標(biāo)題：Diel Fluctuation of Extracellular Reactive Oxygen Species Production in the Rhizosphere of Rice

 

水稻根際細(xì)胞外活性氧產(chǎn)生的晝夜波動(dòng)

 

來(lái)源：Environmental Science&Technology,2022,56,9075-9082.doi:10.1021/acs.est.2c00005

 

摘要內(nèi)容

 

摘要首次報(bào)道了水稻根際存在晝夜波動(dòng)（diel fluctuation）的胞外活性氧（ROS）生成現(xiàn)象。通過(guò)微流控芯片結(jié)合共聚焦顯微鏡，研究實(shí)現(xiàn)了水稻根際ROS的原位可視化觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)根際是ROS生成的"熱點(diǎn)區(qū)域"，羥基自由基（·OH）濃度可達(dá)10??M，與水生系統(tǒng)中的光化學(xué)途徑相當(dāng)。ROS生成與溶解氧（DO）、氧化還原電位（Eh）和pH同步波動(dòng)，且受根系徑向氧釋放（ROL）驅(qū)動(dòng)。微生物呼吸釋放的胞外電子與根系分泌的氧氣相互作用是ROS生成的核心機(jī)制，其中鐵礦物和有機(jī)質(zhì)在電子傳遞中起關(guān)鍵作用。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)根際污染物轉(zhuǎn)化和元素循環(huán)具有深遠(yuǎn)影響。

 

研究目的

 

研究旨在：

 

1.驗(yàn)證根際ROS生成：通過(guò)原位成像技術(shù)確認(rèn)水稻根際是否存在胞外ROS生成；

 

2.量化晝夜波動(dòng)規(guī)律：解析ROS生成與光暗周期的關(guān)聯(lián)性及其驅(qū)動(dòng)因素；

 

3.闡明生成機(jī)制：揭示微生物-根系-電子穿梭體（如礦物/有機(jī)質(zhì)）的協(xié)同作用機(jī)制；

 

4.評(píng)估環(huán)境效應(yīng)：探究ROS對(duì)污染物降解（如四環(huán)素）和微生物群落的影響。

 

研究思路

 

研究采用"原位觀測(cè)-機(jī)制驗(yàn)證-環(huán)境效應(yīng)"三步策略：

 

1.原位可視化：設(shè)計(jì)微流控芯片模擬根際環(huán)境，結(jié)合H?DCFDA熒光探針和共聚焦顯微鏡，實(shí)現(xiàn)ROS空間分布（根表徑向梯度）和時(shí)間動(dòng)態(tài)（秒級(jí)響應(yīng)）的原位捕捉。

 

2.晝夜監(jiān)測(cè)：使用丹麥Unisense微電極（OXY25、ROX-N、pH-N）同步監(jiān)測(cè)DO、Eh、pH，結(jié)合TPA化學(xué)探針定量·OH，分析光暗周期（12小時(shí)光照/12小時(shí)黑暗）下的波動(dòng)規(guī)律。

 

3.機(jī)制驗(yàn)證：通過(guò)滅菌實(shí)驗(yàn)、添加電子穿梭體（AQDS/金屬離子，圖3e-f）及自然土壤驗(yàn)證，明確微生物、有機(jī)質(zhì)和礦物的調(diào)控作用。

 

4.環(huán)境效應(yīng)：分析ROS對(duì)四環(huán)素降解和微生物群落組成的影響。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及其研究意義

 

研究測(cè)量了多維度數(shù)據(jù)，每項(xiàng)數(shù)據(jù)均來(lái)自文檔中的圖表，其研究意義如下：

 

ROS空間分布（圖1b）：根表附近熒光強(qiáng)度最高（綠色熱點(diǎn)），隨距離增加呈梯度下降。意義：首次可視化根際ROS的"熱點(diǎn)"分布，證實(shí)根表是氧化還原反應(yīng)的核心界面。

ROS晝夜波動(dòng)（圖2a）：·OH生成速率白天達(dá)40 nM/min，夜間<10 nM/min，光照后快速升高（延遲時(shí)間<1小時(shí)）。意義：揭示ROS生成受光周期調(diào)控，打破"ROS僅存于光照區(qū)"的傳統(tǒng)認(rèn)知。

 

根際微環(huán)境參數(shù)（圖2b-d）：DO（25→210μmol/L）、Eh（0.32→0.53 V）和pH（5.4→5.8）與ROS同步波動(dòng)，光照后DO上升滯后于ROS。意義：證實(shí)ROL是核心驅(qū)動(dòng)力，ROS生成優(yōu)先消耗氧氣（DO滯后現(xiàn)象）。

 

微生物依賴性（圖3d）：滅菌根際ROS生成降低90%（p<0.01），添加土壤微生物后部分恢復(fù)。意義：證實(shí)微生物呼吸是電子源，不可或缺。

 

電子穿梭體效應(yīng)（圖3e-f）：添加AQDS（有機(jī)質(zhì)類(lèi)似物）和過(guò)渡金屬（Fe2?/Mn2?）使ROS提升103.4–118.4%。意義：有機(jī)質(zhì)/礦物作為"電子倉(cāng)庫(kù)"和"穿梭體"，加速電子向O?傳遞。

 

自然土壤驗(yàn)證（圖4b）：根際·OH濃度白天>2000 nM，夜間<400 nM。意義：排除芯片模擬偏差，證實(shí)自然環(huán)境中ROS晝夜波動(dòng)的普適性。

 

污染物降解（圖5a）：ROS導(dǎo)致四環(huán)素羥基化產(chǎn)物生成（質(zhì)譜鑒定）。意義：為根際污染物原位降解提供新機(jī)制。

 

微生物群落影響（圖5b）：ROS抑制Geobacter（鐵還原菌），促進(jìn)Azospirillum（固氮菌）和Desulfovibrio（硫氧化菌）。意義：揭示ROS通過(guò)調(diào)控功能菌群，間接驅(qū)動(dòng)碳/氮/硫循環(huán)。

 

丹麥Unisense微電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

 

研究使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（OXY25、ROX-N、pH-N）實(shí)現(xiàn)根際多參數(shù)同步監(jiān)測(cè)，其核心研究意義如下：

 

高時(shí)空分辨率動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)：微電極以5分鐘間隔連續(xù)監(jiān)測(cè)DO、Eh、pH（圖2b-d），發(fā)現(xiàn)三者與ROS生成嚴(yán)格同步（R2>0.93）。光照后DO上升滯后于ROS的現(xiàn)象，首次證明ROS生成優(yōu)先消耗氧氣（O?→O??→H?O?→·OH），而傳統(tǒng)ROL理論未涵蓋此路徑。

 

 

晝夜波動(dòng)機(jī)制驗(yàn)證：DO晝夜波動(dòng)幅度（25→210μmol/L）與ROS完全匹配（圖2a-b），證實(shí)光照→光合作用→ROL→O?供應(yīng)→ROS生成的因果鏈。Eh升高（0.32→0.53 V）進(jìn)一步驗(yàn)證根際氧化態(tài)增強(qiáng)是ROS生成的前提。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：Unisense微電極的微米級(jí)探頭（尖端直徑≤100μm）可插入根際微區(qū)而不擾動(dòng)根-土界面，克服了傳統(tǒng)電極的空間局限。其耐低氧環(huán)境（檢出限0.2μmol/L）和快速響應(yīng)（<2秒）特性，為還原性根際環(huán)境監(jiān)測(cè)提供理想工具。

 

結(jié)論

 

研究得出以下核心結(jié)論：

 

1.根際是ROS新熱點(diǎn)：水稻根際存在顯著胞外ROS生成（·OH達(dá)10??M），濃度與水生光化學(xué)途徑相當(dāng)，且具晝夜波動(dòng)性（晝高夜低）。

 

2.ROL-微生物協(xié)同機(jī)制：根系釋氧（ROL）與微生物呼吸釋放的胞外電子經(jīng)有機(jī)質(zhì)/礦物穿梭，共同驅(qū)動(dòng)ROS生成（圖3a）。

 

3.多參數(shù)同步波動(dòng)：DO、Eh、pH與ROS嚴(yán)格同步波動(dòng)，證實(shí)光合作用是原始驅(qū)動(dòng)力（圖2）。

 

4.環(huán)境效應(yīng)：ROS促進(jìn)污染物降解（如四環(huán)素羥基化），并通過(guò)抑制Geobacter、促進(jìn)Azospirillum等調(diào)控微生物群落（圖5），進(jìn)而影響碳氮硫循環(huán)。