研究简介：本研究主要聚焦于鹰嘴豆（Cicer arietinum）根系在不同外部氧分压（pO₂）条件下，中柱（stele）与皮层（cortex）组织的氧气分布、呼吸消耗及代谢酶活性差异。研究团队利用氧微传感器对不同直径（900–1900µm）的鹰嘴豆主根进行体内氧浓度剖面测量，发现即使在外部氧浓度处于大气平衡状态（20.6 kPa）甚至更高（30–41 kPa）时，较粗根（如1900µm）的中柱仍呈现严重缺氧或无氧状态（≤0.3 kPa），而细根（900µm）则整体保持有氧。进一步分析表明，中柱组织的氧消耗速率是皮层的3.3倍，且其成为严重缺氧状态所需的外部氧阈值（8.9 kPa）显著高于皮层（4.5 kPa），说明中柱更易陷入低氧环境。无论外部供氧条件如何（有氧、低氧或严重低氧），中柱组织中的糖代谢（如蔗糖裂解、糖酵解）和抗氧化相关酶（包括ADH、SUSY、SOD、CAT、DHAR等共23种）的活性普遍显著高于皮层。这一现象并非单纯由外部氧胁迫诱导，而是与组织类型本身密切相关。主成分分析（PCA）进一步揭示，皮层在严重缺氧下才显著上调代谢酶活性，而中柱在轻度缺氧时即表现出强烈的代谢响应。研究指出，鹰嘴豆作为非通气组织（缺乏发达通气腔）的旱地作物，其粗壮根系内部存在天然的氧扩散限制，导致中柱长期处于生理性的低氧状态。因此中柱维持高代谢活性可能是一种适应性策略，以保障能量供应与氧化还原稳态。该成果挑战了传统认为“代谢上调仅是对胁迫的被动响应”的观点，强调组织特异性代谢调控在植物根系低氧适应中的核心作用，为理解作物根系生理及改良抗逆性提供了新视角。


Unisense微电极系统的应用


Unisense微电极系统（OX-10型氧微传感器）被用于高精度、原位测量鹰嘴豆根系内部的氧气（O₂）浓度分布，使用OX10氧微传感器（尖端直径仅10µm），安装于Unisense的MM33-2微操纵器上。微传感器连接至Oxy-Meter皮安电流计，信号通过SENSORTRACE SUITE软件。整个系统集成于1D电动微剖面平台，实现自动步进式穿刺测量。将5–6日龄鹰嘴豆幼苗固定于不锈钢网格上，完全浸没于可控氧浓度的营养液中。利用质量流量控制器调节通入N₂/O₂混合气体，使外部介质pO₂精确设定为5、9、20.6、30或41 kPa。微传感器从距根表300µm处开始，以25µm步长垂直穿刺穿过整个根横截面（包括扩散边界层DBL、皮层、中柱、对侧皮层），记录每一点的O₂浓度。针对特定组织（如皮层或中柱），还在固定深度（250µm和700µm）进行动态监测，以建立外部pO₂与组织内部氧状态的定量关系。


实验结果


成熟、低孔隙和粗大的鹰嘴豆根部的放射状O2剖面表明，氧的消耗量和对氧扩散的抵抗力都足够高，即使外部介质处于空气平衡的pO2，也几乎没有氧能到达大部分石柱。阴道组织表现出比邻近皮层更高的呼吸氧气消耗和代谢活动。值得注意的是，这些升高的活性与外部p氧气独立，表明代谢活性不仅受氧气可用性影响，还受组织类型影响。皮层与间根部代谢的空间差异可能反映了对频繁内部缺氧的适应，这由高呼吸氧气消耗和对氧扩散的抵抗性在厚重组织中引起。由于氧气扩散的物理限制和细胞对氧的消耗，鹰嘴豆的根细胞，尤其是石碑内，容易出现缺氧或严重缺氧。这表明即使在外部需氧条件下，石碑组织很可能在极低的氧气水平下运作。因此，即使外部氧气未受限，石碑组织仍维持比皮层细胞更高的碳水化合物和抗氧化代谢。

图1、在散装溶液中，在41 kPa（a）、30 kPa（b）、20.6 kPa（c）、9 kPa（d）和5 kPa（e）外部氧气的分布下，O2在扩散边界层（DBL）和根组织上的放射状浓度剖面。测量了5至6天龄完整幼苗根系直径为c的位置。1400微米，20°C。幼苗在测量前先在有氧的养分溶液中生长。垂直虚线表示根面，水平虚线表示氧气（20.6 kPa）的空气平衡。红色箭头指向皮层与石碑组织之间的大致边界。（f）照片显示用于测量根部O2的O2微观传感器及测量外部溶液中O2浓度的O2光极管。定制的O2微传感器安装在微作手上，并以25微米的步进方式横跨DBL和根部。（g）根部的手截面图，显示O2微传感器在组织剖析测量过程中所走的路径。测量后，根段保持在4°C，再进行剖面切割。（h）皮层中的氧气浓度和石碑，基于在41、30、20.6、9和5 kPa（a–e）处采集的氧浓度剖面计算得出。箱形图显示五次或四次重复均值（x）、中位数（盒内中间水平线）、50%范围（方框）、100%（条形）（一次重复根的中位数为从两个不同组织中心取的5次读数）。双因子方差分析结果在面板中呈现。不同字母表示不同组织、皮层和石碑内氧气浓度的显著差异（Tukey测试P率3C为0.05）。星号表示同一外部氧气水平内皮层与石碑之间有显著差异（Tukey测试，P<0.05）。杆：（g）200微米。