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

一位戴著護目鏡、穿著白色實驗服的男性科學家正在觀察植物，并用筆做記錄。

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蔗糖在植物生理過程中起著至關重要的作用。它不僅是重要的能量來源，也是一種關鍵的信號分子，會影響植物的生長、發(fā)育和應激反應。蔗糖是植物器官間長距離運輸?shù)暮诵模�有助于將資源從葉片等源組織分配到植物其他部位的儲存組織或生長組織中。

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

鑒于蔗糖移動的復雜性和速度，需要具備高空間和時間分辨率且能在活體內發(fā)揮作用的工具，以更好地理解這些機制。

微創(chuàng)實時生物傳感器

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

首先，轉化酶將蔗糖水解為葡萄糖和果糖。接著，變旋酶將葡萄糖轉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反應，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中。這種結構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。該傳感器的響應時間約為 90 秒，插入莖或葉時對組織的損傷微乎其微。

實驗室與田間測試

研究人員進行了大量的體外和體內實驗，以評估該生物傳感器的性能。他們在實驗室條件下測試了傳感器的靈敏度，在 72 小時內測試了其操作穩(wěn)定性，并測試了多次讀數(shù)的重現(xiàn)性。

為了評估其實際應用能力，他們將該設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 小時周期內以及受控光照和黑暗條件下的蔗糖運輸情況。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。

同位素追蹤證實氣孔吸收

為了探究蔗糖進入植物組織的機制，研究團隊使用了富含穩(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。

這為之前的一個假設機制提供了體內證據(jù)：眾所周知，氣孔主要負責調節(jié)氣體和水分交換，而在某些條件下，它們可能還充當蔗糖的進入點。

關鍵發(fā)現(xiàn)：蔗糖運輸對光照有反應

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運到生長組織中” 這一觀點。

然而，在日本柳杉中，蔗糖水平在光照期間（此時氣孔開放）急劇上升，而在黑暗期間（此時氣孔關閉）下降。這些變化表明，蔗糖的吸收與氣孔活動直接相關，而氣孔活動又受光照調節(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。這與之前確定的運輸動力學相符，進一步支持了 “蔗糖通過氣孔進入是活躍的且對環(huán)境有響應” 這一觀點。