植物的莖尖分生組織(SAM)是一個(gè)多層次的特點(diǎn)結構，也是植物體地上部分各種組織結構的基礎，并且對于生產(chǎn)地面上的植物組織起著(zhù)重要作用復雜的多細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)植物細胞分化。為了證明此觀(guān)點(diǎn)，本論文的研究人員利用基因報告和體內氧氣測量相結合的方法，研究發(fā)現植物芽的分生組織能夠在低氧生態(tài)位中發(fā)育，并且應用低氧條件來(lái)調控新葉子的產(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量植物組織內氧的水平。通過(guò)莖尖的縱向和徑向測量表明，在與干細胞生態(tài)位廣泛重疊的區域，氧的濃度急劇下降，從而揭示了SAM組織周?chē)脱跎鷳B(tài)位的存在。

Unisense微電極系統的應用

克拉克型氧氣微傳感器(Unisense)測量植物尖端組織內的O2濃度分布。氧氣微電極的尖端直徑為3um，相應時(shí)間小于1s。氧氣微電極在測量前后分別在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(xiàn)性校準。氧氣微傳感器安裝在微操作器控制臺上(MM33-2)上，并連接到主機上，氧氣微電極以10um的步徑穿刺進(jìn)入植物尖端組織處，測試植物尖端組織內不同位置區域對應的氧分壓值。

實(shí)驗結果

研究人員利用基因報告和體內氧氣測量相結合的方法，研究發(fā)現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(chēng)為ZPR2，該底物進(jìn)化為控制iii類(lèi)同源域-亮氨酸的拉鏈轉錄因子s6-8的活性，從而調控分生組織的生長(cháng)。研究結果顯示，氧氣是一種擴散信號，在有氧條件下參與控制植物生長(cháng)過(guò)程中的干細胞活性，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(cháng)。在分子水平上，這個(gè)信號是通過(guò)N-degron途徑被翻譯成轉錄調控，從而將植物代謝活動(dòng)的控制與植物發(fā)育的調控聯(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)區域。圖a表示的是通過(guò)微電極沿植物莖尖組織的頂頭方向測試SAM區域的氧濃度變化，圖中的顏色代表的是單次測試。圖b表示的是擬南芥花序分生組織中GFP的表達受缺氧反應啟動(dòng)子(pHRPE)的驅動(dòng)。圖c表示的是在常規氧條件下和高氧條件下生長(cháng)的植物的表現。圖d表示的是在常氧和高氧條件下生長(cháng)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、青色和鈷藍色圓圈）圖b表示的是測量植物莖尖處組織內的氧氣濃度曲線(xiàn)的實(shí)驗裝置示意圖。(左):從頂部到基底方向(左)和徑向方向(右)。圖c表示的是生長(cháng)了四天的擬南芥幼苗頂端氧濃度分布。圖d表示的是對應圖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(cháng)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。莖尖區域(剖面曲線(xiàn)1)，子葉血管系統的交界處(剖面曲線(xiàn)2)和接口處以下（剖面曲線(xiàn)3）.圖f表示的是通過(guò)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分子缺氧反應研究。圖a表示的是一種由5個(gè)重復的HRPE報告基因組成的合成結構對氧的響應性。圖b表示的是pHRPEx5:GFP-GUS基因在21%、10%和5%O2下的對應的相對染色強度的定量分析。圖c表示的是pHRPEx5:GFP-GUS基因在21%和80%O2下的對應的相對染色強度的定量分析。此研究結果表明，該結構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檢測缺氧誘導基因的表達。

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域插入的。插圖顯示了微傳感器插入植物花序分生組織內的實(shí)驗裝置照片。圖b表示的是pPCO1:GFP-GUS和pPCO2:GFP-GUS對缺氧有特異性反應的研究，pPCO1:GFP-GUS被轉化為植物的花序和花分生組織中的綠色熒光信號。

圖5、植物莖尖區域低氧生態(tài)區域是植物的一個(gè)共同特征。圖a表示的是采用定制的clark型微傳感器（unisense），從頂端到基部測量了1周齡的白花蛇舌草莖尖的氧含量。從圖中測試數據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)驗四次后輸出的兩個(gè)實(shí)際實(shí)驗數據圖。

總結

植物的莖尖分生組織(SAM)是一個(gè)多層次的特點(diǎn)結構，其中一個(gè)中央區域專(zhuān)門(mén)用于維護干細胞的身份和外圍區域產(chǎn)生了新的螺旋組織。原基產(chǎn)生的空間協(xié)調(稱(chēng)為分葉性)是通過(guò)極性生長(cháng)素轉運來(lái)協(xié)調的，而對這一過(guò)程的時(shí)間模式(稱(chēng)為塑化體)的調控則不那么清楚。氧是一種高度反應的可擴散的分子，它保留著(zhù)根據代謝需要調整發(fā)育模式的顯著(zhù)潛力。然而氧氣水平在SAM中的作用還沒(méi)有被準確的評估，因為這個(gè)組織由一小群密集的被發(fā)育中的原基層包圍的細胞構成。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?。舛酥睆綖?微米），可以在微米分辨率下測量植物組織內氧的水平。通過(guò)莖尖的縱向和徑向測量表明，在對與干細胞生態(tài)位廣泛重疊的區域測試發(fā)現該區域的氧的濃度急劇下降，從而揭示了SAM組織周?chē)脱跎鷳B(tài)區域位的存在。從以上研究?jì)热輥?lái)看，unisense微電極在研究植物組織內的氧濃度方面具有很好的應用前景，為相關(guān)研究人員探索植物莖尖分生組織的低氧生長(cháng)機制的研究提供了重要的技術(shù)支持。