- 微型植物傳感器實時追蹤通過氣孔的糖分吸收情況
- 來源：azosensors 發(fā)表于 2025/7/28
科學家們發(fā)明了一種微型、非侵入性的生物傳感器，能夠實時追蹤植物內部的糖分水平。他們的研究為了解植物如何吸收和運輸蔗糖提供了新的見解。
一位戴著護目鏡、穿著白色實驗服的男性科學家正在觀察植物，并用筆做記錄。
圖片來源：Chokniti-Studio/Shutterstock.com
蔗糖在植物生理過程中起著至關重要的作用。它不僅是重要的能量來源，也是一種關鍵的信號分子，會影響植物的生長、發(fā)育和應激反應。蔗糖是植物器官間長距離運輸?shù)暮诵模兄趯①Y源從葉片等源組織分配到植物其他部位的儲存組織或生長組織中。
研究人員對這些蔗糖運輸機制的研究已有一段時間，然而，現(xiàn)有的大多數(shù)技術（如生化分析）都需要進行破壞性取樣。這不僅無法實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，還會破壞植物的內部環(huán)境。
鑒于蔗糖移動的復雜性和速度，需要具備高空間和時間分辨率且能在活體內發(fā)揮作用的工具，以更好地理解這些機制。
微創(chuàng)實時生物傳感器
在最近《生物傳感器與生物電子學》雜志的一項研究中，研究人員展示了他們研發(fā)的針型生物傳感器，這種傳感器能夠直接檢測活植物組織內的蔗糖。該傳感器具有非破壞性，它借助嵌入了三種酶（轉化酶、變旋酶和葡萄糖氧化酶）的凝膠界面，提供動態(tài)、連續(xù)的數(shù)據。
首先，轉化酶將蔗糖水解為葡萄糖和果糖。接著，變旋酶將葡萄糖轉化為葡萄糖氧化酶能高效處理的形式。葡萄糖氧化酶催化電化學反應，在傳感器的電極上產生可測量的信號。傳感器中集成了基于膽紅素氧化酶的陰極，它完善了電化學回路，確保信號高效傳輸。
酶成分被固定在附著于微電極的瓊脂糖凝膠基質中。這種結構使傳感器能夠檢測低至 100 微摩爾的蔗糖濃度，最高可檢測到 60 毫摩爾。這個范圍涵蓋了植物組織中常見的廣泛生理濃度。該傳感器的響應時間約為 90 秒，插入莖或葉時對組織的損傷微乎其微。
實驗室與田間測試
研究人員進行了大量的體外和體內實驗，以評估該生物傳感器的性能。他們在實驗室條件下測試了傳感器的靈敏度，在 72 小時內測試了其操作穩(wěn)定性，并測試了多次讀數(shù)的重現(xiàn)性。
為了評估其實際應用能力，他們將該設備插入草莓番石榴的莖和日本柳杉的葉中。這些測試追蹤了 24 小時周期內以及受控光照和黑暗條件下的蔗糖運輸情況。生物傳感器持續(xù)記錄蔗糖濃度的變化，揭示了由環(huán)境因素引發(fā)的波動。
同位素追蹤證實氣孔吸收
為了探究蔗糖進入植物組織的機制，研究團隊使用了富含穩(wěn)定同位素氧 - 18 的水。這使他們能夠追蹤水（以及任何溶解的蔗糖）如何通過氣孔進入植物。
通過對葉片中同位素富集情況的對比以及傳感器數(shù)據，證實了水和溶解的蔗糖是通過氣孔開口被吸收的。
這為之前的一個假設機制提供了體內證據：眾所周知，氣孔主要負責調節(jié)氣體和水分交換，而在某些條件下，它們可能還充當蔗糖的進入點。
關鍵發(fā)現(xiàn)：蔗糖運輸對光照有反應
該生物傳感器還揭示了更多信息：在草莓番石榴中，蔗糖濃度在夜間達到峰值，這支持了 “白天光合作用產生的糖分在天黑后被轉運到生長組織中” 這一觀點。
然而，在日本柳杉中，蔗糖水平在光照期間（此時氣孔開放）急劇上升，而在黑暗期間（此時氣孔關閉）下降。這些變化表明，蔗糖的吸收與氣孔活動直接相關，而氣孔活動又受光照調節(jié)。
研究觀察到，從接觸光照到莖中蔗糖濃度上升之間存在約 45 分鐘的延遲。這與之前確定的運輸動力學相符，進一步支持了 “蔗糖通過氣孔進入是活躍的且對環(huán)境有響應” 這一觀點。
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