研究簡介：本研究主要聚焦于鷹嘴豆（Cicer arietinum）根系在不同外部氧分壓（pO?）條件下，中柱（stele）與皮層（cortex）組織的氧氣分布、呼吸消耗及代謝酶活性差異。研究團隊利用氧微傳感器對不同直徑（900–1900μm）的鷹嘴豆主根進行體內(nèi)氧濃度剖面測量，發(fā)現(xiàn)即使在外部氧濃度處于大氣平衡狀態(tài)（20.6 kPa）甚至更高（30–41 kPa）時，較粗根（如1900μm）的中柱仍呈現(xiàn)嚴重缺氧或無氧狀態(tài)（≤0.3 kPa），而細根（900μm）則整體保持有氧。進一步分析表明，中柱組織的氧消耗速率是皮層的3.3倍，且其成為嚴重缺氧狀態(tài)所需的外部氧閾值（8.9 kPa）顯著高于皮層（4.5 kPa），說明中柱更易陷入低氧環(huán)境。無論外部供氧條件如何（有氧、低氧或嚴重低氧），中柱組織中的糖代謝（如蔗糖裂解、糖酵解）和抗氧化相關(guān)酶（包括ADH、SUSY、SOD、CAT、DHAR等共23種）的活性普遍顯著高于皮層。這一現(xiàn)象并非單純由外部氧脅迫誘導(dǎo)，而是與組織類型本身密切相關(guān)。主成分分析（PCA）進一步揭示，皮層在嚴重缺氧下才顯著上調(diào)代謝酶活性，而中柱在輕度缺氧時即表現(xiàn)出強烈的代謝響應(yīng)。研究指出，鷹嘴豆作為非通氣組織（缺乏發(fā)達通氣腔）的旱地作物，其粗壯根系內(nèi)部存在天然的氧擴散限制，導(dǎo)致中柱長期處于生理性的低氧狀態(tài)。因此中柱維持高代謝活性可能是一種適應(yīng)性策略，以保障能量供應(yīng)與氧化還原穩(wěn)態(tài)。該成果挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認為“代謝上調(diào)僅是對脅迫的被動響應(yīng)”的觀點，強調(diào)組織特異性代謝調(diào)控在植物根系低氧適應(yīng)中的核心作用，為理解作物根系生理及改良抗逆性提供了新視角。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極系統(tǒng)（OX-10型氧微傳感器）被用于高精度、原位測量鷹嘴豆根系內(nèi)部的氧氣（O?）濃度分布，使用OX10氧微傳感器（尖端直徑僅10μm），安裝于Unisense的MM33-2微操縱器上。微傳感器連接至Oxy-Meter皮安電流計，信號通過SENSORTRACE SUITE軟件。整個系統(tǒng)集成于1D電動微剖面平臺，實現(xiàn)自動步進式穿刺測量。將5–6日齡鷹嘴豆幼苗固定于不銹鋼網(wǎng)格上，完全浸沒于可控氧濃度的營養(yǎng)液中。利用質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)通入N?/O?混合氣體，使外部介質(zhì)pO?精確設(shè)定為5、9、20.6、30或41 kPa。微傳感器從距根表300μm處開始，以25μm步長垂直穿刺穿過整個根橫截面（包括擴散邊界層DBL、皮層、中柱、對側(cè)皮層），記錄每一點的O?濃度。針對特定組織（如皮層或中柱），還在固定深度（250μm和700μm）進行動態(tài)監(jiān)測，以建立外部pO?與組織內(nèi)部氧狀態(tài)的定量關(guān)系。

實驗結(jié)果

成熟、低孔隙和粗大的鷹嘴豆根部的放射狀O2剖面表明，氧的消耗量和對氧擴散的抵抗力都足夠高，即使外部介質(zhì)處于空氣平衡的pO2，也幾乎沒有氧能到達大部分石柱。陰道組織表現(xiàn)出比鄰近皮層更高的呼吸氧氣消耗和代謝活動。值得注意的是，這些升高的活性與外部p氧氣獨立，表明代謝活性不僅受氧氣可用性影響，還受組織類型影響。皮層與間根部代謝的空間差異可能反映了對頻繁內(nèi)部缺氧的適應(yīng)，這由高呼吸氧氣消耗和對氧擴散的抵抗性在厚重組織中引起。由于氧氣擴散的物理限制和細胞對氧的消耗，鷹嘴豆的根細胞，尤其是石碑內(nèi)，容易出現(xiàn)缺氧或嚴重缺氧。這表明即使在外部需氧條件下，石碑組織很可能在極低的氧氣水平下運作。因此，即使外部氧氣未受限，石碑組織仍維持比皮層細胞更高的碳水化合物和抗氧化代謝。

圖1、在散裝溶液中，在41 kPa（a）、30 kPa（b）、20.6 kPa（c）、9 kPa（d）和5 kPa（e）外部氧氣的分布下，O2在擴散邊界層（DBL）和根組織上的放射狀濃度剖面。測量了5至6天齡完整幼苗根系直徑為c的位置。1400微米，20°C。幼苗在測量前先在有氧的養(yǎng)分溶液中生長。垂直虛線表示根面，水平虛線表示氧氣（20.6 kPa）的空氣平衡。紅色箭頭指向皮層與石碑組織之間的大致邊界。（f）照片顯示用于測量根部O2的O2微觀傳感器及測量外部溶液中O2濃度的O2光極管。定制的O2微傳感器安裝在微作手上，并以25微米的步進方式橫跨DBL和根部。（g）根部的手截面圖，顯示O2微傳感器在組織剖析測量過程中所走的路徑。測量后，根段保持在4°C，再進行剖面切割。（h）皮層中的氧氣濃度和石碑，基于在41、30、20.6、9和5 kPa（a–e）處采集的氧濃度剖面計算得出。箱形圖顯示五次或四次重復(fù)均值（x）、中位數(shù)（盒內(nèi)中間水平線）、50%范圍（方框）、100%（條形）（一次重復(fù)根的中位數(shù)為從兩個不同組織中心取的5次讀數(shù)）。雙因子方差分析結(jié)果在面板中呈現(xiàn)。不同字母表示不同組織、皮層和石碑內(nèi)氧氣濃度的顯著差異（Tukey測試P率3C為0.05）。星號表示同一外部氧氣水平內(nèi)皮層與石碑之間有顯著差異（Tukey測試，P<0.05）。桿：（g）200微米。