铁离子毒害广泛存在于厌氧土壤中。但植物的铁毒害耐受机制仍不是很清楚。德国伯恩大学的研究人员通过水稻突变株发现钾离子通道基因OsAKT1在铁毒害中发挥了作用。

而为了证明在铁毒害环境下OsAKT1功能缺失确实会对水稻生理与表型造成严重影响。研究人员用PolyPen手持式光谱仪、光合仪和叶绿素荧光仪分别测量了样品的反射光谱植被指数：光化学反射指数PRI、绿度指数GI、归一化植被指数NDVI等；光合参数：光合速率、蒸腾速率等；叶绿素荧光参数：实际光化学效率ΦPSII。结果表明在控制条件下，突变株与野生型的这些表型指标没有显著差异，而在过量铁处理后，OsAKT1功能缺失突变株的表型指标表现出比野生型更加明显的变化。

对照组与铁毒害处理的水稻样品彩色成像图

对照组与铁毒害处理的水稻样品表型数据，左：反射光谱植被指数；右：光合生理参数

同时，铁毒害会极大地减少其他养分离子吸收并进入嫩芽，从而造成多种矿质元素失调。这也是铁毒害胁迫复杂性的原因之一。因此研究人员还对样品的不同组织部位进行了离子组学分析。他们使用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）和原子吸收光谱（AAS）测量了Fe，Ca，Mg，Cu，Zn，Mn，Ni，K，Na等元素含量。这两种技术虽然精度很高，但在植物样品元素分析中有很大的局限性。首先样品需要预处理。本研究中是干燥样品粉碎后进行硝酸微波压力消解，之后还要稀释定容，费时费力。其次对植物样品不同部位、不同组织的识别分辨率不高，只能大致上分别分析叶片、根、茎，更细微的组织差异则无法识别。而最新的激光诱导击穿元素光谱分析技术（Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）能够对包括轻元素在内的全元素进行快速、实时的分析，得到元素高分辨率成像甚至微分辨率成像，并且无须预处理、实验成本低。精度则可以媲美ICP和AAS。目前，这一技术的代表是欧洲工程技术中心（CEITEC）的Lightigo Libs激光诱导击穿元素光谱分析系统。

左：Lightigo Libs激光诱导击穿元素光谱分析系统；右：Cd处理浮萍小叶元素mapping图像

参考文献：

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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