微型植物传感器实时追踪通过气孔的糖分吸收情况

科学家们发明了一种微型、非侵入性的生物传感器，能够实时追踪植物内部的糖分水平。他们的研究为了解植物如何吸收和运输蔗糖提供了新的见解。

一位戴着护目镜、穿着白色实验服的男性科学家正在观察植物，并用笔做记录。

图片来源：Chokniti-Studio/Shutterstock.com

蔗糖在植物生理过程中起着至关重要的作用。它不仅是重要的能量来源，也是一种关键的信号分子，会影响植物的生长、发育和应激反应。蔗糖是植物器官间长距离运输的核心，有助于将资源从叶片等源组织分配到植物其他部位的储存组织或生长组织中。

研究人员对这些蔗糖运输机制的研究已有一段时间，然而，现有的大多数技术（如生化分析）都需要进行破坏性取样。这不仅无法实现连续监测，还会破坏植物的内部环境。

鉴于蔗糖移动的复杂性和速度，需要具备高空间和时间分辨率且能在活体内发挥作用的工具，以更好地理解这些机制。

微创实时生物传感器

在最近《生物传感器与生物电子学》杂志的一项研究中，研究人员展示了他们研发的针型生物传感器，这种传感器能够直接检测活植物组织内的蔗糖。该传感器具有非破坏性，它借助嵌入了三种酶（转化酶、变旋酶和葡萄糖氧化酶）的凝胶界面，提供动态、连续的数据。

首先，转化酶将蔗糖水解为葡萄糖和果糖。接着，变旋酶将葡萄糖转化为葡萄糖氧化酶能高效处理的形式。葡萄糖氧化酶催化电化学反应，在传感器的电极上产生可测量的信号。传感器中集成了基于胆红素氧化酶的阴极，它完善了电化学回路，确保信号高效传输。

酶成分被固定在附着于微电极的琼脂糖凝胶基质中。这种结构使传感器能够检测低至 100 微摩尔的蔗糖浓度，最高可检测到 60 毫摩尔。这个范围涵盖了植物组织中常见的广泛生理浓度。该传感器的响应时间约为 90 秒，插入茎或叶时对组织的损伤微乎其微。

实验室与田间测试

研究人员进行了大量的体外和体内实验，以评估该生物传感器的性能。他们在实验室条件下测试了传感器的灵敏度，在 72 小时内测试了其操作稳定性，并测试了多次读数的重现性。

为了评估其实际应用能力，他们将该设备插入草莓番石榴的茎和日本柳杉的叶中。这些测试追踪了 24 小时周期内以及受控光照和黑暗条件下的蔗糖运输情况。生物传感器持续记录蔗糖浓度的变化，揭示了由环境因素引发的波动。

同位素追踪证实气孔吸收

为了探究蔗糖进入植物组织的机制，研究团队使用了富含稳定同位素氧 - 18 的水。这使他们能够追踪水（以及任何溶解的蔗糖）如何通过气孔进入植物。

通过对叶片中同位素富集情况的对比以及传感器数据，证实了水和溶解的蔗糖是通过气孔开口被吸收的。

这为之前的一个假设机制提供了体内证据：众所周知，气孔主要负责调节气体和水分交换，而在某些条件下，它们可能还充当蔗糖的进入点。

关键发现：蔗糖运输对光照有反应

该生物传感器还揭示了更多信息：在草莓番石榴中，蔗糖浓度在夜间达到峰值，这支持了 “白天光合作用产生的糖分在天黑后被转运到生长组织中” 这一观点。

然而，在日本柳杉中，蔗糖水平在光照期间（此时气孔开放）急剧上升，而在黑暗期间（此时气孔关闭）下降。这些变化表明，蔗糖的吸收与气孔活动直接相关，而气孔活动又受光照调节。

研究观察到，从接触光照到茎中蔗糖浓度上升之间存在约 45 分钟的延迟。这与之前确定的运输动力学相符，进一步支持了 “蔗糖通过气孔进入是活跃的且对环境有响应” 这一观点。

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