一组研究人员发现了植物如何保护自己免受盐胁迫的突破性发现，这可能会导致增强粮食安全的新方法。
根据联合国的说法，由于人类活动和气候变化，特别是海平面上升，土壤盐碱化影响了全球20%到40%的可耕作土地。虽然人类需要钠来生存，但大多数植物并不需要这种元素。植物根部周围的过量盐分逐渐抑制其水分吸收，导致生长受阻、植物中毒，最终导致其死亡。每年，土壤盐碱化摧毁大约1000万公顷的农田，威胁全球粮食安全。
来自洛桑联邦理工学院（EPFL）、洛桑大学（UNIL）和西班牙合作伙伴的研究人员研究了在2000年发现的“盐过敏敏感1”（SOS1）基因，该基因为植物细胞提供了抵抗盐的保护。该团队利用一种先进工具，称为冷冻纳米二次离子质谱（CryoNanoSIMS），捕捉了前所未有的图像。这种独特的低温显微技术使他们能够找出特定营养素在细胞或组织样本中的存储或利用位置。他们的研究结果表明，在显著的盐胁迫下，SOS1离子转运蛋白并不会排出钠，而是促进钠在细胞内的液泡中存储。通过揭示这一机制并发现为何某些植物物种对钠的耐受性更强，科学家们相信可以开发创新策略来增强粮食安全。他们的研究已发表在《自然》杂志上。
首次视觉证据
“我们的研究提供了植物如何保护自己免受过量钠影响的细胞层面上的首次视觉证据，”EPFL生物地球化学实验室（LGB）的博士后研究员兼该研究的主要作者Priya Ramakrishna表示。“过去的理论基于间接观察。现在，我们可以确切地看到在不同盐胁迫水平下钠的分布情况——这是之前不可能以这种分辨率实现的。”EPFL和UNIL的合作团队利用新开发的CryoNanoSIMS进行了详细观察，该工具能够以100纳米的分辨率创建生物材料的化学图像，重点观察在液氮中迅速冷冻以保持结构的植物根样本。
这种创新方法使他们能够绘制个别植物细胞的图像，并确定像钾、镁、钙和钠等基本元素在植物根尖（“根顶分生组织”）中的存储位置，这些部位含有促进根部发育的干细胞。CryoNanoSIMS成像揭示了在两种不同盐胁迫条件下根部的状态。
战略转变
在轻度盐胁迫下，细胞能够防止钠进入。然而，团队注意到在高盐胁迫期间发生了战略转变：SOS1转运蛋白并没有像以前认为的那样排出钠，而是有助于将钠封存到液泡中以存储多余物质。“这种防御策略需要大量能量，阻碍植物的生长和效率，如果盐胁迫持续，最终可能导致植物死亡，”Ramakrishna解释道。研究人员通过用缺少SOS1转运蛋白基因的突变样本重复实验，证实了他们的发现，这些突变样本显示出将钠转移到液泡中的能力不足，导致对盐高度敏感。他们还测试了稻米的根样本，稻米是世界上种植面积最广的作物，结果发现相似的结果：在高盐胁迫下，钠被引导到液泡中。
将位置与功能联系起来
对Ramakrishna而言，通过CryoNanoSIMS进行化学成像的能力是一项重要进展。该工具还可以用于研究植物如何抵御其它威胁，如重金属污染和病原体。“通过跨学科的合作，将生物学与工程结合，我们可以将位置与功能联系起来，揭示以前从未观察到的机制和过程，”EPFL建筑、土木与环境工程学院（ENAC）和UNIL地球科学与环境学院的教授Anders Meibom表示，他在CryoNanoSIMS的发展中发挥了重要作用。
研究的共同作者、UNIL生物与医学学院研究主任Niko Geldner分享了他对这一合作的兴奋：“植物在提取土壤中的矿物营养方面依赖性很强，但我们之前缺乏足够精确的手段来观察它们的运输和积累。CryoNanoSIMS技术现在使这成为可能，并有潜力彻底改变我们对植物营养的理解，超越盐问题。”论文的另一位共同作者、Dubochet 成像中心主任Christel Genoud补充道：“这项技术为成像生物组织开辟了全新的可能性，并使我们的机构在该领域成为领导者。”
