植物的莖尖分生組織(SAM)是一個多層次的特點結(jié)構(gòu)，也是植物體地上部分各種組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，并且對于生產(chǎn)地面上的植物組織起著重要作用復(fù)雜的多細胞生物是在地球上大氣的富氧環(huán)境中進化而來。維持植物干細胞的多能狀態(tài)需要低氧條件下，而高氧張力會促進植物細胞分化。為了證明此觀點，本論文的研究人員利用基因報告和體內(nèi)氧氣測量相結(jié)合的方法，研究發(fā)現(xiàn)植物芽的分生組織能夠在低氧生態(tài)位中發(fā)育，并且應(yīng)用低氧條件來調(diào)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(nèi)氧的水平。通過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(qū)域，氧的濃度急劇下降，從而揭示了SAM組織周圍低氧生態(tài)位的存在。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

克拉克型氧氣微傳感器(Unisense)測量植物尖端組織內(nèi)的O2濃度分布。氧氣微電極的尖端直徑為3um，相應(yīng)時間小于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)進行線性校準。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的步徑穿刺進入植物尖端組織處，測試植物尖端組織內(nèi)不同位置區(qū)域?qū)?yīng)的氧分壓值。

實驗結(jié)果

研究人員利用基因報告和體內(nèi)氧氣測量相結(jié)合的方法，研究發(fā)現(xiàn)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調(diào)控新葉子的產(chǎn)生。研究人員證實了定位于莖分生組織的缺氧抑制N-degron-pathway底物被稱為ZPR2，該底物進化為控制iii類同源域-亮氨酸的拉鏈轉(zhuǎn)錄因子s6-8的活性，從而調(diào)控分生組織的生長。研究結(jié)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過程中的干細胞活性，這表明空間上的氧氣濃度差異的分布會影響植物的生長。在分子水平上，這個信號是通過N-degron途徑被翻譯成轉(zhuǎn)錄調(diào)控，從而將植物代謝活動的控制與植物發(fā)育的調(diào)控聯(lián)系起來。

圖1、植物的莖尖分生組織（SAM）活性的保持需要一個低氧生態(tài)區(qū)域。圖a表示的是通過微電極沿植物莖尖組織的頂頭方向測試SAM區(qū)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(yīng)啟動子(pHRPE)的驅(qū)動。圖c表示的是在常規(guī)氧條件下和高氧條件下生長的植物的表現(xiàn)。圖d表示的是在常氧和高氧條件下生長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(qū)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(nèi)的氧氣濃度曲線的實驗裝置示意圖。(左):從頂部到基底方向(左)和徑向方向(右)。圖c表示的是生長了四天的擬南芥幼苗頂端氧濃度分布。圖d表示的是對應(yīng)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(qū)域(剖面曲線1)，子葉血管系統(tǒng)的交界處(剖面曲線2)和接口處以下（剖面曲線3）.圖f表示的是通過光學(xué)顯微鏡確定微電極的插入點的位置。

圖3、植物莖尖低氧條件下誘導(dǎo)分子缺氧反應(yīng)研究。圖a表示的是一種由5個重復(fù)的HRPE報告基因組成的合成結(jié)構(gòu)對氧的響應(yīng)性。圖b表示的是pHRPEx5:GFP-GUS基因在21%、10%和5%O2下的對應(yīng)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(yīng)的相對染色強度的定量分析。此研究結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(qū)域插入的。插圖顯示了微傳感器插入植物花序分生組織內(nèi)的實驗裝置照片。圖b表示的是pPCO1:GFP-GUS和pPCO2:GFP-GUS對缺氧有特異性反應(yīng)的研究，pPCO1:GFP-GUS被轉(zhuǎn)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(qū)域低氧生態(tài)區(qū)域是植物的一個共同特征。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(shù)據(jù)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際穿透情況。圖c和圖d是實驗四次后輸出的兩個實際實驗數(shù)據(jù)圖。

總結(jié)

植物的莖尖分生組織(SAM)是一個多層次的特點結(jié)構(gòu)，其中一個中央?yún)^(qū)域?qū)ｉT用于維護干細胞的身份和外圍區(qū)域產(chǎn)生了新的螺旋組織。原基產(chǎn)生的空間協(xié)調(diào)(稱為分葉性)是通過極性生長素轉(zhuǎn)運來協(xié)調(diào)的，而對這一過程的時間模式(稱為塑化體)的調(diào)控則不那么清楚。氧是一種高度反應(yīng)的可擴散的分子，它保留著根據(jù)代謝需要調(diào)整發(fā)育模式的顯著潛力。然而氧氣水平在SAM中的作用還沒有被準確的評估，因為這個組織由一小群密集的被發(fā)育中的原基層包圍的細胞構(gòu)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(nèi)氧的水平。通過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(qū)域測試發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的氧的濃度急劇下降，從而揭示了SAM組織周圍低氧生態(tài)區(qū)域位的存在。從以上研究內(nèi)容來看，unisense微電極在研究植物組織內(nèi)的氧濃度方面具有很好的應(yīng)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機制的研究提供了重要的技術(shù)支持。