超富集植物

由于工矿企业的发展，农业化肥的过量使用，污水灌溉等，中国乃至世界的土壤重金属污染越来越严重。植物修复技术是目前重金属污染治理的研究热点，它具有治理效果的永久性、治理过程的原位性、治理成本的低廉性、环境美学的兼容性、后期处理的简易性等优点。这个技术成功的关键在于寻找超富集植物。虽然目前全世界已发现400多种超富集植物，但是大多数超富集植物都有生物量小，生长缓慢，弱抵抗力，种子少，缺乏与当地植物竞争的能力等缺点，所以能够真正应用于植物修复技术的超富集植物并不多。因此采用更有效的方法来筛选更多超富集植物是非常必要的。 　　中科院华南植物园土壤生态与生态工程研究组博士研究生张杏锋在导师夏汉平研究员的指导下，首次提出了用土壤种子库-重金属浓度梯度法来筛选重金属超富集植物，并成功找到一种Cd的超富集植物——少花龙葵(Solanum photeinocarpum)。该方法是指利用土壤种子库筛选对重金属具有超富集特性的植物，然后通过重金属浓度梯度实验对其超富集特性进行验证。结果发现，当土壤Cd浓度为60mg/kg时，少花龙葵的生长未受影响，根部Cd含量高达473mg/kg，茎、叶和地上部Cd含量分别达215、251和230mg/kg。在两个浓度梯度实验中，少花龙葵地上部Cd含量均超过Cd超富集植物的临界含量标准(100mg/kg)，具有Cd超富集植物的基本特征，是Cd的超富集植物。 　　这一研究结果近期发表在环境工程领域主流杂志Journal of Hazardous Materials (2011,189: 414–419)上。 　　土壤种子库—重金属富集植物初步筛选实验中的植物种类(重金属添加到土壤中65天后)。最高的植物为少花龙葵。盆中数字分别表示如下：1-CK, 2-Cd4, 3-Cd8, 4-Zn100, 5-Pb300, 6-Pb600, 7-Cu100, 8-Cu300。

近日，中科院高能所李玉锋研究员团队，以硒超富集植物-堇叶碎米荠（Cardamine violifolia）单粒种子为研究对象，借助北京同步辐射装置X射线荧光微分析实验站硬件和软件功能升级契机，发展了基于同步辐射X射线荧光二维/三维成像技术（SRXRF）、X射线吸收谱技术、二维质谱成像技术（MALDI-MSI）及微区计算机断层扫描（micro-CT）等技术的空间金属组学（spatial metallomics）研究框架，实现了堇叶碎米荠单粒种子中有机硒和无机硒的原位二维/三维研究，首次发现堇叶碎米荠种皮中存在甲基硒代化合物，加深了对堇叶碎米荠富硒机制的理解，并以Spatial metallomics reveals preferable accumulation of methylated selenium in a single seed of the hyperaccumulator Cardamine violifolia为题发表于 Journal of Agricultural and Food Chemistry（影响因子/JCR分区：5.895/Q1）。该研究工作得到岛津中国创新中心的实验支持。图1 Journal of Agricultural and Food Chemistry原文背景介绍硒(Se)是动物和人类必需的元素。它是硒蛋白和硒酶的重要组成部分，硒缺乏会增加各种神经、内分泌和癌症风险，更严重的是，会导致器官衰竭和死亡。世界卫生组织(WHO)和美国农业部建议成人每日膳食硒摄入量为55 ~ 200 μg。然而，在一些地区，人们的日摄入量明显低于推荐剂量(仅26 μg/天)，因此，探索富硒膳食补充剂来改善人们日常硒的摄入是很有必要的。图2 堇叶碎米荠硒在植物生长周期内无法被消耗，一些百合科、十字花科和豆科植物可累积高达几千毫克/公斤的硒元素。原产于中国湖北省恩施市的堇叶碎米荠（Cardamine violifolia）已被证明是硒的超富集植物，已用作膳食补硒剂原料。&bull 单粒种子中硒的原位空间分布和形态分布堇叶碎米荠对于硒元素的耐受性和超积累的机制主要包括:(1)钙蛋白和富半胱氨酸激酶的表达下调和硒结合蛋白的表达上调 (2)体内解毒硒的泛素基因或蛋白的表达 (3) 堇叶碎米荠硒的特定代谢途径。研究发现堇叶碎米荠可以通过硫酸盐转运体和各种S/Se代谢酶来积累硒元素。而堇叶碎米荠中硒元素的主要存在形态为硒代半胱氨酸（SeCys），硒代蛋氨酸（SeMet），硒代羊毛硫氨酸，甲基硒代半胱氨酸（MeSeCys），甲基硒代蛋氨酸（MeSeMet），二甲基硒醚（DMSe）和二甲基二硒醚（DMDSe）等。图3 通过SRXRF和MALDI-MSI研究硒在单粒种子中的原位空间分布和形态研究结果表明，一方面SRXRF结果显示硒元素在整个种子中都有分布，子叶中硒含量相对高于外胚层/种皮；另一方面MALDI-MSI结果显示DMSe (m/z 107.970)、MeSeCys (m/z 184.019)和MeSeMet (m/z 212.983)主要存在于种子外胚层。硒植物毒性的一个突出原因被认为是硒氨基酸(如SeCys)错掺入蛋白质。已有研究表明，甲基化SeCys形成MeSeCys是Se超富集物的一个关键耐受机制之一， 这大大减少了非特异性取代蛋白质中的Cys的SeCys的数量。本研究中MeSeCys的发现证实了这也是堇叶碎米荠的Se耐受的重要机制之一。质谱成像MALDI-MSI方法本研究中的质谱成像部分使用岛津iMScope QT (Shimadzu, Kyoto, Japan)进行。MALDI-MSI在光学显微镜的帮助下确定所需的采集区域，用激光二极管激发的掺钕钇铝石榴石(Nd/YAG)激光(355 nm)照射种子组织切片。激光直径为40 μm，扫描步长为80 μm。对每个像素进行100次激光照射(1000 Hz重复频率)。所有数据均在正负模式下分别采集，采集范围分别为m/z 100 ~ 500和m/z 500 ~ 1000。利用IMAGEREVEAL MS分析软件对所采集的数据进行图像分析，最终得到显示多种形态硒的具体分布。图4 岛津新一代成像质谱显微镜——iMScope QT本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

iCMS 2016特邀报告之超痕量植物激素的LC-MS测定 　　　　报告时间：11月25日上午9:00-12:00　　报告摘要：　　植物激素大多含量低(下抵fmol/L)，如何测定极少量(mg)植物中的植物激素，正是目前分子植物学研究中的一个瓶颈，并对分析化学提出了严峻的挑战。本报告将介绍我们课题组近年来在此方面研究的一点进展，着重介绍如何利用化学反应原理来提高LC-MS测定的灵敏度，以降低样品的消耗量，进而建立能够定量分析亚毫克新鲜植物中赤霉素的思路与方法。　　报告人简介：　　陈义博士　　1981年毕业于厦门大学，1987年获中科院化学所理学硕士并转博，1990年获博士学位并留所工作至今。曾受德国洪堡基金会和马普协会资助，于1992-1994年和1996-1997年在德国马普发育生物所访问研究 且于2002-2004年在美国加州大学伯克利分校高访。从1984年开始毛细管电泳研究，1997年开始表面等离子体共振传感与成像研究，2006年开始质量测定新方法探索研究。对活细胞、活昆虫、活植物等分析问题感兴趣。已发表研究论文200余篇，出书2部，副主编1部，申请专利20余件。　　曾获国家杰出青年基金资助及“中国化学会青年化学奖”、香港求实科技基金会“杰出青年学者奖”、中科院“青年科学家奖”等。现为“Analytical Methods” Associate Editor 及《分析化学》、《色谱》、《分析仪器》杂志副主编，《中国科学B》、《化学进展》、J.Chromatogr. A、J.Chromatogr.B、Separation Science等15个杂志执行或顾问编委 兼任中国化学会分析化学学科委员会、色谱专业委员会、有机分析专业委员会副主任，北京色谱协会、全国色谱学会、中国仪器仪表学会分析仪器分会副理事长和IUPAC分析化学专业Associate Member等。