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PLANT SOIL :一种新的原位成像方法揭示了磷缺乏诱导的根际稀土元素活化在美洲商陆中的分布

发表时间:2024-05-23 14:20

文章信息

**作者:刘冲

通讯作者:刘文深

通讯单位:中山大学

期刊:Plant and Soil

DOI:10.1007/s11104-023-06146-9


摘要

目的 本研究旨在探索磷(P)缺乏诱导的根际稀土元素(REEs)的活化过程,这一过程有助于超积累植物美洲商陆(Phytolacca americana)中REEs的积累,但缺乏原位可视化根-土界面的方法限制了我们对底层过程的理解。

方法 使用薄膜扩散梯度(DGT)装置探测美洲商陆根际的根分泌物、REEs和P。采用解吸电喷雾电离质谱(DESI-MS)和激光剥蚀感应耦合质谱(LA-ICP-MS)原位成像DGT上的根分泌物、REEs和P。

结果 这里展示的新方法能够同步且定量地表征根际中根分泌物和活性元素的分布。在磷缺乏条件下,根际中柠檬酸和草酸的分泌通量是磷充足条件下的三倍;同样,在磷缺乏条件下,根际中镧(La)的通量是磷充足条件下的十倍。磷和La在根际中的富集以及在磷充足条件下的耗竭表明,磷缺乏诱导的有机酸分泌对于土壤REEs的活化和随后在美洲商陆中的积累至关重要。

结论 结合DGT装置和质谱成像技术在原位同步成像根际根分泌物、REEs和活性元素方面是技术上可行的。我们的研究为根际中矿物质元素的活化过程提供了新的见解,这是磷获取机制的一个副作用。

展示了在根际的美洲商陆(P. americana)有机酸根分泌物的DESI-MS成像的工作流程。a. 带有可拆卸侧面的根箱中种植的美洲商陆。b. PVDF膜安装在根-土界面并发育24小时;c. PVDF印模膜被安装在样品台上进行DESI分析。d. 从DESI-MS获得的原始数据被导入HDImaging v1.4软件进行进一步处理。


展示了在美洲商陆根际成像根分泌物有机酸和活性元素的工作流程。左侧:在根-土界面上安装聚偏氟乙烯(PVDF)膜、结合凝胶和扩散凝胶,并饱和24小时;右侧:PVDF印模膜和薄膜扩散梯度(DGT)的结合凝胶分别进行了解吸电喷雾电离质谱(DESI-MS)和激光剥蚀感应耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)分析。


展示了美洲商陆根际土壤溶液的pH值(a)、稀土元素(b)、磷(c)和总有机碳(TOC)浓度(d)的动态变化。−P,缺磷;+P,磷充足条件。缺磷和磷充足条件之间的显著差异通过星号表示(*, p < 0.05, 学生t检验,n = 3)。


本研究开发了一种新的方法,用于原位取样和定量成像根际中各种参数,实现了根分泌物和营养及微量元素在亚毫米空间分辨率下的同步表征。这种方法结合了DGT、LA-ICP-MS和PVDF-DESI-MS,克服了现有方法在操作复杂性、单一目标分析物、基质干扰、非原位和非定量方面的限制。此项新方法中,我们展示了在磷缺乏条件下,有机酸的分泌增强了根际中磷和稀土元素的富集,这是土壤稀土元素活化和随后在美洲商陆中稀土元素超积累的关键根际过程。最后,本研究提出了一种直接的方法来获取根际热点区域中活性元素和根分泌物的空间分布。这种方法适用于实验室(根箱)以及现场(根窗)。在根-土界面的可视化是更好地理解植物诱导的根际效应提高营养效率的强大工具。这里提出的方法确实有一些局限性,包括由于部分扩散效应,美洲商陆根际中有机酸的空间保真度有限。应进一步研究土壤参数和分析条件的优化,并将DESI、DGT与平面光极和酶谱法结合起来。


Liu, C., Ding, TX., van der Ent, A. et al. A novel method for in situ imaging of root exudates and labile elements reveals phosphorus deficiency-induced mobilization of rare earth elements in the rhizosphere of Phytolacca americana. Plant Soil 495, 13–26 (2024). https://doi.org/10.1007/s11104-023-06146-9


文章链接:

https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-023-06146-9

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文章分类: 技术进展
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