技术进展 | 马建锋教授实验室开发基于LA-ICP-MS的矿质元素在水稻节中的原位成像技术

对于水稻等禾本科植物来说，仅仅依靠蒸腾作用是无法满足新叶、穗子等幼嫩组织对矿质营养的大量需求，而具有系统化维管束结构的器官—节—在矿质元素的分配与再分配过程中行使着举足轻重的功能（图1）【1,2】。负责将矿质元素从节向更上部各器官分配的直接责任者是分布在节中各个区域的膜转运蛋白，多个转运蛋白通过协同作用保障矿质元素的按需分配【1,2】。

图1. 水稻的节（左）、节的横截面维管束结构及矿质元素的运输路径示意图（右）

大多数情况下，只能通过分别比较植株的不同器官（如根、茎、叶等）间的元素含量差异来推断转运蛋白的生物学功能。但是，对于结构复杂程度更高的节来说，位于其中的很多转运只负责其中的一个或少数几个步骤，在野生型和突变体植株中的节中元素含量可能不会有太大的差异，因此很有必要比较目的元素在为细胞及组织水平上的分配差异，以解析转运蛋白的作用机制。

据报道，前人曾经开发出了多种元素成像技术，但是由于其对设施的特殊要求、灵敏性欠佳、样品制备过程复杂等原因限制了其广泛使用。近日，日本冈山大学马建锋教授课题组开发出了基于LA-ICP-MS（激光蚀-电感耦合等离子体质谱）的矿质元素在水稻节中的原位成像技术。其简要工作流程为：待分析的植物组织在高能激光的作用下被剥蚀成直径为微米级的一系列小样品并被尘化，依次进入离子加速器中并被等离子化，并且加速。离子化的离子云的样品在进入质谱仪被检测出来。不同时间点收集样品的元素含量被收集起来以后通过相应的软件分析即可得到元素的空间分布图像。利用该技术可清晰观测到大量、微量和毒害元素在突变体和野生型水稻节的不同维管束区域的分配模式，为解析转运蛋白的作用机制及矿质元素分配机理提供非常直观的生理学证据。相关研究成果以题为Bioimaging of multiple elements by high-resolution LA-ICP-MS reveals altered distribution of mineral elements in the nodes of rice mutants的研究论文发表在The Plant Journal杂志上。

首先，研究人员优化了样品制备条件，获得了包括Mg、P、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn等元素在新鲜水稻节样品中的分布模式（图2），通过降低激光蚀刻样品时的直径实现了元素分布的精细定位。接下来，通过降低样品厚度及激光的能量大小精确控制所剥蚀样品的体积，并对样品进行预处理引入相应的标准品实现了矿质元素在节中各细胞结构的定量分析。通过比较野生型水稻与OsHMA2突变体节中锌（Zn）的分布，以及野生型水稻与负责硅（Si）从节向稻穗中协同运输的Lsi2, Lsi3和Lsi6突变体中Si的分布，验证了该方法的有效性【3,4】。此外，该技术体系同样适用于水稻的其它组织，例如根和叶片。

图2. 水稻最上部节中各矿质元素的纵向和横向分布模式

综上，该技术可将转运蛋白的组织定位等细胞学特征与细胞水平上元素分布等生理学特征紧密联系起来，是解析矿质元素的分配机制的有力工具。

参考文献

【1】 Yamaji, N. and Ma, J.F. (2014) The node, a hub for mineral nutrient distribution in graminaceous plants. Trends Plant Sci. 19, 556-563.

【2】Yamaji, N. and Ma, J.F. (2017) Node-controlled allocation of mineral elements in Poaceae. Curr. Opi. Plant Biol. 39, 18-24.

【3】Yamaji, N., Sakurai, G., Mitani-Ueno, N. and Ma, J.F. (2015) Orchestration of three transporters and distinct vascular structures in node for intervascular transfer of silicon in rice. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112, 11401-11406.

【4】 Yamaji, N., Xia, J., Mitani-Ueno, N., Yokosho, K., and Ma, J.F. (2013). Preferential delivery of zinc to developing tissues in rice is mediated by P–type heavy metal ATPase OsHMA2. Plant Physiol. 162, 927–939.

原文链接： 

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