SpectraPen/PolyPen光譜儀應用—鐵離子毒性與遷移調控

鐵離子毒害廣泛存在于厭氧土壤中。但植物的鐵毒害耐受機制仍不是很清楚。德國伯恩大學的研究人員通過水稻突變株發現鉀離子通道基因OsAKT1在鐵毒害中發揮了作用。

而為了證明在鐵毒害環境下OsAKT1功能缺失確實會對水稻生理與表型造成嚴重影響。研究人員用PolyPen手持式光譜儀、光合儀和葉綠素熒光儀分別測量了樣品的反射光譜植被指數：光化學反射指數PRI、綠度指數GI、歸一化植被指數NDVI等；光合參數：光合速率、蒸騰速率等；葉綠素熒光參數：實際光化學效率ΦPSII。結果表明在控制條件下，突變株與野生型的這些表型指標沒有顯著差異，而在過量鐵處理后，OsAKT1功能缺失突變株的表型指標表現出比野生型更加明顯的變化。

對照組與鐵毒害處理的水稻樣品彩色成像圖

對照組與鐵毒害處理的水稻樣品表型數據，左：反射光譜植被指數；右：光合生理參數

同時，鐵毒害會大大地減少其他養分離子吸收并進入嫩芽，從而造成多種礦質元素失調。這也是鐵毒害脅迫復雜性的原因之一。因此研究人員還對樣品的不同組織部位進行了離子組學分析。他們使用電感耦合等離子體發射光譜（ICP-OES）和原子吸收光譜（AAS）測量了Fe，Ca，Mg，Cu，Zn，Mn，Ni，K，Na等元素含量。這兩種技術雖然精度很高，但在植物樣品元素分析中有很大的局限性。首先樣品需要預處理。本研究中是干燥樣品粉碎后進行硝酸微波壓力消解，之后還要稀釋定容，費時費力。其次對植物樣品不同部位、不同組織的識別分辨率不高，只能大致上分別分析葉片、根、莖，更細微的組織差異則無法識別。而新的激光誘導擊穿元素光譜分析技術（Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）能夠對包括輕元素在內的全元素進行快速、實時的分析，得到元素高分辨率成像甚至微分辨率成像，并且無須預處理、實驗成本低。精度則可以媲美ICP和AAS。目前，這一技術的代表是歐洲工程技術中心（CEITEC）的Lightigo Libs激光誘導擊穿元素光譜分析系統。

左：Lightigo Libs激光誘導擊穿元素光譜分析系統；右：Cd處理浮萍小葉元素mapping圖像

參考文獻：

1.Wu, L.B., Holtkamp, F., Wairich, A., & Frei, M. 2019. Potassium Ion Channel Gene OsAKT1 Affects Iron Translocation in Rice Plants Exposed to Iron Toxicity. Frontiers in Plant Science, 10

2.Pavlína, M., Karel, N., Pavel, P., J, Jozef, K., 2018. Comparative investigation of toxicity and bioaccumulation of Cd-based quantum dots and Cd salt in freshwater plant Lemna minor L. Ecotoxicology and Environmental Safety 147: 334–341

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