植物的莖尖分生組織(SAM)是一個(gè)多層次的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)，也是植物體地上部分各種組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，并且對(duì)于生產(chǎn)地面上的植物組織起著重要作用復(fù)雜的多細(xì)胞生物是在地球上大氣的富氧環(huán)境中進(jìn)化而來(lái)。維持植物干細(xì)胞的多能狀態(tài)需要低氧條件下，而高氧張力會(huì)促進(jìn)植物細(xì)胞分化。為了證明此觀點(diǎn)，本論文的研究人員利用基因報(bào)告和體內(nèi)氧氣測(cè)量相結(jié)合的方法，研究發(fā)現(xiàn)植物芽的分生組織能夠在低氧生態(tài)位中發(fā)育，并且應(yīng)用低氧條件來(lái)調(diào)控新葉子的產(chǎn)生。研究人員使用了一種微型的克拉克式氧電極，它的微型探頭足夠薄，可以在微米分辨率下測(cè)量植物組織內(nèi)氧的水平。通過莖尖的縱向和徑向測(cè)量表明，在與干細(xì)胞生態(tài)位廣泛重疊的區(qū)域，氧的濃度急劇下降，從而揭示了SAM組織周圍低氧生態(tài)位的存在。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

克拉克型氧氣微傳感器(Unisense)測(cè)量植物尖端組織內(nèi)的O2濃度分布。氧氣微電極的尖端直徑為3um，相應(yīng)時(shí)間小于1s。氧氣微電極在測(cè)量前后分別在0.1M的NaOH中加入抗壞血酸鈉(0%O2飽和度)和空氣鼓泡水(100%O2飽和度)進(jìn)行線性校準(zhǔn)。氧氣微傳感器安裝在微操作器控制臺(tái)上(MM33-2)上，并連接到主機(jī)上，氧氣微電極以10um的步徑穿刺進(jìn)入植物尖端組織處，測(cè)試植物尖端組織內(nèi)不同位置區(qū)域?qū)?yīng)的氧分壓值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究人員利用基因報(bào)告和體內(nèi)氧氣測(cè)量相結(jié)合的方法，研究發(fā)現(xiàn)植物芽的分生組織能夠在低氧生態(tài)位中發(fā)育，并且需要低氧條件來(lái)調(diào)控新葉子的產(chǎn)生。研究人員證實(shí)了定位于莖分生組織的缺氧抑制N-degron-pathway底物被稱為ZPR2，該底物進(jìn)化為控制iii類同源域-亮氨酸的拉鏈轉(zhuǎn)錄因子s6-8的活性，從而調(diào)控分生組織的生長(zhǎng)。研究結(jié)果顯示，氧氣是一種擴(kuò)散信號(hào)，在有氧條件下參與控制植物生長(zhǎng)過程中的干細(xì)胞活性，這表明空間上的氧氣濃度差異的分布會(huì)影響植物的生長(zhǎng)。在分子水平上，這個(gè)信號(hào)是通過N-degron途徑被翻譯成轉(zhuǎn)錄調(diào)控，從而將植物代謝活動(dòng)的控制與植物發(fā)育的調(diào)控聯(lián)系起來(lái)。

圖1、植物的莖尖分生組織（SAM）活性的保持需要一個(gè)低氧生態(tài)區(qū)域。圖a表示的是通過微電極沿植物莖尖組織的頂頭方向測(cè)試SAM區(qū)域的氧濃度變化，圖中的顏色代表的是單次測(cè)試。圖b表示的是擬南芥花序分生組織中GFP的表達(dá)受缺氧反應(yīng)啟動(dòng)子(pHRPE)的驅(qū)動(dòng)。圖c表示的是在常規(guī)氧條件下和高氧條件下生長(zhǎng)的植物的表現(xiàn)。圖d表示的是在常氧和高氧條件下生長(zhǎng)的擬南芥葉片起始速率.

圖2、擬南芥與植物莖尖處的低氧水平區(qū)域。圖a表示的是空間分辨率比較以及使用的定制克拉克式微傳感器（尖端為3微米）(紅色，橙色和粉色三角形)與商業(yè)可用的傳感器OX10,Unisense A/S(青綠色、青色和鈷藍(lán)色圓圈）圖b表示的是測(cè)量植物莖尖處組織內(nèi)的氧氣濃度曲線的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(左):從頂部到基底方向(左)和徑向方向(右)。圖c表示的是生長(zhǎng)了四天的擬南芥幼苗頂端氧濃度分布。圖d表示的是對(duì)應(yīng)圖c中的氧剖面重建后的傳感器插入模式的跟蹤示意圖。圖e表示的是將克拉克型微電極插入生長(zhǎng)七天的擬南芥的SAM處組織的橫向不同位置處獲得的氧濃度剖面。莖尖區(qū)域(剖面曲線1)，子葉血管系統(tǒng)的交界處(剖面曲線2)和接口處以下（剖面曲線3）.圖f表示的是通過光學(xué)顯微鏡確定微電極的插入點(diǎn)的位置。

圖3、植物莖尖低氧條件下誘導(dǎo)分子缺氧反應(yīng)研究。圖a表示的是一種由5個(gè)重復(fù)的HRPE報(bào)告基因組成的合成結(jié)構(gòu)對(duì)氧的響應(yīng)性。圖b表示的是pHRPEx5:GFP-GUS基因在21%、10%和5%O2下的對(duì)應(yīng)的相對(duì)染色強(qiáng)度的定量分析。圖c表示的是pHRPEx5:GFP-GUS基因在21%和80%O2下的對(duì)應(yīng)的相對(duì)染色強(qiáng)度的定量分析。此研究結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)能有效地反映植物組織處的氧狀態(tài)。圖d表示的是采用RT-qPCR檢測(cè)缺氧誘導(dǎo)基因的表達(dá)。

圖4、a)使用氧氣微電極穿刺入5周齡的擬南芥的植株的花序分生組織處的氧濃度剖面，其中微電極是從植物莖尖的頂端到基部的區(qū)域插入的。插圖顯示了微傳感器插入植物花序分生組織內(nèi)的實(shí)驗(yàn)裝置照片。圖b表示的是pPCO1:GFP-GUS和pPCO2:GFP-GUS對(duì)缺氧有特異性反應(yīng)的研究，pPCO1:GFP-GUS被轉(zhuǎn)化為植物的花序和花分生組織中的綠色熒光信號(hào)。

圖5、植物莖尖區(qū)域低氧生態(tài)區(qū)域是植物的一個(gè)共同特征。圖a表示的是采用定制的clark型微傳感器（unisense），從頂端到基部測(cè)量了1周齡的白花蛇舌草莖尖的氧含量。從圖中測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出這種植物的莖尖存在氧梯度分布。圖b表示的是微電極插入番茄葉莖尖組織（SAM）處的圖片。圖c,d表示的是FM4-64膜染色后的氧剖面(a中c和d分別為青色和紅色)和SAM組織顯微圖的重疊圖，圖中顯示了微電極傳感器的實(shí)際穿透情況。圖c和圖d是實(shí)驗(yàn)四次后輸出的兩個(gè)實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。

總結(jié)

植物的莖尖分生組織(SAM)是一個(gè)多層次的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)中央?yún)^(qū)域?qū)ｉT用于維護(hù)干細(xì)胞的身份和外圍區(qū)域產(chǎn)生了新的螺旋組織。原基產(chǎn)生的空間協(xié)調(diào)(稱為分葉性)是通過極性生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)協(xié)調(diào)的，而對(duì)這一過程的時(shí)間模式(稱為塑化體)的調(diào)控則不那么清楚。氧是一種高度反應(yīng)的可擴(kuò)散的分子，它保留著根據(jù)代謝需要調(diào)整發(fā)育模式的顯著潛力。然而氧氣水平在SAM中的作用還沒有被準(zhǔn)確的評(píng)估，因?yàn)檫@個(gè)組織由一小群密集的被發(fā)育中的原基層包圍的細(xì)胞構(gòu)成。本論文的研究人員使用了一種微型的克拉克式氧電極（unisense），它的微型探頭非常薄（尖端直徑為3微米），可以在微米分辨率下測(cè)量植物組織內(nèi)氧的水平。通過莖尖的縱向和徑向測(cè)量表明，在對(duì)與干細(xì)胞生態(tài)位廣泛重疊的區(qū)域測(cè)試發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的氧的濃度急劇下降，從而揭示了SAM組織周圍低氧生態(tài)區(qū)域位的存在。從以上研究?jī)?nèi)容來(lái)看，unisense微電極在研究植物組織內(nèi)的氧濃度方面具有很好的應(yīng)用前景，為相關(guān)研究人員探索植物莖尖分生組織的低氧生長(zhǎng)機(jī)制的研究提供了重要的技術(shù)支持。