研究人員利用最初為癌症研究設計的高科技成像技術，對植物根部的重要化學物質進行了新的了解。這項突破性的研究帶來了化學”路線圖”的發展，對農業生產力、食物創造和氣候復原力具有重大意義。

當在一個陽光明媚的春日里隨意地在公園裡漫步時，很容易忽視地底下看不見的複雜情況。然而，植物生物學家明白，存在於地下的龐大的、結構細緻的根係是植物生命和生長的基礎。例如，樹木錯綜複雜的根系網絡可以在地下伸展開來，就像樹木本身伸向天空一樣廣泛。

由加州大學聖地亞哥分校生物科學博士後學者Tao Zhang和助理教授Alexandra Dickinson領導的研究小組，使用一種先進的成像技術來研究玉米植物的根部。他們開發了一個”化學路線圖”，詳細說明了關鍵小分子沿著植物幹細胞的分佈，以及它們對植物發育的影響。該研究的見解發表在《自然-通訊》雜誌上，可以為這些基本的根部化學物質如何影響植物生長提供關鍵的見解。

細胞和發育生物學系的一名教師迪金森說：”這個化學路線圖提供了一個資源，科學家可以用來尋找調控植物生長的新方法。當我們考慮保護自然環境中的植物並使其更具有可持續性時，擁有更多關於根部如何生長的信息在保護方面可能是有用的，特別是在農業方面。”

研究人員使用一種先進的成像技術，對負責植物生長的基本根部化學物質有了新的認識。

在斯坦福大學擔任訪問科學家時，迪金森開始與研究的共同第一作者薩拉-諾爾和理查德-扎雷教授合作，後者開發了一個質譜成像系統，幫助外科醫生在腫瘤切除手術中區分癌症和良性組織。

迪金森、扎雷和諾爾將這項技術–“解吸電噴霧質譜成像”或DESI- MSI –用於探測植物根部參與生長和能量生產的化學物質。他們最初專注於玉米植物的根尖，那裡的干細胞在植物的發育中發揮著積極作用。他們的方法包括切開根部的中心，以獲得內部化學物質的清晰圖像。

“為了幫助從生物學方面了解植物根部，我們需要找出那裡有哪些化學物質，”Zare說。”我們的成像系統噴出液滴，打擊根的不同部分，並溶解該位置的化學物質。一個質譜儀收集液滴飛濺並告訴我們這些溶解的化學物質是什麼。通過系統地掃描液滴目標點，我們製作了一個根部化學物質的空間圖。”

由此產生的圖像，被認為是最早揭示幹細胞和成熟根組織之間過渡的一些圖像，顯示了代謝物的基礎作用–參與植物能量生產的分子。三羧酸（TCA）循環代謝物成為研究的重點，因為它們被發現是控制根部發育的一個關鍵角色。

在進行這項研究時，研究人員預計化學品的分佈會相對均勻。相反，在他們掌握了化學路線圖之後，他們發現TCA代謝物在整個根部成片地聚集起來。

迪金森說：”我對許多化學物質以真正獨特的模式出現感到驚訝。我們可以看到，植物是故意這樣做的–它需要這些分子在特定區域正常生長。迪金森實驗室表明，這些TCA代謝物在發育過程中具有可預測的影響，不僅在玉米，而且在另一種植物物種（擬南芥）中也是如此。這可能是因為TCA代謝物是高度保守的–它們在所有植物和動物中都有製造。”

從新的圖像中出現的還有以前未被識別的化合物。這些神秘的化合物可能對植物的生長至關重要，因為它們也在特定的位置分組，表明在發育過程中發揮了突出的作用。迪金森和她的同事們現在正在研究這些化合物，並比較對惡劣氣候條件和乾旱等不利威脅具有不同抗壓水平的玉米品種。新的信息將幫助他們開發新的化學和遺傳策略，以改善植物生長和抗壓能力。

“我們正在研究具有抗旱性的不同玉米植物，了解我們是否已經找到了該品種特有的化學物質，而我們在其他品種中還沒有看到。”迪金森說。”我們認為這可能是找到能夠促進生長的新化合物的一種方式，特別是在惡劣的條件下。”