核磁共振技术在植物研究中的应用进展

核磁共振现象最早于20世纪40年代美国斯坦福大学的F.Bloch教授和哈佛大学的EM.Purcell教授等人用不同的方法观察到[1]。核磁共振的基本原理是将物体置于特殊的磁场中，用无线电脉冲激发物体内某一原子核(如13C、1H、17O、14N、31P)，使原子核发生能级分裂，当物质吸收到外来电磁辐射时，一些具有磁性的原子核在外磁场的作用下吸收一定波长的无线电波而发生共振吸收，从低能态跃迁至高能态，产生核磁共振现象，其吸收峰频率对吸收峰强度作图即为核磁共振波谱图[2]。 自核磁共振现象发现以来，核磁共振已成为测定物质结构的强有力工具，不但能够实现被检测植物样品内部结构和代谢产物的可视化，还可以分析被测活体植物体内的重要生理过程，因此这一技术被广泛应用于植物生理和发育、生物多样性、基因功能以及代谢作用等的众多研究领域[3]。但近年来，关于核磁共振技术相关的综述性报道多限于土壤和水体，对在植物研究中的报道尚不多见。鉴于此，本文将从核磁共振磷谱、氢谱、碳谱3个方面分别论述其在植物研究中的应用，旨在为相关学者了解核磁共振技术在植物科学中的应用提供科学素材。 1核磁共振磷谱(31P-NMR) 核磁共振磷谱是磷原子的化学位移和与它相邻的氢原子裂分时偶合常数值随着化学环境的变化而不同，且在31P-NMR图谱中只对磷原子有信号响应，产生的信号强度与31P的数量成正相关，因此可对样品定性定量分析，能准确迅速地检测含磷化合物。31P-NMR不受其他元素干扰，分辨率高，可以广泛应用于测定植物、土壤等复杂样品中存在的多种形态的磷[4]。 1.131P-NMR在植物体内磷分级研究中的应用 31P-NMR前处理较简单，能够检测出样品中所有含磷化合物，并且根据振动频率不同分析各磷化合物形态。通过31P-NMR分析，正磷酸盐、磷酸单酯、磷酸二酯(磷酯和DNA)、焦磷酸盐和多磷酸盐等已被成功检测[5]。大量研究表明，植物中的磷主要以正磷酸盐和磷酸单酯2种形态存在，例如球茎草与三叶草中正磷酸盐占40%～60%[6]，小麦根系残体降解过程中释放的正磷酸盐占90%[7]。植物体内正磷酸盐的大量存在是因为其吸收的磷多以正磷酸盐的形式存在于植物液泡中。冯伟莹等[8]在31P-NMR图谱中发现湖泊水生植物和藻类中的有机磷(Po)主要以磷酸单酯为主，其平均含量分别占92%和83%。Ebuele等[9]通过31P-NMR研究罂粟、茴香、芥菜和芝麻籽种子特征，发现茴香种子正磷盐浓度最高，为41.7%，其次是芥菜和芝麻籽，分别为9.3%和6.9%，在茴香和罂粟种子中检测到少量的焦磷酸盐，正磷酸二酯唯一存在于芝麻籽中，而磷酸盐和多磷酸盐均没有检测到。管宏友等[10]以油菜、蚕豆为研究对象，利用31P-NMR深入了解植物残体中磷的分级情况，发现NaOH-EDTA萃取浓缩液中绝大部分是正磷酸盐和磷酸单酯，分别占全磷比例的67%、28%；并且植物正磷酸盐和磷酸单酯含量与全磷含量成正比。因此，31P-NMR技术能较好地研究植株体内的磷分级情况并且是反映植株体内供磷潜力的一种有力工具。 1.231P-NMR在植物细胞pH值研究中的应用 植物细胞内pH是体现细胞代谢变化的一个重要参数，与植物中一些酶的活性紧密联系[11]。在细胞内磷库施加强磁场后，其胞内pH值与31P-NMR图谱中的某些磷酸化合物共振峰的化学位移存在一定关系。31P-NMR测定pH可避免各种破坏所导致的细胞内部生理和代谢变化以及由此产生的测定结果的不准确性。Espen等[12]采用31P-NMR研究玉米根中NO3-的吸收对细胞pH的影响，发现随着NO3-浓度的增加，玉米根系中细胞pH降低，但在NO3-释放过程中，根系细胞pH值的变化可由调控其细胞质膜H+-ATPase活性来实现。Stefanovic等[13]使用31P-NMR技术发现悬浮铃木和拟南芥悬浮培养细胞在碳源存在的条件下，胞质和液泡中的pH值分别为7.40和5.20。刘于[14]通过31P-NMR研究磷饥饿胁迫条件下水稻根系细胞内的pH变化，发现水稻根系组织中液泡总磷酸盐峰最高；在长时间缺磷到恢复供磷过程内，水稻根系组织细胞液泡及细胞质内pH值的变化为先明显下降后又恢复至原来的水平。以上研究利用31P-NMR技术测定植物细胞内pH，不需要培养大量愈伤组织来获得植物细胞，这为日后研究植物细胞内pH值的差异及不同胁迫条件下的pH变化提供便捷有效的途径。 1.331P-NMR在木素结构研究中的应用 木素(Lignin)是植物纤维的三大组分之一，其含量仅次于纤维素，约占植物纤维的三分之一。木素对植物生长具有重要作用，能够与植物纤维中的碳水化合物生成木素-碳水化合物复合体。31P-NMR不仅弥补传统木素研究方法对木素结构有破坏性且费时多等缺点，而且可以清晰地分辨

文章来源：《植物研究》 网址: http://www.zwyjzz.cn/qikandaodu/2020/0907/338.html