根部化学物质的突破性图像提供了对植物生长的新见解

在阳光明媚的春天漫步公园时，很容易忽略那些隐藏在视线之外的植物部分。植物生物学家的看法不同。他们观察植物根系在对有机体发育至关重要的复杂系统中组织的表面之下。例如，错综复杂的树根系统可以跨越地下，就像树木在土壤上生长的高度一样。

加州大学圣地亚哥分校和斯坦福大学的研究人员将先进的成像技术应用于植物根部，对负责植物生长的必需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亚历山德拉迪金森领导的一项研究制作了一个“路线图”，描述了关键小分子沿着玉米(玉米)植物根干细胞分布的位置以及如何它们的放置因素会影响植物的成熟。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

“该化学路线图提供了一种资源，科学家可以利用这些资源来寻找调节植物生长的新方法，”细胞与发育生物学系教员迪金森说。“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，尤其是在农业中，拥有更多关于根如何生长的信息可能有助于保护。”

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，可帮助外科医生在肿瘤切除手术期间区分癌变组织和良性组织。

Dickinson、Zare 和 Noll 采用了这项称为“解吸电喷雾电离质谱成像”或 DESI-MSI 的技术来探测植物根系中参与生长和能量产生的化学物质。他们最初专注于根尖的玉米植物，干细胞在植物的发育中起着积极的作用。他们的方法包括切开根部的中心以获得内部化学物质的清晰图像。

“为了从生物学方面帮助理解植物根系，我们需要找出那里有哪些化学物质，”Zare 说。“我们的成像系统喷出的液滴撞击根部的不同部分，并在该位置溶解化学物质。质谱仪收集飞溅的液滴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，我们制作了根部化学物质的空间图。”

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转变的图像之一，显示了代谢物的基础作用——参与植物能量生产的分子。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因素。

在进行这项研究时，研究人员预计化学物质的分布会相对均匀。相反，根据他们手中的化学路线图，他们发现 TCA 代谢物聚集在根部的斑块中。

Dickinson 说：“令我惊讶的是，有多少化学物质以真正不同的模式出现。” “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 代谢物对发育具有可预测的影响，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都会产生。

新图像中还出现了以前未识别的化合物。Dickinson 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，表明它们在植物生长中发挥着重要作用。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抗逆性水平的玉米品种。新信息将帮助他们开发新的化学和遗传策略，以改善植物生长和抗逆能力。

“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我们在其他品种中没有发现的该品种特有的化学物质，”Dickinson 说。“我们认为这可能是一种寻找可以促进生长的新化合物的方法，尤其是在恶劣条件下。”