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实时水在植物中的运动

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摘要

研究水的下一个方法是测量植物内部实际流动的少量水。最好的方法是利用放射性同位素(RI)标记的水,并测量来自植物外部的辐射。然而,水的标签是相当困难的,因为只有有限的种类的RI追踪水。

当利用18为了追踪水分运动,另一个需要考虑的基本问题是耐旱植物和干旱敏感植物的特征。人们很自然地认为耐旱植物吸水性强;因此,通过分析耐受植物的吸水机理,并将这一功能引入敏感植物,有可能提高敏感植物的耐水性。

然而,当从非洲田间种植的2000株天然生长的耐旱和干旱敏感豇豆中选择豇豆进行水分吸收研究时,结果出乎意料。在正常情况下,耐旱品系的吸水量远远低于敏感品系的吸水量,似乎表明耐旱品系的吸水能力较低。当引入干旱条件时,耐旱品系开始比平时吸收更多的水分,而敏感品系则不能像以前那样吸收那么多的水分。这个结果给我们上了重要的一课。仅通过比较耐旱植物和敏感植物的吸水情况来分析其耐旱机理,很难揭示耐旱的原因。自然产生的植物的特征向我们展示了不同的机制,这些机制可能不符合我们在实验室开发的预期。

接下来,我们使用15o标记的水,其半衰期极短,只有2分钟。在这里,我们发现了另一个惊人的结果,那就是植物节间的“水循环”。大量的水总是从木质部细胞中漏出,而木质部细胞一直被认为只是一个将水从根部输送到地上部分的管道。在随后的另一项研究中,研究表明,从木质部流出的水将已经存在于茎中的水排出,然后再次回到木质部向上流动。节间的水流速保持恒定,通过模拟,在不到20分钟的时间内,茎秆中已经存在的水与新吸收的水交换。

关键字

实时测量水 水移动速度 植物 大豆 18F 18 15O 15O-water 水循环 木质部漏水 水动方向 豇豆 吃水宽容

2.1RI-labeled水

要分析植物从根系到地上部分的吸水情况,更详细地,基本问题是根系是如何吸收水分的,水是如何从根系向上输送的,以及水在运输过程中与木质部周围组织是如何相互作用的。为了研究这些问题,放射性同位素示踪剂的工作对于成像和微量水的测量都是必不可少的。

什么样的RI可以用来标记水?由于水分子由H和O两种元素组成,所以适用于标记水的放射性核素有限,3.H和15O.方法是向电站提供放射性水,并测量电站释放的RI的辐射。然而,有一个重要的条件需要进行无损测量的放射性水供应给一个活的工厂。也就是说,植物内部放射性核素释放出的辐射应该高到足以穿透植物组织,并且可以从植物外部被制备的计数器检测到。

就氢而言,唯一可用于示踪剂工作的候选放射性核素是氚,3.然而,h .β射线的能量3.H太低(最大值)。能量:18.6 keV)穿透植物组织并被检测。因此,β光线从3.H不能从植物组织外测量。因此,3.H不能用于活体植物中水的无损实时成像或分析。氚只能用于破坏性实验。分析3.H与植物结合后,组织必须从植物中取出并暴露在IP下以获取图像,组织应被化学物质消化,用液体离子计数器或其他探测器测量辐射量。

那么,最有希望标记水分子的候选放射性同位素是15O是正电子发射极;然而,当使用正电子发射器进行成像时,总是存在一个正电子逃逸的问题。正电子逃逸使得计算和比较图像中不同组织之间的水量成为不可能。这个问题将在下一节中更详细地描述。另一个问题是15O为半衰期极短,只有2.04 min,因此实验只能持续约20 min,必须根据半衰期校准数据。

还有一种可以追踪水的方法,18F.有代表性的生产方法之一18F是通过核反应16O (αpn)18F.因此,当水被an辐照时α(他)梁,微量18F在水中作为无载核素产生。无载流子的放射性同位素是随周围分子移动的。自半衰期18F的时间相对较长(110分钟)15O(2.04分钟),这种核素被用来测量水的运动。这两种核素,15O和18F,是正电子发射器,当标记水被供应到植物,这些放射性同位素在植物中的辐射可以从植物外检测到。辐射显示了标记水的位置,而辐射计数可以小心地转换为实际存在或在植物组织中移动的水量。

2.1.1正电子发射体

在介绍正电子发射器的应用之前,15O和18F,为了追踪水的运动,简要介绍了正电子发射体的特点。几种可以用于示踪工作的正电子发射核素是通过使用加速器产生的(表2.1).
表2.1

正电子发射核素的生产

核素

半衰期

e+——能源

生产

目标

Eth

11C

20.4(米)

0.961兆电子伏

14N (p,α11C

N2

3.1兆电子伏

10B (d, n)11C

B2O3.

3.0

13N

9.97(米)

1.20

16O (p,α13N

有限公司2H2O

5.5

12C (d, n)13N

有限公司2

0.3

13C (p, n)13N

13有限公司2

3.2

15O

2.04(米)

1.73

13N (p, N)15O

15N2

3.7

14N (d, N)115O

N2

18F

110(米)

0.634

18O (p, n)18F

H218啊,18O2

2.6

20.Ne (d,α18F

2

16O (αpn)18F

H2O

48V

15.9 (d)

0.697

Ti (p, xn)48V

“透明国际”

45Sc (α, n)48V

Sc

在医学领域,利用正电子发射体对人体进行无损成像被称为正电子发射断层扫描(PET)。各种正电子发射器供人类诊断病变或肿瘤。然而,由于存在一定的问题,这些正电子发射器在植物研究中没有得到很好的应用。

称为正电子发射体的放射性核素发射正电子(β+)在衰变过程中。发出的β+很快与电子结合(β)并产生两个相同的γ-同时以180度相反方向发射的射线,具有相同的能量,0.511 keV。这种现象叫做湮灭。在医学领域,正电子发射器被广泛使用主要有两个原因。一是有用的正电子发射器的半衰期相对较短,因此在使用后,放射性核素很快就会衰变,使对人体的辐射影响较低。另一个原因是相同的探测系统可以用于不同的正电子发射器,因为测量是基于两者的相同能量γ-湮灭产生的射线,0.511 keV。然而,这些测量系统不能应用于植物研究,因为正电子很容易从薄的植物组织中逃逸。详细信息将在下一节中描述。

2.1.2正电子逃逸现象

如上所述,当使用正电子发射器来可视化核素在一个完整的核电站中的分布时,会出现一个称为“正电子逃逸”的问题。由于放射性核素发射的正电子具有较高的能量,所以正电子在经过湮灭过程产生之前可以移动相当远的距离γ射线。这意味着样品中发射正电子的核素本身的位置可能与样品中的γ射线。检测系统以样品为中心,对样品进行检测γ-射线来自样品,而不考虑正电子逃逸现象。正电子探测器由一对γ-射线探测器同时计数的两个相同γ-射线发射方向相反;因此,检测器聚焦于设置在两个计数器之间的样品。在薄组织的情况下,样品中发射正电子的核素发射的大部分正电子可以从组织中逃逸并产生γ-射线在样品外面的空气中。我们无法测量γ因此,图像中正电子发射体的明显数量非常低。

因此,植物正电子发射极的实时成像总是存在一个问题,因为这种正电子逃逸现象依赖于植物组织的厚度。

当植物组织很薄时,像叶子一样,很大一部分正电子在湮灭发生之前就从组织中逃逸了,因此,图像中叶子处的核素的表观量非常小。因此,植物的正电子图像总是显示节间的清晰图像和叶片的模糊图像。因此,要在植物图像中对正电子发射体进行随时间变化的放射性计数,计数区域必须固定在图像中的同一位置,且不能与其他位置的计数进行比较。因此,节点间计数优于叶数。

样品中正电子发射极位置与γ-射线生产站点导致分辨率下降。正电子在水中的逃逸率如图所示。2.1.考虑到80%以上的植物组织是由水组成的,组织中发射正电子的核素与的位置之间的距离γ-射线湮灭过程后的探测地点有时在毫米量级。
图2.1

正电子逃跑率

PET中人体也会发生正电子逃逸现象,而且正电子发射极聚集的肿瘤与所在部位之间也有一定距离γ-射线产生并被探测到。因此,PET的分辨率不能低于毫米量级。但是,目前在图像处理技术的帮助下,可以对PET图像进行修改,使核素在组织中均匀分布。然而,用于人体PET的正电子成像系统不能应用于植物样本,主要原因是植物的形态特征。植物很大程度上是一组薄片的集合,与人体非常不同,人体只是一团东西。

2.1.3ri标记水的生产

两种放射性同位素标记水是分析植物内实时水运动的候选水:18水和15O-water。从半衰期开始18F和15O是短的,分别为110米和2.0米,核素必须在使用前准备好,并在放射性同位素衰变前完成实验,即可以检测放射性。制备方法18F和15O如图所示。2.2
图2.2

用于水示踪剂的RI的生产18F和15O

生产18将钛瓶中制备的6克冰放入铝容器中。然后,该容器被安装在日本原子能机构(JAEA)的AVF回旋加速器用He束(50 MeV)照射40分钟以生产18F在水中的核反应16O (αpn)18F.照射后,水通过阳离子交换树脂去除杂质,如48V,在钛瓶中产生。

获得15O, N2用12mev氘(d)束照射产生15通过核反应14N (d, N)15O,使用QST(日本国家量子与辐射科学与技术研究所)的加速器。通过辐照,15产生o标记的气体,然后将其引入蒸馏水,在120°C使用Pt催化剂催化交换反应16与阿15O生产15O-labeled水。

如上所述,氚,3.H是标记水作为示踪剂的另一种候选物质。然而,由于β-射线能量(18.6 keV)3.H太低,无法穿透植物组织,也无法从植物组织外测量,3.H没有被用于实时成像分析活植物中的水分。氚仅用于破坏性实验,通过成像板(IP)获取二维水分布图像或通过a进行放射性计数β-射线计数器后化学消化。

下面几节介绍我们通过使用18F而且15o标记的水可以实时追踪活植物中的水分运动。

2.218F-Water(半衰期110分钟):豇豆,什么是耐旱性?

2.2.1系统的18水成像

当水被氦束照射时,18F是由水分子的组成部分氧通过氧化产生的6O (αpn)18F反应,如上所述。考虑到半衰期18F(110分钟),示踪剂溶液调整到10 MBq/ml,作为示踪剂具有较高的放射性。

γ射线发出18用一对Bi测量了植物中的F4通用电气3.O12(BGO)闪烁探测器(图。2.3).每个探测器由一组小BGO探测器组成,探测面积为2 × 2 mm。植物的地上部分用胶带固定在一块尼龙网板上,垂直放置在两个探测器之间。两个探测器面对面,而且只能同时进行γ-射线计数记录的两个探测器γ-射线是由湮灭现象同时发射的。该正电子成像系统获得的图像空间分辨率约为2.4 mm,是使用小Bi阵列获得的最高分辨率4通用电气3.O12闪烁探测器。目标区为5 × 6 cm,用计算机实时监测目标区水的放射性。首先,我们选择了一株豇豆来追踪水分在植物内部的运动18F。
图2.3

示意图说明18水成像(118水被供应到工厂,和γ-由发射的正电子产生的射线18F由一对BGO阵列检测

2.2.2豇豆

豇豆(豇豆属unguliculataWalp)被用于研究水分吸收,因为它广泛生长在印度和非洲的半干旱地区,具有很强的抗旱性。这种植物被认为是脉冲作物中最抗旱的品种之一。据报道,在干旱条件下,豇豆叶片能够保持较高的水势,因此具有较高的光合活性。关于豇豆的抗旱机制,认为茎具有贮水功能;然而,可能由于技术上的困难,这种在茎中储存水分的组织还没有被识别出来。

2.2.3豇豆的中子成像

首先,拍摄豇豆植株的中子图像,以确定植株内部的水分分布。如第一章所述。1,中子图像显示的是特定于水的图像。获得的中子图像如图所示。2.4
图2.4

中子束照射下豇豆植株的水图像[2图中较白的部分对应着有更多水的地方。从图中的白色程度可以看出,豇豆在初生叶节间有一个富含水分的组织

如第一章所述。1,图中的白度对应的是水量。图中较白的部分对应的是水较多的区域。从图中白色的程度来看,豇豆在初级叶节间有一个富含水分的组织,这表明植物的这部分是潜在的贮水组织。

对大豆和普通豆的初生叶节间进行了中子成像,发现只有豇豆的初生叶节间中存在富含水分的组织(图1)。2.4).通过比较主节间和子叶节间的横截面,发现主叶节间的薄壁组织发育良好,可用于蓄水,但两个节间的细胞数量相近。

为了更具体地确定主叶节间和子叶节间的水分分布,对图像的白度进行了剂量扫描,发现只有豇豆主叶节间的任何一点的水分含量特别高。比较豇豆、普通豆和大豆的节间,没有观察到形态上的差异,但中子射线照片清楚地显示了水分含量的差异(图5)。2.5).
图2.5

水图像节间线轮廓[2].豇豆节间的线形(一个)、蚕豆(b)及大豆(c)植物。纵轴表示白度的大小,表示含水量。横轴表示跨节间的直径距离。C:中心;S:节间表面;实线:横过主叶和第一三叶之间节间的线;虚线:子叶和主叶之间的节间。对于豇豆来说,初级叶节间含有很高的水分

尽管在沙漠中生长的植物薄壁组织具有贮水功能(6,9),但这张豇豆植物图像是第一次直接观察到贮水组织。

2.2.418f -豇豆的水分吸收

在对豇豆的生理特性进行分析后,18从根部被切断的茎下部向植株提供f -水仅1分钟。植物目标的图片如图所示。2.6.然后,提供蒸馏水代替18水。由于目标区域为5 × 6 cm,因此图像吸水区域包括初级叶节间和第一三叶叶。每1分钟监测一次目标区积水图像中观测到的实时放射性2.7是豇豆植物的水图像的一个例子。下面的图是植物目标的照片,上面的图是一个例子18基于1分钟累积计数的F-water图像。每隔1分钟对目标植株的连续水分积累图像进行整合,直到60 min,结果表明,水分首先在主叶节间积累,然后逐渐向第一三叶叶移动(图5)。2.8).
图2.6

设置用于成像的植物样本的示例。用于成像的植物样品被设置在一个网格上,垂直地位于两个探测器之间

图2.7

豇豆是一个例子18f介导的水象[1].选取两株豇豆植株进行成像,包括主节间叶(S)和第一三叶叶(L)。一个)影像植物的照片。植物的成像区域用正方形表示。(b)的例子18目标的f -水图像。靶区大小为50 × 60 mm。的18将S和L处的F信号绘制为豇豆植株的吸收曲线

图2.8

连续的图像豇豆植物后18F被供应[1].每积累1分钟获取豇豆植株的连续图像,直到60分钟后18f -水从茎的下部提供。高18第一张图像中的F信号是由背景引起的γ-射线,因为只有在这个设置时间屏蔽是不完整的

为了更清楚地了解植物的水分吸收随时间的变化,我们从图中的一系列图像中提取了主叶节间和第一三叶两个部位的放射性计数。2.8绘制至30分钟(图5)。2.9).当18注入f -水后,开始吸水速度非常快,大约10 m后,放射性增加趋于平稳。这种趋势的18豇豆的f -水吸收率与普通豆类相似。两种植物主叶节间的水分上移量约为第一三叶水分上移量的2 ~ 3倍。这种差异在18节间和叶片之间的F计数是由正电子逃逸现象引起的。如前所述,当组织的厚度约为0.2毫米时,如在叶片中,约有一半的正电子从叶片组织中逃逸;因此,在厚组织(如节间)中,辐射计数约为其一半。2.1).然而,在同一地点进行放射之后,由于基于组织厚度的正电子逃逸率没有变化,因此可以比较该地点的计数随时间的变化。
图2.9

豇豆和普通豆科植物干燥处理前后的吸水曲线[1].豇豆植株(Cp)和普通豆科植物(Cb)在干燥处理前后的连续吸水曲线。豇豆茎叶的计数区如图所示。2.7分别为S和L。对于普通豆,选择与豇豆相同的位置

干燥处理1小时后18与豇豆相比,普通豆的f -水吸收率发生了显著变化。数字2.9显示了18两种植物在干燥前后的f -水分吸收行为。虽然处理前豇豆和普通豆的水分运输行为相似,但干燥后普通豆的吸水活性急剧下降,而豇豆则表现出较高的吸水活性。

当比较豇豆和普通豆缺水处理前后叶片光合作用(LPS)活性时,豇豆植株的LPS活性与普通豆植株相比保持在较高水平(数据未显示)。中子束对豇豆植株的水分成像显示,主叶节间的水分含量高于其他节间的水分含量。这幅图像表明,在豇豆植物中,当水分耗尽时,储存组织中的水分似乎在维持光合作用和水分吸收活性方面发挥了重要作用,从而保持对水分耗尽条件的耐受性。

2.2.5什么是耐旱?

最后,提出了耐旱豇豆吸水活性的一个意想不到的方面。在确定了豇豆与普通豆类的耐旱性之后,接下来的问题是,豇豆之间的耐旱性在程度或特征上是否存在差异。为了研究豇豆内部耐旱性的差异,对从非洲约2000株天然种植的豇豆中筛选出的抗旱和干旱敏感豇豆进行了实验。它们不是通过杂交、基因工程或其他方法人工创造出来的,而是通过进化获得了耐旱和干旱敏感的特性。

开始前18对f -供水和测量的性质公差进行了估计。人们自然认为,吸水能力是决定植物耐旱与否的关键因素。对干旱敏感的植物必须具有较低的吸水活性,这样在干旱条件下,它就失去了吸水能力。因此,人们也很自然地认为,要使抗旱植物耐旱,就必须增强其吸水能力。然后,该研究研究了耐受性植物的高吸水活性是如何被调节或维持的,并确定哪个基因负责或将有效地引入。当然,这种方法是一种被广泛接受的重要策略。

利用自然选择的耐旱、干旱敏感豇豆,选择固定节间部位,考虑正电子逃逸现象,测量该部位水分积累情况。当18将F-water供给给自然选择的植株,令我们惊讶的是,在正常条件下,敏感植株的吸水活性远远高于耐受植株(图5)。2.10).也就是说,对水敏感的植物总是比耐水的植物需要更多的水。然而,耐旱豇豆吸收的水分比干旱敏感豇豆少。然而,在干旱条件下处理后,干旱敏感植物在正常条件下不能吸收大量水分,如图所示。但耐寒植物的吸水活性明显提高,吸水量明显高于正常植株。
图2.10

耐旱与旱敏豇豆植株的吸水曲线耐旱和对干旱敏感的豇豆是从非洲大约2000株自然生长的豇豆中挑选出来的。耐旱豇豆通常比敏感豇豆吸收的水分少,这被认为是相反的现象。而在干旱处理下,吸收的水分大大增加。敏感样品比耐受样品吸收更多水分,但干燥处理后不能吸收水分。纵轴:相对量

这种吸水活性的变化是出乎意料的,特别是因为它与我们在实验室中对吸水机理的假设相矛盾。特别是耐旱植物,其在正常条件下保持比干旱敏感植物更低的吸水率并触发增强吸水活性的机制尚不清楚。然而,耐受性强的豇豆似乎总是消耗较少的能量,可能是为了为干旱的紧急情况做准备而为吸收水分而保留能量。

2.315o -水(半衰期仅2分钟):节点间的水循环

正如上面介绍的,18f -水的测量可以追踪水的运动。然而,一直存在一个问题,F离子和水分子是完全一样的。的数量181克水中产生的F原子(3.3 × 1022)被回旋加速器瞄准了3 × 107.因此,由于F的离子半径小离子,微量的18可以预期F会随着植物中大量的水分子移动。然而,为了消除这种不确定性,较好的放射性核素标记水15O,其半衰期极短,只有2分钟。下一步,15利用o标记水研究了大豆植株的水分运输。作为第一步,对水运动进行定量分析15采用o -水成像板(IP)获取随时间变化的连续静态图像。然后,对系统进行了实时测量15o -水运动的设计使定量分析成为可能。自15O是正电子发射极,就像18F,正电子逃逸现象一直被考虑在内。

2.3.115节点间O-Water图像

15氢氧水是由核反应产生的14N (d, N)15O,正如2-1-3中提到的。的15制备了放射性浓度为2 GBq/10 ml的o水,供应给工厂。然后,15采用IP进行o -水成像。工厂被固定在一块板子上,IP被放置在尽可能靠近板子的地方。自半衰期15O极短,只有2分钟15O-water曝光时间设置为1分钟以获取图像。换一个新的IP,再曝光1分钟,获得后续图像。通过比较从IPs获得的两张图像,它能够显示的变化15o型水剖面,表示水的运动。作为一个例子,15大豆植株的o -水图像(大豆简历。Tsurunoko)。数字2.11a是获取活体植物的RI图像的示意图。
图2.11

使用IP来映像15大豆植株吸收的o水[3.].一株大豆植株被固定在木板上,然后15o -水从根部供应。一个IP放在板上1分钟,得到一个15o -水的植物图像。(一个)一个IP被放置在植物地上部分的下部附近。为了获得连续的图像,分别在10分钟和20分钟后更换新的IP15o水从根部供给。(b)植物在不同湿度和光照条件下的节间图像。r.h.合著:相对湿度;(c)吸收量15不同光强下节间o水含量

15从根部提供o水,获得节间下部的水图像,节间由于正电子逃逸率较低,是定量分析的较好组织。IP放置在板上10分钟到11分钟,20分钟到21分钟后15O-water供应开始。的画面15节间o水如图所示。2.11b.自的半衰期152 min时O极短,节间图像很快消失。如图所示,图像穿过节间的暗度可以转换为15O-water吸收。随着湿度和用来照射植物的光强度的变化,植物吸收的水量发生了巨大的变化。在湿度为50%、光照强度最高的条件下,分别设置10-11 min和20-21 min的节间相对吸水量为1时,植株的吸水量明显依赖于光照强度(图5)。2.11摄氏度).

2.3.2水的运动与Cd离子的运动不同

另一个例子15用IP成像显示,离子的吸收与水本身的吸收是不同的。在不同pH条件下,大豆植株对Cd离子的吸收量不同。然而,并没有关于吸收的水量是否与Cd离子不同的信息。当吸收的水量大于Cd离子的水量时,表明植物在吸收或运输过程中正在稀释Cd浓度。

为了研究这种植物的活性,109用Cd (0.325 kBq/ml)溶液在不同pH条件下给8天的大豆幼苗2 h。然后,分布109用IP对植物中的Cd进行了成像。的积累109在较低pH值(4.5)的培养条件下,大豆植株地上部分Cd含量明显高于较高pH值(6.5)的培养条件,接近中性。相反,当15水是供应的15O分布被成像的一个IP,数量15低pH值(4.5)条件下吸收的o水比高pH值(6.5)条件下吸收的o水要少(图5)。2.12而且2.13).因为它的半衰期极短15O,只在很短的时间(5分钟)后就得到了新吸收的水的剖面15O-water提供。Cd与水在植株地上部分的相反剖面表明,在水中溶解的重元素Cd不随植株内的水流一起移动。在低pH条件下109地上部分Cd含量较高,而地上部分Cd含量较低15转移到地上部分的o -水小于pH 6.5时的o -水,说明酸性条件下地上部分Cd浓度更高,这可能增加了Cd对植物的毒性。另一种解释是在酸性条件下,水向地上部分的运动受到抑制,Cd向上的运动增加。虽然IP图像可以进行定量分析,但它是一个静态图像;因此,图像所提供的信息是有限的。
图2.12

109不同pH条件下大豆植株Cd吸收图像[4].109Cd分发4天后109在不同的pH条件下,Cd由根系提供

图2.13

15不同pH条件下大豆植株的o -水吸收图像。15o水分配5分钟后15不同pH条件下的o水供应。虽然半衰期15O极短,表明植株地上部分水分在pH 6.5和pH 4.5之间的差异。这张水剖面图与这张图相反109图中Cd分布。2.12

2.3.3实时水在植物中的运动

18利用Bi阵列的F成像方法4通用电气3.O12(BGO)探测器难以应用15o形水成像分析实时运动15O由于正电子逃逸现象,在图像分析中提出了一个严重的问题。用这种成像方法,不可能计算出有多少水实际上从一个组织位置移动到图像中的其他组织位置,因为组织之间的厚度不同。因此,为了追踪放射性随时间的变化,分析点必须固定在图像中的一个位置。考虑到正电子发射体的特点,必须重新设计测量系统来测量15水在植物内实时流动。当成像目标固定在植物的一个小部位时(如图所示)。2.10),就有可能追踪放射性随时间的变化。自15O具有极短的半衰期和迅速衰减,计算效率γ-射线探测器要求尽可能高,这意味着需要一个更大的晶体闪烁体比用于18F. BOG探测器的探测面积从2 × 2 mm增加到10 × 10 mm,为了保持位置信息,选取了节间的一小部分,长度为1 cm。大型探测器被设置在目标的两侧,以减少正电子从样品逃逸对探测器的影响。有了这个系统,体积15节间1cm处o水可无创定量测定。后15o水被供应到工厂,放射性物质从15用一对BGO探测器测量目标1cm节间的O值,并计算该组织中积累的水分量。

数字2.14显示测量时的样品和辐射计数的示意图。当15O衰变时,核素变成15N,同时,一个正电子e+就会发出。正电子很快与电子e发生反应,转化为两个相同的电子γ-射线发射180度,这被称为湮灭。这对BGO探测器被用来计算这些γ-射线的湮灭,并且探测器被设置得尽可能靠近茎(图。2.15).
图2.14

示意图说明15节点间的O计数15向大豆提供o水。一双γ-射线探测器调整到测量位置,即子叶上方2cm。当两个相同时进行计数γ-射线,是由发射的正电子湮灭而产生的15O,被两个BGO探测器同时计数。样本植株高度约为25厘米。应用后15O-water,15计算节间1cm处累积的o水量。的半衰期15O等于122 s

图2.15

测量系统示意图15O-water。使用了一根长电缆(约4米)将伽马射线探测器与重合电路连接起来。小瓶和探测器被铅块屏蔽。除重合电路外,图示部分均设置在生长腔内。PMT:光电倍增管

2.3.4的设计15O-Water测量系统

测量系统15植物节间o水蓄积设计如图所示。2.15.数字2.16展示了BGO探测器(晶体尺寸10 × 10 × 20 mm,光电传感器模块:Hamamatsu Photonics, Co., Japan)的示意图和放置在植物节间附近的探测器图片。BGO晶体与固定在铝框中的光电倍增器耦合。
图2.16

BGO探测器。(用一对BGO探测器拍摄的植物目标照片。该探测器由BGO晶体、PMT和前置放大器组成。BGO晶体被耦合到固定在铝框中的光电倍增器上。尺寸以毫米为单位。

一对BGO探针在植株子叶上方2cm处的节间面对面安装。进入检测窗口的信号由一个线性放大器(704-4B Oken, Co., Japan)放大,然后由一个时序S.C.A. (706-2B: Oken, Co.)根据γ-湮灭的射线能量,511 keV。然后,通过一个重合电路(Fast and Slow巧合708-1B, Oken, Ratemeter S-2293B, Oken, Co.)将信号转换为计数,并记录在一台计算机(OptiPlex GX1: Dell。有限公司川崎)。巧合时间和数据导出间隔分别设置为110 ns和1 s。通过重合电路和铅块屏蔽,将背景噪声记录到<0.01 cps。

因为放射性15的放射性计数,O每120秒减少一半15O-water能够持续约1000 s。每30次累积一次计数,根据观察计数的最小二乘拟合曲线估计检出限为0.11 kBq(图1)。2.17).的计数效率γ通过比较BGO探针的计数和BGO探针的计数,计算出-射线探测器的计数为0.120%γ用计数器对H2 15O(200兆贝可/毫升−1).表格2.2总结了BGO探测器测量系统的性能。探测器的这一性能也通过制备由硅管组成的杆的幻影得到了证实15o -水凝胶接近表面,模拟有木质部细胞的大豆茎。2.18).
图2.17

测量系统的检测限。的放射性物质15o水计数1000秒,计数每30秒累积一次。虚线:背景层;实线:背景电平+ 2σ;断曲线:观测计数的最小二乘拟合指数曲线

表2.2

BGO探测器测量系统的性能

线性(cps)

-100 - 0.3 cps

计算效率(%)

0.12 (n= 10) %

背景(cps)

0.68±0.095 CPS

检出限(Bq)

0.11 kBq

效率= (151 cm茎的O活性(Bq)/cps (s−1)×100%

校准管效率为0.14%

图2.18

准备好的茎的幻影。校准的γ-射线计数到水量,除了通过切割节间进行实际的伽马射线计数外,还制备了节间的幻影,并确认了校准

数字2.19显示了15大豆茎的o水计数15O-water提供。如图所示。2.19A,由于半衰期短,节间计数先增加后迅速减少15o .因此,15o -吸水曲线始终采用半衰期衰减校正,图中曲线为o -吸水曲线。2.19a转换为图中的a。2.19b。
图2.19

校准的15O数衰变。(一个)系统测量的原始计数数据。数据每10秒获取一次;(b15o -吸水曲线与半衰期衰减和计数效率校准。每30秒计算一次数据

测量系统设置在植物加速器中,整个实验过程保持在27℃、50%湿度的条件下,所有实验均在光相进行。

2.3.515O-Water吸收曲线

所制备的植物样品是发芽20天后的大豆植株,具有第二次展开的三叶叶。株高约25厘米。去掉子叶,切除子叶以下8厘米的根,将茎的底部放入小瓶中。然后,15向容器中提供o型水(2 GBq/10 ml)。容器和探测器被铅块屏蔽,以减少背景计数。后15o水被供应到工厂,数量151 cm节间o水先呈线性增加,然后坡度逐渐减小。自半衰期15O仅为2分钟,测量可进行到大约1000秒。的校准15吸收曲线上的o水量如图所示。2.20.令人惊讶的是15节间1cm处的o水在1分钟内就超过了木质部体积(1.9 μL)。
图2.20

15大豆茎1cm处o -水吸收曲线[5].15给一株大豆植株提供o水,测量茎1 cm处,即子叶上方2 cm处的水分。自半衰期15O极短(2分钟),吸收测量可进行到大约1000 s。在几分钟内,量151000 s后,茎中的o水超过了1-cm茎的导管容积(2 μL),增加到约45-55 mL,接近目标1-cm茎的整个体积。结果表明,木质部有大量水分从木质部渗漏。每个符号代表个别植物样本的数据(N= 5)

木质部血管容量由显微镜下木质部的横截面积计算{1.9±0.3 × 10−72(总截面面积)× 1 × 10−2M(节间测量部分长度)}。从吸收曲线斜率的线性部分来看,吸收量的增加15每1cm节间o水计算为5.2±0.5 × 10−2μL / s。

在测量过程中15o -水持续增加,约15min后,o -水的体积达到40 μL,是导管容量的20多倍,接近靶茎(长度1 cm, 45 ~ 55 μL)的整体体积。

15o -吸水曲线显示了一个非常有趣的结果:木质部导管一直在大量漏水,而木质部导管一直被认为是向周围组织输送水分的管道。还有人认为,水不是纵向流出来的,而是横向流出来的。然而,连续的横向水运动必须与纵向运输,这是由植物蒸腾产生的。

2.3.6木质部渗漏的水流路径

通过测量新吸收的水分在节间的运动和积累,我们发现木质部导管中总是有大量的水分漏出。2.21).下一个问题是水从木质部渗漏出来后的路径。木质部渗漏有四种可能的途径。
  1. 1.

    从阀杆表面流出。

  2. 2.

    流入韧皮部血管。

  3. 3.

    除了木质部导管,在其他组织中向上移动。

  4. 4.

    回到木质部导管。

  1. 1.

    从阀杆表面流出。

    当水向节间表面移动并在那里蒸发时,它可以为水在节间内移动提供动力。为了确定从木质部导管中漏出的水分是否从节间表面流失,在节间表面涂上凡士林,并进行15测定o -吸水曲线。用凡士林覆盖节间前后,吸水曲线没有变化(图1)。2.22).结果表明,从木质部导管漏出的大量水分并没有从节间表面流失,这意味着大部分渗漏的水分没有向节间表面移动。

  2. 2.

    流入韧皮部血管。

    由于有报道木质部和韧皮部的血管之间存在相互作用,因此将形成层的外层去除,测量吸水曲线。数字2.23说明去除韧皮部导管后,吸水曲线没有变化,说明从木质部导管漏出的水没有向韧皮部导管移动。

  3. 3.

    通过木质部导管以外的其他组织向上移动。

    茎节间解剖清楚,木质部导管内部空无一物,其余组织均充满组织细胞。因此,可以很容易地估计,水在木质部导管内向上流动,而不是通过其他组织,因为阻力显著降低了水的移动速度。

    如果渗漏的水不是通过木质部导管向上流动,那么水的流动速度一定与木质部的流动速度不同。为了确定木质部内的水流速,测量了节间木质部的体积。由于木质部导管内部是空的,当木质部导管的整体体积不随高度变化时,可以断定木质部导管内的水流速没有变化。在子叶上方2 cm和6 cm的茎节间切片,显微镜下测量木质部导管面积,不同高度木质部导管面积基本相同,分别为1.91±0.32和1.86±0.31 (×10 .)−72),分别。这一结果表明,无论节间的高度如何,相同体积的水在木质部导管内不断向上转移,表明在整个节间木质部导管内向上移动的速度是相同的。下一个问题是关于木质部周围含水组织的体积。从吸收曲线可以看出,从木质部流出的水分量与其他组织的水分量之比约为1:20,说明渗漏的水分量远大于木质部残留的水分量。在显微镜下测量木质部导管和其他组织的面积,发现木质部导管面积与其他组织的面积之比约为1:20,可以换算成体积。这意味着除了木质部外,体积比木质部大20倍的组织中含有大约20倍多的水。

    由于木质部和其他组织中水分和组织体积的比值大致相同,因此当渗漏的水在其他组织中流动时,水在各个组织中向上移动的速度一定是相同的。然而,如上所述,由于木质部和其他组织的结构不同,它不可能是相同的。

    还有一个原因可以忽略这个模型,那就是图2.25所示的节间内的水流速,其中木质部细胞内的水流速保持不变(见下一节)。总之,这种可能性被排除作为泄漏水行为的解释,尽管否定它的证据是间接的。

  4. 4.

    回到木质部导管

    在四种可能的水从木质部导管渗漏后的运动路径中,1 - 3种被拒绝,如上所述。因此,4号留下来解释这一现象。也就是说,大部分从木质部导管漏出的水必须重新进入木质部导管。根据这种情况,梯度的减小15o -吸水曲线随节点间测量位置的高度的变化可以解释为在15木质部导管中O的浓度而不是水分流失的减少。

图2.21

水从木质部导管排出后的四种可能的运动路径示意图:①水向上流经木质部导管以外的组织;②水流向茎面蒸发;③水流入韧皮管并向下输送;④水重新进入木质部导管

图2.22

凡士林处理对水横向运动的影响[5].表面覆盖凡士林可抑制茎表面水分蒸发。纵轴表示目标茎中所占的体积15O-water。15o水在t= 0。填充的圆和开放的正方形量化的体积15分别在凡士林涂抹前和涂抹后使用o水

图2.23

去除形成层时的吸水曲线[5].分别在测量位置上方3.0-3.5 cm和下方1.5-2.0 cm处去除形成层外部组织,敲除韧皮部流动。纵轴表示在1厘米的茎中所占的体积15O-water。15o水在t= 0。填充的圆圈和叉表示的体积15o水分别去除形成层外组织前后

2.3.7节点间水流

在前一节中,我们发现新吸收的水在茎内循环,从木质部漏出,通过将茎中已经存在的水与新吸收的水交换,重新回到木质部。为了确定木质部中新吸收的水分与周围组织的交换行为,15o水以脉冲方式供给5分钟,然后向大豆植株供给无放射性水。如图所示。2.2415o水在约300s内呈线性增加后缓慢下降,说明木质部的水分与节间已有的水分顺利交换。这15o水的运动暗示155 min内已在节间水平扩散的o水被新吸收的无放射性水水平推向木质部16o水,作为回流,然后向上流动。结果,在最初的增加之后,15O活性在节间固定测量部位逐渐消失。
图2.24

交换15o水用稳定水和16O-water。测量15O在子叶上方2厘米处。后15o水供应5分钟,稳定水(16O-water)提供。水换完后15O-water来16O-water,15节间o水量持续增加约200s后逐渐减少,表明木质部血管的水交换是顺利进行的

另一个问题是关于节点间的垂直水流。为了测量节间不同高度处的水分运动速度,制备了3对BGO探测器来测量吸水曲线。数字2.25显示了15在子叶上方35mm、50mm和65mm的节间(a、b、c)处测得的o -吸水曲线15O-water、d、e、f可计算出节点间的水传递速度。如图所示,水从a到b和从b到c移动15毫米所需的时间保持不变,说明水在节间的移动速度保持不变(4毫米/秒)。
图2.25

的流量15节间o水[5].的数量15分别在子叶上方35、50、65 mm处(a、b、c)测量o -水分吸收曲线。曲线的交点在x-轴表示去噪后的时间15首先检测o水,用d、e、f表示。从d和e的时间差以及e和f的时间差可以看出,水在节间的流速是恒定的,计算约为4 mm/s

假设木质部的导管仅仅是表面有许多气孔的管道,水通过这些气孔进行运输。当水从管道中逸出而不返回时,水的运输量应该随着管道高度的增加而减少。如图所示。2.25的流速15通过木质部导管的o水几乎保持不变。这一结果也支持了从木质部导管中流出的水分再次回流到木质部。

最后,介绍了另一个实验,简单地测量了植物的呼吸量。水分蒸发速率为0.91±0.13 μL/s,包括叶片和节间。如上所述,15o -吸水实验表明,水从木质部导管中漏出的速度为0.052 μL/s/cm。2.20).由于整个节间长度约为16.5 cm,整个节间漏水量约为0.86 μL/s,与称重试验测定的呼吸损失水量相近,表明木质部导管漏水量与呼吸损失水量相对应。

2.3.8木质部回水过程的验证3.H-Water

剩下的另一个问题是关于水在节间内的水平运动。为了验证水从木质部组织渗漏和返回的过程,3.氢水被用来代替15O-water。自β发射的射线能量3.H很低,18.6 keV,这种辐射无法从工厂外检测到时3.h -水被供应到工厂。因此,准备了一些植物,和3.h -水以脉冲方式供给植株5 s。然后,周期性地,在节间的同一位置上15o -水的测量被切断,和3.通过IP获取h -水分布图像。

数字2.26显示的图像3.0、10、20、60、120 s后节间h -水分布3.h -供水,在显微镜下附有相应的解剖图像。高积累的3.早在施药5秒(时间0秒),木质部导管中就观察到h -水。2.26).20年代后,3.h -水分布在节间横断面。这表明一种快速的向内运动3.h -水,独立于蒸腾作用。然后,3.h -水的量减少,强度降低3.H-water像大幅下降,说明渗漏的水分再次回到木质部并向上移动。水的扩散是水运动的另一个候选者。当扩散系数为2.4 × 10时−9(m2/s),的扩散距离3.h -水10分钟后可小于2毫米。因此,建议大部分3.h -水必须通过木质部纵向运输,然后在测量点水平扩散。
图2.26

3.h -水分吸收表现在茎段[5].确认水平漏水使用15O-water,3.h -水同样供应了5秒(t= 0)β光从3.H太低,无法从植物外部检测到,无法进行无损成像。茎被收割,每次切片后3.h -水供给,IP获取切片的x线片。(一个)3.h -水分布在子叶上方2cm的节间段3.h -供水(0秒至120秒)(b)与上面图像相对应的显微图像。3.木质部漏出的h -水在20s后扩散到整个切片区域,并逐渐返回到木质部组织

结果表明,渗漏的水分在短时间内水平扩散,将节间内已经存在的水分冲掉,然后在节间内再次向上流入木质部导管。

2.3.9节间水循环概述

使用这两种15O-labeled和3.h标记水,节间水分运动表明木质部导管与周围组织之间存在着强烈的、持续的沿向上途径的横向水分交换。因此,15o水的吸收量因稀释而减少15木质部组织中的o水,非放射性水被冲洗出来,在木质部导管中15O-water吸收过程。模拟结果表明,在约20分钟内,茎杆中已有的约一半水被新吸收的水所取代(数据未显示)。

水分运动在大豆植株中的结果可以总结如下。
  1. 1.

    大量的水总是水平地从木质部组织中渗出。

  2. 2.

    从木质部组织中流出的水冲走了节间中已经存在的水,重新进入木质部组织并向上移动,显示出茎中的水循环。

  3. 3.

    向上移动的水的速度保持恒定。

  4. 4.

    在模拟中,在20分钟内,估计节间已有一半的水与新吸收的水交换。

2.4总结与进一步讨论

放射性同位素标记的水提供了活植物的吸水运动。作为一个代表性的研究,18在豇豆植物f -水的吸收和15研究了大豆植物对o -水的吸收。

以豇豆为例,发现了一个特殊的节间,缺水处理下的水分运动表明,该组织作为贮水组织,具有耐热性。然而,非洲自然生产的耐旱和干旱敏感豇豆的吸水行为显示了以前无法估计的吸水活性。田间自然生产的耐旱豇豆的吸水活性低于干旱敏感豇豆,而耐旱豇豆的吸水活性在干旱条件下大幅提高,而敏感豇豆的吸水活性则相反。植物抗旱策略表明,提高植物的吸水活性不是实现抗旱的途径;相反,在有限的需水量下种植是必要的。然而,为什么耐水植物的吸水活性在低水条件下突然增强还不清楚。

虽然18F是一种无载流子离子,用a辐照水产生4他,是否18F是否与水具有相同的行为还不确定。因此,15O被生产出来,并被用来追踪大豆植株中的水分运动。自半衰期15O极短,2分钟,实验前进行15O在大约20分钟内衰变。

使用15o -水,我们发现大量的水不断地从木质部泄漏出来在木质部容器中已经存在的水被冲刷掉之后又回到木质部。这种水在节间的循环是首次被观察到的。节间已有的水分更新时间较快。模拟结果显示,花了大约20分钟的时间,将节间已经存在的水的一半替换为新吸收的水。由于节间充满了细胞,而每个细胞内部都有细胞膜和细胞器,所以我们完全不知道水是如何轻易地进入这些不同的微细胞器并冲走已经存在的水的。唯一已知的水运动通道是水通道。在节间是否存在不同种类的水通道网络?

木质部导管容易被认为仅仅是把水从根输送到上层组织的管道。然而,血管本身的微观结构因地而异。数字2.27显示大豆植株节间的两个横截面,仅相隔2毫米。在2毫米的距离内,一些血管消失了,一些新的血管出现了。这意味着木质部导管的结构在整个节间形成了一个复杂的网络,导管的形态形状和大小或连接部位随高度的变化而发生微观变化。然而,有趣的是,在节间,不仅是血管的面积,而且筛管、髓和木质部的面积在间隔4cm时也保持在相同的范围内(图4)。2.28).这意味着在整个节点间保持相同体积的结构,这意味着节点间的功能和活动保持不变,例如传输相同体积的水。
图2.27

显微镜下大豆茎的横切面。为了确定木质部组织的位置和大小,图中显示了不同高度的切片。A和B的位置相距2mm。每个木质部组织的位置和大小不同。数字1和2和3颜色相同代表相同的木质部组织

图2.28

茎在不同高度的切面上的组织面积。茎采自大豆植株子叶上方2和6厘米处。在显微镜下测量导管、筛管、髓和木质部的面积。如图所示。2.27虽然木质部组织的形状和位置不同,但在不同高度的面积基本相同,这支持了等量的水分不断向上转移

木质部导管的次生细胞壁由含有木质素的厚壁组成,随着植物的生长而变厚。显微镜下观察到,厚的木质素次生壁像风箱一样包裹在导管管表面,为导管管在节间的水分或养分运输提供机械支撑。数字2.29显示了一个大豆植株的血管例子。在厚壁的情况下,随着厂房的发展,波纹管间距变窄,表明该间距可以控制渗漏量。事实上,在衰老时,几乎没有任何空间的波纹管观察到周围的血管(数据未显示)。
图2.29

显微镜下木质部结构

由于边界坑场的灵活运动可以调节水的运动,因此对容器内的水流提出了一个问题:水是直线向上移动,还是容器内有旋转运动。为了了解节点间水的向上流动,计算了容器内的雷诺数。如果容器的直径为20 μm,流速为1 mm/s,流速为10,那么这个数值只有0.002 ~ 0.003−62/s为运动粘度,说明血管内的水沿血管壁流动并没有产生旋流。

另一个问题是是否有同位素交换15O-water和自然16容器里有水。为了测试这种可能性,10毫升15o -水通过装有1.5 g纤维素的色谱柱,每300 μL收集从色谱柱中流出的水15测定o -水浓度。当同位素交换发生时15必须降低收集馏分中的o水浓度。的15o水仅在第一馏分中下降14%,而在第二馏分中几乎没有下降15后续馏分的o水浓度。因此,在我们的实验中没有考虑节间的同位素交换。

船舶漏水的动力和随后的水横向移动仍然是一个主要问题。容器内压力较低,约0.8 M Pa。尽管压力很低,水还是水平地从容器里流出来。髓可能是水平路径的候选者之一。如3.20s后h -水图像(图。2.25),水根据扩散水平向髓部移动。另一个问题是渗漏和蒸腾损失的关系,即水平和垂直水流的关系。

最后,这里发现的水运动给我们提供了许多关于植物如何调节植物内部水流动的问题,特别是什么原因导致水从木质部组织渗漏并返回到木质部,这似乎是一种重要的和基本的植物活动。

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  1. 1.农业与生命科学研究生院“,东京大学Bunkyo-ku日本

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