科學(xué)家們發(fā)明了一種微型、非侵入性的生物傳感器，能夠?qū)崟r(shí)追蹤植物內(nèi)部的糖分水平。他們的研究為了解植物如何吸收和運(yùn)輸蔗糖提供了新的見解。

一位戴著護(hù)目鏡、穿著白色實(shí)驗(yàn)服的男性科學(xué)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(guān)重要的作用。它不僅是重要的能量來源，也是一種關(guān)鍵的信號分子，會(huì)影響植物的生長、發(fā)育和應(yīng)激反應(yīng)。蔗糖是植物器官間長距離運(yùn)輸?shù)暮诵�，有助于將資源從葉片等源組織分配到植物其他部位的儲(chǔ)存組織或生長組織中。

研究人員對這些蔗糖運(yùn)輸機(jī)制的研究已有一段時(shí)間，然而，現(xiàn)有的大多數(shù)技術(shù)（如生化分析）都需要進(jìn)行破壞性取樣。這不僅無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，還會(huì)破壞植物的內(nèi)部環(huán)境。

鑒于蔗糖移動(dòng)的復(fù)雜性和速度，需要具備高空間和時(shí)間分辨率且能在活體內(nèi)發(fā)揮作用的工具，以更好地理解這些機(jī)制。

微創(chuàng)實(shí)時(shí)生物傳感器

在最近《生物傳感器與生物電子學(xué)》雜志的一項(xiàng)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(nèi)的蔗糖。該傳感器具有非破壞性，它借助嵌入了三種酶（轉(zhuǎn)化酶、變旋酶和葡萄糖氧化酶）的凝膠界面，提供動(dòng)態(tài)、連續(xù)的數(shù)據(jù)。

首先，轉(zhuǎn)化酶將蔗糖水解為葡萄糖和果糖。接著，變旋酶將葡萄糖轉(zhuǎn)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(xué)反應(yīng)，在傳感器的電極上產(chǎn)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(xué)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(zhì)中。這種結(jié)構(gòu)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(gè)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(yīng)時(shí)間約為 90 秒，插入莖或葉時(shí)對組織的損傷微乎其微。

實(shí)驗(yàn)室與田間測試

研究人員進(jìn)行了大量的體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，以評估該生物傳感器的性能。他們在實(shí)驗(yàn)室條件下測試了傳感器的靈敏度，在 72 小時(shí)內(nèi)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(shí)際應(yīng)用能力，他們將該設(shè)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(shí)周期內(nèi)以及受控光照和黑暗條件下的蔗糖運(yùn)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(dòng)。

同位素追蹤證實(shí)氣孔吸收

為了探究蔗糖進(jìn)入植物組織的機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(jù)，證實(shí)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(gè)假設(shè)機(jī)制提供了體內(nèi)證據(jù)：眾所周知，氣孔主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)氣體和水分交換，而在某些條件下，它們可能還充當(dāng)蔗糖的進(jìn)入點(diǎn)。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：蔗糖運(yùn)輸對光照有反應(yīng)

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(dá)到峰值，這支持了 “白天光合作用產(chǎn)生的糖分在天黑后被轉(zhuǎn)運(yùn)到生長組織中” 這一觀點(diǎn)。

然而，在日本柳杉中，蔗糖水平在光照期間（此時(shí)氣孔開放）急劇上升，而在黑暗期間（此時(shí)氣孔關(guān)閉）下降。這些變化表明，蔗糖的吸收與氣孔活動(dòng)直接相關(guān)，而氣孔活動(dòng)又受光照調(diào)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(yùn)輸動(dòng)力學(xué)相符，進(jìn)一步支持了 “蔗糖通過氣孔進(jìn)入是活躍的且對環(huán)境有響應(yīng)” 這一觀點(diǎn)。