Root O? consumption, CO? production and tissue concentration profiles in chickpea, as influenced by environmental hypoxia  

環境低氧對鷹嘴豆根系O?消耗、CO?產生及組織濃度分布的影響  

來源：New Phytologist (2020) 226: 373–384

《新植物學家》第226卷，2020年，第373-384頁  

 

摘要

本研究利用新型CO?微傳感器和O?微傳感器，首次測量了鷹嘴豆幼苗根系在通氣與低氧條件下的徑向O?和CO?濃度分布。研究發現：  

1. 低氧誘導維管柱嚴重缺氧：在低氧條件下（3.7 kPa O?），根系維管柱O?濃度接近檢測限（<0.007 kPa），形成“缺氧核心”（圖1a,b）。  

2. CO?梯度反向于O?：維管柱內CO?濃度高達0.8 kPa（約20倍大氣濃度），并向皮層和外部介質遞減（圖1c,d）。  

 

3. 呼吸商（RQ）隨O?降低而升高：當外部O?從20.6 kPa降至3.7 kPa時，根系RQ從1.5升至4.9（圖3b），表明呼吸作用向乙醇發酵轉變。  

 

4. 代謝驗證：低氧條件下根系乙醇產量顯著增加（圖5b），證實發酵代謝增強。  

 

研究目的

1. 探究低氧環境對鷹嘴豆根系O?消耗、CO?產生及組織內氣體分布的影響。  

2. 驗證維管柱“缺氧核心”假說，并量化其對呼吸代謝路徑（呼吸 vs 發酵）的調控作用。  

3. 建立O?可用性與呼吸商（RQ）變化的定量關系，揭示低氧適應機制。  

 

研究思路

1. 實驗設計：  

   ? 在流動營養液中培養鷹嘴豆幼苗，設置通氣（20.6 kPa O?）和低氧（3.7 kPa O?）處理。  

   ? 通過18小時低氧預處理（2.1 kPa O?）誘導根系低氧適應性。  

2. 原位微傳感器測量：  

   ? 使用丹麥Unisense O?微傳感器（tip≈25 μm）和新型CO?微傳感器（tip≈35 μm）穿透根系，測量徑向O?/CO?濃度梯度（圖1）。  

   ? 同步監測擴散邊界層（DBL）氣體梯度，計算O?消耗和CO?產生通量（圖2）。  

 

3. 代謝分析：  

   ? 離體根段培養：測定不同O?水平（20.6/3.7/0 kPa）下的O?消耗、乙醇和乳酸產量（圖5）。  

4. 數據分析：  

   ? 結合通量數據計算呼吸商（RQ=CO?產生/O?消耗），分析O?濃度與RQ的關系（圖3,4）。  

 

測量的數據及研究意義

1. 根系組織O?/CO?濃度分布（圖1）  

   ? 數據：維管柱O?濃度在低氧下趨近于0 kPa（圖1b），CO?濃度高達0.8 kPa（圖1d）。  

   ? 意義：首次直接證實維管柱存在“缺氧核心”，揭示CO?在根系內部的積累模式，為理解低氧脅迫下細胞能量代謝提供空間分辨證據。  

2. 擴散邊界層（DBL）氣體梯度（圖2）  

   ? 數據：DBL內O?向內梯度（消耗）和CO?向外梯度（產生），低氧下梯度變緩（圖2a,b）。  

   ? 意義：量化氣體交換阻力，驗證擴散模型（Henriksen方程），為根系-環境界面氣體傳輸機制提供實驗依據。  

3. O?消耗與CO?產生通量（圖3a）  

   ? 數據：O?通量從1.39 μmol m?2 s?1（20.6 kPa）降至0.31 μmol m?2 s?1（3.7 kPa）；CO?通量從2.61降至1.14 μmol m?2 s?1。  

   ? 意義：揭示低氧抑制呼吸速率，但CO?下降幅度小于O?，暗示發酵代謝補償。  

4. 呼吸商（RQ）動態（圖3b, 圖4c）  

   ? 數據：RQ從1.5（20.6 kPa）升至4.9（3.7 kPa），且在逐步降O?實驗中從1升至2.0（5.4 kPa）。  

   ? 意義：RQ升高直接反映發酵代謝比例增加，為Berry-Norris假說（1949）提供實證支持。  

5. 發酵產物積累（圖5b）  

   ? 數據：缺氧（0 kPa O?）下乙醇產量顯著增加，乳酸產量輕微上升。  

   ? 意義：證實低氧核心區通過乙醇發酵維持能量供應，解釋RQ升高的代謝基礎。  

 

結論

1. 缺氧核心普遍存在：即使通氣條件下，鷹嘴豆根系維管柱仍嚴重缺氧（O?<0.007 kPa），低氧環境擴大缺氧區域至皮層（圖1）。  

2. CO?積累與擴散：維管柱CO?濃度（0.8 kPa）顯著高于環境，形成向外擴散梯度，可能影響細胞pH和離子平衡（圖1c,d）。  

3. 呼吸代謝轉型：低氧觸發呼吸向發酵轉變，RQ升高（圖3b,4c）與乙醇產量增加（圖5b）耦合，維持根系能量供應。  

4. 技術突破：新型CO?微傳感器實現原位、高分辨率測量，填補根系CO?動態研究空白。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

技術原理

? O?微傳感器（Revsbech, 1989）：基于電化學還原原理（極化電壓-0.8 V），線性響應范圍0-101 kPa O?，空間分辨率25 μm。  

? CO?微傳感器（Revsbech et al., 2019）：通過陰極還原CO?為草酸鹽，內置O?清除劑（CrCl?/HCl）消除O?干擾，空間分辨率100 μm（圖1,2）。  

 

研究意義

1. 原位動態監測：  

   ? 實現根系組織內O?/CO?梯度同步測量（圖1），突破傳統破壞性采樣局限，揭示維管柱“缺氧核心”與CO?累積的實時動態。  

2. 通量計算創新：  

   ? 結合DBL梯度（圖2）與改進的Henriksen方程，首次非破壞性量化根系O?消耗和CO?產生通量（圖3a），為呼吸代謝研究提供新范式。  

3. 機制解析關鍵工具：  

   ? RQ升高（圖3b,4c）與發酵代謝（圖5b）的關聯驗證，依賴微傳感器的高時空分辨率數據，明確低氧下呼吸向發酵的代謝轉換。  

4. 技術普適性：  

   ? 方法適用于淹水土壤中根系研究，為作物耐澇機制（如水稻）和土壤-植物氣體交換模型提供關鍵技術支撐。  

 

應用價值

? 農業生態：指導耐澇作物育種（如維持皮層通氣組織功能）。  

? 環境科學：預測濕地植物對氣候變化的響應（如洪水事件頻率增加）。  

? 技術拓展：推動微傳感器在植物-土壤互作研究中的廣泛應用。