研究植物中元素分布和运输途径的新方法

植物根部在摄取、选择、富集和保留一系列不同的矿物元素方面发挥着关键作用，从而为远处的植物组织提供养分，同时隔离过量的金属。为了执行这些元素特定的功能，存在于根部的一系列离子转运蛋白介导不同矿物元素的摄取、流出和细胞内区室化。

大多数离子转运蛋白显示出特征性的组织和细胞类型特异性定位模式​​，这些模式可以响应内部信号或外部信号而改变。为了充分了解作用于根部的众多离子转运体和转运途径的作用，有必要确定它们对细胞中元素分布的贡献和组织中元素分布的贡献。

同时定量多种元素的最佳方法是电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)。然而，ICP-MS仍然主要局限于整个组织的分析，而不是单个组织或特定细胞类型的分析。克服这一局限性将使研究人员能够同时绘制几种矿物元素沿不同根细胞层的分布图，这是全面了解根如何保护高度敏感的干细胞免受有毒元素侵害但与地上部分共享必需和有益元素的关键一步。

“考虑到这一点，我们开发了一种方法，在使用ICP-MS进行元素分析之前，通过荧光激活细胞分选从各种报告基因系的根部分离出不同的细胞类型，”该论文的第一作者RicardoGiehl博士说。发表在NatureCommunications上的新研究。“我们的新方法使我们能够确定不同细胞类型中多达11种矿物元素的浓度，并以高空间分辨率探索扰动的木质部负荷或改变的养分有效性的后果。”

研究人员使用新的FACS-ICP-MS方法揭示了显着的细胞类型特异性元素分布以及根部外细胞层和内细胞层之间存在陡峭的浓度梯度。“此外，用我们的方法估计的大多数常量和微量营养素的细胞浓度范围可以作为未来研究的参考，”IPK生理学和细胞生物学研究部门负责人NicolausvonWirén教授强调说。

该方法还帮助研究人员确定了暴露于铁限制条件下的植物根部细胞类型特异性的锰富集。通过在特定细胞类型中安装锰螯合机制，研究人员发现根毛在保留缺铁植物吸收的过量锰方面起着关键作用，从而防止锰在枝条中积累有毒浓度。

Giehl说：“我们的结果强调了离子转运蛋白的特殊‘地形’放置对于引导离子径向运动到枝条或在根部有效金属封存的重要性。”“将我们的方法与转录组学相结合并将其进一步发展为单细胞ICP-MS的可能性提供了以非常高的空间分辨率研究转录组-离子组网络的可能性。这种知识对于理解和操纵运输途径以增加营养至关重要使用效率，同时防止有毒元素在地上组织中积累。”