Trong khoa học cây trồng, cation biến đổi gen của cây trồng để cải thiện sự hấp thu của các nguyên tố vi lượng như Cu, Fe và Zn là một trọng tâm nghiên cứu chính, bởi vì nó có ý nghĩa trực tiếp để tăng hàm lượng vi chất dinh dưỡng và năng suất cây trồng. Công việc này rất quan trọng để giải quyết các vấn đề ở các khu vực trên thế giới có dinh dưỡng đất kém. Để xác định các cơ chế vận chuyển và đường dẫn đến nhu cầu về sự hấp thụ các nguyên tố vi lượng, cần thiết phải định vị các kim loại như vậy ở cấp độ tế bào và ở các giai đoạn tăng trưởng khác nhau của cây. Hệ thống huỳnh quang tia X cấp độ vi mô (micro) AttoMap (microXRF) cung cấp độ nhạy ở mức độ femtogram và phân giải dưới tế bào đã giải đáp được các yêu cầu trên.
GIỚI THIỆU
Hiểu sự phân bố không gian của thành phần vô cơ trong mẫu vật thực vật là cực kỳ quan trọng trong nông nghiệp và môi trường bao gồm:
- Kỹ thuật kiểm định thực vật, trong đó cây cần được loại bỏ các chất độc hại trên các vùng đất bị ô nhiễm;
- Phytomining, trong đó, cây có thể hấp thụ và siêu tích lũy các khoáng sản quý mang lại lợi ích kinh tế và thân thiện với môi trường; và • Nghiên cứu nông nghiệp, trong đó cây hấp thụ kim loại là được điều chỉnh để cải thiện tăng trưởng cây trồng, giảm sự hấp thụ các yếu tố độc hại, và tăng giá trị vi chất của cây trồng.
Hiểu được tầm quan trọng của kim loại vi lượng trong thực vật vậy nhưng phân tích được thực sự là thách thức lớn. Nó thường yêu cầu sử dụng hệ thống gia tốc Synchrotron. Nhiều triệu đô la đã được đầu tư cho các cơ sở gia tốc hạt để tạo chùm tia X có độ phân giải cao và độ nhạy phân tích cần thiết.
Tuy nhiên, chùm tia synchrotron được sử dụng vượt mức, và nhìn chung vận hàng cũng rất nhiều yếu tố là không phù hợp khi sử dụng các cơ sở này như: kinh phí, điều kiện đi lại, cơ sở hạ tầng….Các cơ sở gia tôc hạt cũng chỉ có một vài nước phát triển trên thế giới có.
Hình 1 - Ảnh bản đồ phổ bởi AttoMap Micro-XRF về tích lũy nguyên tố của cây giống hyperaccumulating; gồm K (đỏ), Ni (xanh dương) và Cl (xanh lục). Phóng to rễ cho thấy sự hấp thu vi lượng của Mn (màu xanh lá cây). Nghiên cứu của tiến sĩ van der Ent và Tiến sĩ Peter Erskine, Đại học Queensland, Úc
Sigray AttoMap ra đời là một phòng thí nghiệm synchrotron thu nhỏ, một microXRF mới được phát triển cho nghiên cứu nông nghiệp đã được sử dụng trong nghiên cứu sự hấp thu và phân vùng của sắt (Fe). Đây là một trong những ứng dụng sử dụng thử thách lớn nhất đối với microXRF do hàm lượng Fe cực kỳ thấp (10-12 picogram - quy mô), đòi hỏi độ nhạy thiết bị đạ đến phần triệu (ppm) để đo. Sắt rất quan trọng đối với sự phát triển của thực vật và đóng vai trò chính trong các phản ứng hô hấp và quang hợp;
khoảng 30% diện tích đất trồng trọt trên thế giới được coi là ít hàm lượng sắt đối với sự phát triển của cây. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng protein vận chuyển, OPT3 (Oligopetide Transporter 3), là trung gian tải Fe vào phát triển lá điều đó cho thấy rằng OPT3 điều chỉnh nhu cầu Fe từ chồi đến rễ.
PHƯƠNG PHÁP
Nghiên cứu này đã phân tích lá biến đổi gen arabidopsis (OPT3-3), với sự cho phép của Giáo sư Olena Vatamaniuk (Phó giáo sư khoa học đất và cây trồng, Đại học Cornell), và một mẫu đối chứng (loại tự nhiên) để xác định vai trò tiềm năng của protein OPT3. Lá từ cây được lấy mẫu ở nhiều giai đoạn tăng trưởng: một lá được lấy cùng một cây trong 16 ngày tăng trưởng và một lá khác vào 19 ngày phát triển. Tất cả các yếu tố được phân tích đồng thời trên Attomap microXRF, để mô tả sự phân bố của các khoáng chất quan trọng liên quan đến tăng trưởng thực vật là Ca, Zn, Mg, Fe và K.
Đối với lá 16 ngày, một diện tích 3,5 mm x 3,8 mm được ghi nhận dạng quét mapping ở kích thước điểm 10 μm và kích thước bước 10 μm. Các nguồn tia X được cài đặt cấu hình sử dụng sợi đốt vonfram (W), tại thế phát 35 kV. Lưu ý rằng mặc dù đích vonfram (W) được chọn vì sự tương thích trên phạm vi rộng của các nguyên tố song đích đồng (Cu) là tối ưu cho Fe (6,4 keV). Các nghiên cứu tiếp theo thấy thậm chí tốt hơn độ nhạy của Fe có thể đạt được duy nhất trong AttoMap bằng cách sử dụng nguồn tia X đa mục tiêu được cấp bằng sáng chế.
Với lá 19 ngày là 4,0 mm x 8,3 mm với kích thước điểm 10 μm và kích thước bước 15 μm. Cài đặt nguồn tia X được giữ giống như lá 16 ngày.
KẾT QUẢ
Kết quả cho thấy sự bất thường ở mức picogram trong phân bố Fe với thực vật opt3-3. Hàm lượng Fe trong cả lá 16 ngày và 19 ngày được tìm thấy chủ yếu ở các gân nhỏ của lá, nằm gần các lỗ khí hydathodes và về phía ngoại vi phiến lá, với sự tích lũy Fe tăng lên trong các gân nhỏ trung tâm lá già. Bởi vì sự tăng lên của Fe đã được tìm thấy ở những vị trí mà OPT3 hiển thị ưu tiên cho thấy rằng OPT3 có thể rất quan trọng để nạp Fe trở lại vào phloem, các mạch mao dẫn đường và chất dinh dưỡng từ lá trở xuống thân cây để hỗ trợ cây phát triển. Trong so sánh với các lá tự nhiên cho thấy sự phân bố Fe thấp hơn đáng kể trong lá, với tích lũy nhỏ chỉ nhìn thấy ở một cạnh ngoài cùng.
Các nghiên cứu của Giáo sư Olena Vatamaniuk về các yếu tố khác liên quan đến việc vận chuyển nước và các chất hòa tan từ lá, chẳng hạn như kali và canxi, không cho thấy sự khác biệt đáng kể giữa lá tự nhiên và opt3-3.
Điều đó chỉ ra rằng việc vận chuyển tổng các chất dinh dưỡng khác dường như không bị ảnh hưởng bởi OPT3. Điều đó càng khẳng định thêm ảnh hưởng OPT3 lên đường vận chuyển Fe.
Nghiên cứu này chứng minh rằng với những phát triển mới trong công nghệ microXRF trong phòng thí nghiệm, các nguyên tố vết liên quan đến thực vật (hàm lượng cỡ phần triệu) ngày nay có thể phân ticghs được với công nghệ synchrotron. Trong nghiên cứu này, AttoMap cung cấp các phép đo tỷ lệ picogram ở độ phân giải dưới tế (<10 μm). Thật thú vị, hệ thống AttoMap phòng thí nghiệm dường như có độ nhạy cao hơn đối với các nguyên tố như Ca (3,7 keV) và K (3,3 keV) so với kết quả synchrotron thu được trước đó. Điều này có thể là do chùm đa sắc của AttoMap, cung cấp các mặt cắt được cải thiện hơn so với chùm synchrotron đơn sắc 11 keV được sử dụng, và các nghiên cứu trước đây đã gợi ý rằng chùm tia “ánh sáng trắng” được ưa thích hơn nhiều hơn so với cấu hình synchrotron chuẩn cho các mẫu môi trường [3]. Cation định lượng của mức tăng tín hiệu cho các nguyên tố số nguyên tử thấp hơn đạt được bằng cách sử dụng AttoMap đã được sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo. AttoMap cung cấp không chỉ hình ảnh phân phối của các yếu tố, mà còn có thể được sử dụng để định lượng tương đối từng nguyên tố. Các khả năng thú vị trong tương lai cho hệ thống này bao gồm các nghiên cứu in-vivo, trong đó các yếu tố trong việc sinh trưởng và sự sống của cây hoặc rễ có thể được theo dõi. Điều này được thực hiện bởi khoảng cách làm việc lớn (khoảng cách hội tụ từ nguồn đến mẫu) ví dụ như với các mẫu rễ trong đất / hoặc lá với bề mặt không phẳng.