来自康奈尔大学和美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的一组科学家揭示了一种转运蛋白的意想不到的功能及其在植物调节机制中的作用。他们的研究发表在今年早些时候的《植物细胞》杂志上，可以通过将必需的微量营养素包装到植物的可食用部分来帮助减少人类的矿物质缺乏症。

　　铁是人体必需的矿物质。铁除了是血红蛋白(一种将氧气输送到全身的红细胞蛋白)的关键成分外，还能帮助免疫系统，并在认知功能中发挥作用。人体不能产生铁，所以必须定期摄取。

　　像菠菜这样的植物是铁的一个来源，但它们严格的调节机制防止矿物质过度积累，因为高浓度的矿物质对植物是有毒的。然而，科学家们一直在研究矿物质(如铁)的运输，以找到一种方法来推翻这些调节机制，增加可食用植物的营养价值。

　　“这个故事很久以前就开始了，”康奈尔大学的植物生物学家、负责这项研究的实验室负责人奥莱娜·瓦塔马努克解释说。大约十年前，Vatamaniuk和她的同事发表了一项令人惊讶的发现——一种被称为寡肽转运蛋白3 (OPT3)的转运蛋白负责在一种名为拟南芥的模式植物中运输铁，而不是以这种转运蛋白命名的寡肽(小肽)。

　　作为早期研究的一部分，密苏里大学的研究人员发现，OPT3的减少改变了铁在拟南芥植物中的分布;根部显示出缺铁的迹象，尽管叶片富含铁。这表明OPT3的作用与铁状态从叶片(即茎)到根的传递有关。

　　这两项发现只是一个复杂故事的开始。

　　Vatamaniuk说:“在我们最新的研究中，我们想利用我们对OPT3作用的了解来弄清楚转运蛋白是如何与茎到根的信号传导相关的。”用超亮x射线观察植物内部是第一步——但OPT3还为科学家们准备了另一个惊喜。

　　当科学家们想弄清楚一种蛋白质的作用时，他们通常会选择观察从样本中去除大部分(如果不是全部的话)蛋白质后不会发生什么。去除所有的OPT3蛋白对本研究中使用的植物物种是致命的，因此研究人员对这些植物进行了基因改造，创造出具有较低丰度的OPT3转运体的“突变体”。

　　Vatamaniuk和她的同事们想看看在突变植物和未突变植物之间，铁在整个维管系统中的分布有何不同。研究人员对一种叫做韧皮部的运输组织特别感兴趣，因为他们在近十年前就发现了OPT3将铁转移到这个组织中。韧皮部通常将营养物质从它们高度集中的区域(称为来源)运输到它们缺乏的区域(称为汇)。这与木质部维管组织形成对比，木质部维管组织将水和营养物质从根部输送到茎部。

　　分析组织和细胞中铁分布的一种方法是使用共聚焦x射线荧光成像(C-XRF)，这是康奈尔大学光束线科学家亚瑟·沃尔最近开发的一种技术。与传统的x射线荧光(XRF)成像一样，这种技术使用明亮的x射线来揭示样品中不同化学元素的位置。但是沃尔设计的一个非常小的特殊透镜，称为共聚焦光学透镜，为研究人员提供了深度灵敏度，可以量化厚样品中特定区域内的元素浓度。康奈尔大学的研究人员通过一种称为纳米制造的工艺制造出这些镜片。

　　为了在超小型范围内应用这项技术，康奈尔大学的科学家们将他们的样本带到世界上最先进的x射线光源之一，国家同步加速器光源II (NSLS-II)。NSLS-II是美国能源部布鲁克海文实验室的科学用户设施办公室，它能产生比太阳亮100亿倍的光束。

　　“NSLS-II是唯一拥有足够明亮的光束线的设备，可以让我们获得我们想要的分辨率，”瓦塔马努克实验室的研究员、这篇论文的主要作者贾菊辰解释说。“当时，没有其他设备可以为我们提供所需的单微米分辨率C-XRF图像。”

　　研究小组在NSLS-II的第一站是由安德鲁·基斯(Andrew Kiss)领导的亚微米分辨率x射线光谱(SRX)光束线。沃尔和基斯放置了一系列镜子，将x射线束聚焦到叶柄上一个平方微米的区域，叶柄是连接叶子和茎的部分。

　　x射线束和叶柄之间的相互作用发出荧光x射线信号，这些信号通过位于一毫米外的纳米共聚焦光学器件传播，然后被硅漂移探测器记录下来。

　　Kiss指出:“从技术角度来看，这确实具有挑战性。除了使用小光斑，研究人员还必须确保只收集叶柄表面的x射线。从样本深处收集的x射线会降低分辨率，并有效地模糊图像。

　　x射线荧光包含特征能量，就像样品中每个元素的指纹。Kiss和康奈尔大学的科学家们解码了这些x射线，以找出样品中有哪些元素，这些元素的浓度，以及它们的精确位置。

　　“在最初的论文中，我们提出OPT3对于将铁加载到韧皮部很重要，”Chia解释说。“因此，我们认为，如果我们使用C-XRF分析突变植物维管组织，我们应该在突变植物的木质部中看到更多的铁，而韧皮部中的铁更少。”

　　研究人员确实找到了他们想要寻找的东西——但他们随后的分析让他们大吃一惊。

　　一些转运蛋白移动不止一个分子;在植物中，铁通常与锌或锰一起运输。因此，在进行x射线荧光实验时，除了感兴趣的矿物外，分析多种矿物的分布是一种相当普遍的做法。

　　“有时改变一种矿物质的浓度会导致植物中一系列其他浓度的变化，”Chia解释说。“铁、铜、锌和锰都是植物生长所必需的矿物质，所以我们喜欢同时研究它们。”

　　虽然铜是必不可少的，但它通常不与植物中的其他矿物质共享转运体。这就是为什么当研究人员观察到突变植株的铜分布与突变植株的铁分布相似时，他们感到特别震惊——这表明OPT3也将铜运输到韧皮部。

　　“如果我们没有把我们的样本带到NSLS-II，我们永远不会考虑一个转运体在植物中同时移动铁和铜，”Vatamaniuk说，强调这些结果是多么出乎意料。“这很不寻常。”

　　“这项工作是SRX光束线的一项伟大技术成就，”Kiss指出。“但它更充分地展示了NSLS-II的专业知识和合作。”在这些实验中，Kiss和Woll与x射线荧光显微镜(XFM)光束线的负责人Ryan Tappero合作，Chia和她的同事在那里进行了补充实验来证实他们的发现。

　　在XFM光束线上，康奈尔大学的科学家们想要可视化整个胚胎植物脉管系统中元素的内部分布，这些元素包含在成熟的种子中。尽管切开种子并扫描其表面(就像科学家们用c - xrf研究叶柄一样)很诱人，但切开种子可能会导致元素重新分布。将这些精致的结构暴露在氧气中也可能导致化学反应，改变它们的元素组成。

　　塔佩罗解释说:“就像医生在不切开身体的情况下对你的身体进行CT扫描一样，我们使用XFM光束线的x射线对种子内部的矿物元素进行‘化学’CT扫描，而不切开种子。”

　　医学CT扫描依靠旋转x射线源和探测器进行一系列曝光，计算机可以从中重建内部结构的横截面图像。NSLS-II的科学家们没有旋转x射线束，而是通过编程让仪器在记录x射线荧光信号的同时旋转x射线束中的种子样本。

　　塔佩罗解释说:“这些种子直径只有半毫米，这使它们成为完整扫描的理想选择。”当每个卵状种子被超亮x射线照射时，荧光信号可以从种子中心辐射出来，由硅漂移探测器测量。

　　在第一次曝光后，仪器将样品旋转不到一度，这样它就可以从另一个角度再次被电击。仪器自动重复这个过程，直到样品被旋转了整整360度。这项技术被称为x射线荧光计算机微断层扫描(F-CMT)。

　　像传统的XRF图像一样，F-CMT截面图像来自荧光信号;然而，科学家们使用额外的计算机重建技术来提供横断面视图。利用这些横断面图像，科学家们观察到，与未改变的种子相比，突变种子的维管细胞中铁和铜的浓度都较低。这些结果进一步证明了OPT3转运体可以移动铁和铜。

　　他说:“我们把样本带到NSLS-II，这样我们就可以观察到这种转运蛋白的生理机能，我们回到实验室时，发现了这个谜题的核心所在。”“一切都要走到一起了。”

　　研究人员回到他们的康奈尔实验室，通过深入研究突变植物的遗传学来理解他们的新发现。通过一系列实验，他们发现铁和铜不仅共享一个运输蛋白，而且它们还在一个复杂的信号通路中相互作用，通过基因表达调节它们的摄取。

　　这项研究只是通过改变可食用植物的营养成分来减轻人类矿物质缺乏症的一步。Vatamaniuk和她的同事们研究了拟南芥，这是一种非草类植物，经常用于研究，因为它繁殖速度快，基因组短，完全被绘制出来。研究人员现在可以利用他们的发现来研究这种转运蛋白在水稻、小麦或大麦等禾本科植物中的功能。

　　“植物的生理机能可以调整转运蛋白的功能，”Vatamaniuk解释说。“因此，将这些知识应用于其他植物是很重要的。我相信还会有更多的发现。”

　　她补充说:“我想对国家科学实验室二号的科学家表示感谢，因为他们真的帮助了我们。”“合作的本质非常重要，但他们也非常友好和乐于助人。”

　　“我们有很多雄心勃勃的想法，”贾说，“他们帮助我们把这些想法变成现实。”