导语

 

浙江大学管冬兴、张超团队在环境科学领域权威期刊 Environmental Science & Technology 发表最新研究，系统阐明了外源硒通过调控水稻根内生长素（Auxin）信号通路，促进组成型通气组织（Aerenchyma）发育，增强根系径向氧损失（ROL），进而在根表及根际构建铁锰氧化物化学屏障，实现镉、砷、铅、铬、镍、钴等多种有毒元素同步阻控的完整级联机制。本研究采用平面光极（Planar Optode, PO）–薄膜扩散梯度（DGT）–飞秒激光剥蚀（fs-LA）–电感耦合等离子体飞行时间质谱（ICP-TOF-MS）联用平台，在约100 μm空间尺度下实现了根际溶解氧分布与多种元素（Fe、Mn、Cd、As、Pb、Cr、Ni、Co）通量的同步二维表征，为激素调控、根系解剖结构与根际地球化学过程之间的跨尺度关联提供了关键证据，同时展现了高分辨原位成像技术在解析根际空间异质性方面的重要优势。

 

 

01研究背景

全球约14%–17%的农业耕地受有毒元素污染。水稻（Oryza sativa L.）因其厌氧栽培特性，极易富集Cd、As、Pb、Cr、Ni、Co等污染物。传统修复面临显著的地球化学权衡：阳离子型金属（Cd²⁺, Pb²⁺等）在氧化条件下活性降低，而阴离子型污染物（AsO₄³⁻, CrO₄²⁻等）在氧化条件下迁移性增强，二者行为拮抗，难以同步削减。

 

水稻根表铁膜（Iron Plaque）及根际Fe/Mn氧化物沉淀可通过吸附与共沉淀固定多类污染物，其形成依赖于ROL诱导的根际微氧化环境。然而，硒（Se）如何调控通气组织发育的上游激素信号，进而驱动ROL增强与铁屏障强化，迄今缺乏从分子生理到根际原位过程的完整实验证据。

 

图1. 硒的广谱降毒与铁膜强化效应

（a-f）盆栽实验籽粒六种有毒元素浓度统计；（g）代表性根系铁膜照片；（h）铁膜元素含量环形图

 

02研究亮点——PO–DGT–fs-LA–ICP-TOF-MS联用平台

 

本研究的方法学核心在于构建了高分辨PO–DGT–fs-LA–ICP-TOF-MS联用平台，实现根际微区氧化还原状态与元素迁移通量的同步、原位、微区尺度可视化：

 

平面光极（PO）：基于荧光淬灭原理原位解析根际溶解氧二维分布；

薄膜扩散梯度（DGT）：非侵入式富集根际可溶性元素通量，保留原位化学梯度；​​​​​​​

飞秒激光剥蚀（fs-LA）：超短脉冲飞秒激光对DGT凝胶进行面扫描，实现多元素空间分布成像；

​​​​​​​ICP-TOF-MS：同步采集¹³C（内标）、⁵⁷Fe、⁵⁵Mn、¹¹¹Cd、²⁰⁸Pb、⁵²Cr、⁶⁰Ni、⁵⁹Co、⁷⁵As等同位素信号，完成多元素通量的二维定量重构。

图2. 高分辨率原位成像揭示了硒诱导水稻根际氧化和有毒元素的固化

（a）PO–DGT–fs-LA–ICP-TOF-MS联用平台工作流程；（b-d）对照、叶面施硒、土壤施硒三组根际O₂与Fe、Mn、Cd、As、Pb、Cr、Ni、Co元素DGT通量空间分布图

 

相较于传统 bulk分析方法难以解析根际过程的固有局限，该联用平台可在厘米级样品尺寸下快速成像，实现了根际O₂分布与多元素通量的二维同步映射，直接展示了硒处理后根际O₂扩散区由27.2%扩展至88.3%，以及Cd、Ni、Co等元素高通量"热点"区域的显著减弱，为硒诱导根际氧化屏障强化提供了直观的空间证据。

 

技术方法：

 

 

本研究元素成像环节依托GenesisBIO fsLA-ICP-MS（上海凯来仪器有限公司）全自研生产制造的GenesisBIO点阵飞秒激光剥蚀系统与质谱联用，实现DGT凝胶中多同位素信号的高通量同步采集与二维重构。GenesisBIO与 PO、DGT 及 ICP-TOF-MS 构成的联用体系，为复杂环境样品中多元素时空异质性的可视化研究提供了可靠的技术支撑，也展现出国产飞秒激光元素成像平台在环境与农业科学研究中的应用潜力。

 

03研究成果

1. 籽粒多元素同步阻控

 

土壤施硒（1 mg Se/kg土，Na₂SeO₃）使籽粒Cd、As、Pb分别降低53.7%、34.1%、40.7%，Cr、Ni、Co分别降低20.6%、42.0%、38.6%；叶面施硒（40 mg/L，三次喷施）亦表现出同步削减趋势。对照组籽粒Cd、As、Pb均超过GB 2762-2022限值，施硒后均降至标准以下。

 

2. 根际铁锰屏障强化

 

根表铁膜Fe含量增加5.64倍，Mn增加2.70倍，符合Fe–Mn共沉淀特征。铁膜中As截留量增幅达526%，Cd、Pb、Cr、Ni、Co截留量提升154%–217%。DGT通量显示根际可溶性Fe、Mn通量分别下降54%–89%和41.6%–74.1%，六种有毒元素可扩散通量降幅达18.3%–93.0%。

 

图3. 硒对根系发育与抗氧化系统的促进作用

（a）对照、叶面施硒、土壤施硒三组根系扫描形态；（b-e）总根长、平均直径、表面积、根尖数统计；（f）抗氧化酶活性与MDA雷达图

 

3. 生长素介导的组成型通气组织发育

靶向代谢组学与qRT-PCR揭示了上游激素开关：

根中游离IAA含量提升2.74倍；

​​​​​​​生长素合成基因 OsYUCCA1、OsTAA1 分别上调2.62倍、2.85倍，信号基因 OsARF19 上调3.43倍；

下游通气组织发育基因 OsLBD1-8 上调4.08倍。

根皮层通气组织占皮层面积比例由33.7%增至65.3%。TUNEL检测显示细胞程序性死亡率维持低水平（1.79%–2.08%），乙烯合成前体ACC降低24.6%，合成基因 OsACS1、OsACO5 下调45.3%–73.1%，明确排除了乙烯诱导型PCD通路的主导作用，证实硒通过组成型生长素信号通路促进通气组织发育。

 

图4. 通气组织扩张与激素谱变化

(a) 根横切面明场与自发荧光图像；（b）通气组织占比统计；（c）TUNEL染色图像；（d）激素代谢物热图

 

4. ROL增强与根际氧化

 

通气组织扩张直接增强了O₂从地上部向根尖的纵向扩散，ROL增强使根际平均O₂浓度由8.80%提升至15.1%，O₂扩散区面积由27.2%扩展至88.3%。还原态硫S(-II)通量降低44.7%，佐证根际Eh升高。Fe²⁺/Mn²⁺氧化为（氢）氧化物后，在根表至根际土壤形成连续Fe/Mn富集带，通过吸附与共沉淀固定多类污染物，降低向根系的浓度梯度驱动力。

 

图5. 生长素通路的激活与乙烯通路的抑制

乙烯合成基因（OsACS1、OsACO5）、ROS信号基因（OsRBOHH）、生长素合成与信号基因（OsYUCCA1、OsTAA1、OsARF19、OsIAA13、OsLBD1-8）及细胞分裂素合成基因（OsIPT4）的相对表达量

 

04

 

结语

图6. 硒诱导有毒元素阻控的完整机制示意图

展示"硒→生长素合成→通气组织→ROL→根际氧化→Fe/Mn氧化物沉淀→有毒元素固定"的级联通路

 

本研究系统构建了“硒–生长素–通气组织–ROL–铁锰屏障”的机制框架，将植物激素调控与根际地球化学屏障形成过程联系起来，为多元素复合污染稻田的安全生产提供了新的生理调控思路

 

在方法学层面，该研究进一步体现了高分辨原位成像技术在解析根际生物地球化学异质性方面的重要价值。PO–DGT–fs-LA–ICP-TOF-MS联用平台通过多技术耦合，在空间尺度同步解析氧化还原状态与元素通量，克服了传统bulk提取的固有局限。

 

GenesisBIO 点阵飞秒激光剥蚀系统在本研究中的应用表明，国产高分辨元素成像平台已能够满足复杂环境样品原位分析与多元素同步成像的研究需求。依托飞秒激光剥蚀与高通量质谱联用技术，其在环境科学、农业生态、生物地球化学等领域具有广阔的应用前景，为微区尺度元素迁移过程研究提供了新的技术选择。

 

文章信息：Zhang, C.; Guan, D.-X.; Gao, J.-L.; Li, G.; Liu, F.; Luo, J.; Ma, L. Q. Auxin-Mediated Aerenchyma Formation Drives Selenium-Induced Rhizosphere Iron Barrier Strengthening to Restrict Toxic Element Uptake by Rice. Environ. Sci. Technol. 2026, DOI: 10.1021/acs.est.5c18413.