共同第一作者Sarah Noll和Richard Zare教授合作，他们开发了一种质谱成像系统，可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，Zare和Noll采用了该技术 - 称为“解吸电喷雾电离质谱成像”或DESI-MSI - 以探测植物根部与生长和能源生产有关的化学物质。他们最初专注于根尖的玉米植物，其中干细胞在植物的发育中发挥积极作用。他们的方法包括切开根的中心，以获得内部化学物质的清晰图像。

“为了帮助从生物学方面了解植物根部，我们需要找出哪些化学物质，”Zare说。“我们的成像系统喷出液滴，这些液滴会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，我们制作了根化学物质的空间图。

由此产生的图像被认为是最早揭示干细胞和成熟根组织之间过渡的图像，显示了代谢物(参与植物能量产生的分子)的基础作用。三羧酸(TCA)循环代谢物成为研究的重点，因为它们被发现是控制根系发育的关键参与者。

进入这项研究后，研究人员预计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中。

“我对有多少化学物质以非常不同的模式出现感到惊讶，”迪金森说。“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。迪金森实验室表明，这些TCA代谢物在发育中具有可预测的影响，不仅在玉米中，而且在另一种植物物种(拟南芥)中也是如此。这可能是因为TCA代谢物是高度保守的 - 它们在所有植物和动物中产生。

从新图像中还出现了以前未识别的化合物。迪金森说，这些神秘化合物可能对植物生长至关重要，因为它们也在特定位置以模式分组，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水平抗逆能力的玉米品种。新信息将帮助他们开发新的化学和遗传策略，以改善植物生长和胁迫恢复力。

“我们正在研究具有抗旱性的不同玉米植物，看看我们是否已经发现了该品种特有的化学物质，而我们在其他品种中没有看到，”迪金森说。“我们认为这可能是寻找可以促进生长的新化合物的一种方式，特别是在恶劣的条件下。