平面(mian)光(guang)極(ji)案(an)例(li)分享(xiang)：濕(shi)地(di)植物根(gen)際區(qu)磷循(xun)環的高分辨率(lv)成像研(yan)究(jiu)

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本次(ci)分(fen)享(xiang)壹篇由中國科學(xue)院(yuan)南京地(di)理(li)與(yu)湖泊(bo)研究(jiu)所、中國科學(xue)院(yuan)地(di)球化學(xue)研(yan)究(jiu)所團(tuan)隊在(zai)《Water Research》上(shang)發(fa)表(biao)的壹(yi)篇學(xue)術論文(wen)--Root-mediated acidification, phosphatase activity and the phosphorus-cycling microbial community enhance phosphorus mobilization in the rhizosphere of wetland plants。濕(shi)地(di)植物的根(gen)際修復是壹(yi)種環境友好(hao)型的沈(chen)積物磷（P）去(qu)除(chu)策略，依賴(lai)根(gen)系與(yu)微生(sheng)物之(zhi)間相(xiang)互作用。本研究(jiu)利用高分辨采樣和(he)成像、宏(hong)基(ji)因(yin)組測(ce)序等方法，研究(jiu)了濕地(di)植物根(gen)際中磷的固定(ding)和(he)動(dong)員(yuan)機(ji)制(zhi)。磷、鐵（Fe）和(he)錳（Mn）的二(er)維(wei)空間分(fen)布(bu)表(biao)明(ming)，鐵氧(yang)化(hua)物吸(xi)附而(er)非(fei)錳氧化(hua)導致(zhi)了根(gen)際活(huo)性磷的耗(hao)竭(jie)，鐵結合(he)態磷組分(fen)增加支(zhi)撐(cheng)了(le)這壹(yi)論點(dian)。植物根(gen)系通(tong)過改(gai)變根(gen)際環境和(he)磷循(xun)環微生(sheng)物群(qun)落，從(cong)沈(chen)積物中獲(huo)取低(di)有效(xiao)性磷。通(tong)過局部(bu)酸(suan)化(hua)和(he)增加的磷酸(suan)酶(mei)活性，分別(bie)增強了(le)礦(kuang)物磷的溶(rong)解(jie)和(he)有機(ji)磷的礦(kuang)化(hua)。根(gen)際中磷溶(rong)解(jie)和(he)礦(kuang)化(hua)基(ji)因(yin)（gcd和(he)phnW）相對豐度增加，以及(ji)磷轉(zhuan)運(yun)基(ji)因(yin)（ugpA、ugpB和(he)pit）基(ji)因(yin)減少(shao)，表(biao)明(ming)微生(sheng)物活化磷的潛(qian)能(neng)增加、同化(hua)磷的潛(qian)能(neng)降(jiang)。上(shang)述活化(hua)磷的過(guo)程(cheng)導致(zhi)培(pei)養期(qi)間濕(shi)地(di)植物根(gen)際中10.04%無機(ji)磷和(he)15.23%有機(ji)磷的再(zai)動(dong)員(yuan)。然而(er)，上(shang)述過程(cheng)並不能(neng)補(bu)償根(gen)系吸(xi)收(shou)和(he)礦(kuang)物固定(ding)導致(zhi)的根(gen)際磷耗(hao)竭(jie)。研(yan)究(jiu)結果(guo)為根(gen)際磷循(xun)環過(guo)程(cheng)與(yu)機(ji)制(zhi)提供(gong)了(le)新(xin)的見(jian)解(jie)，有助於(yu)指導未(wei)來(lai)的植物修復策略。

在本文中，平面(mian)光(guang)極(ji)（Planar Optodes, PO）技術被用於成像，以監測(ce)和(he)分析濕地(di)植物根(gen)際區(qu)（rhizosphere）中的氧(yang)氣(qi)（O₂）和(he)pH值的分(fen)布(bu)。以下(xia)是(shi)平面(mian)光(guang)極(ji)技術在(zai)本文中的應(ying)用細節：

1. 氧(yang)氣(qi)和(he)pH值的監(jian)測(ce)：通(tong)過將O₂和(he)pH敏(min)感的光(guang)極(ji)固定(ding)在(zai)可拆(chai)卸的窗口上(shang)，研究(jiu)人員能(neng)夠(gou)在根(gen)際區(qu)進行O₂和(he)pH的成像。這些(xie)光(guang)極(ji)能(neng)夠(gou)測(ce)量根(gen)際區(qu)中的O₂濃(nong)度(du)和(he)pH水平，這些(xie)參(can)數(shu)對於(yu)理(li)解(jie)植物根(gen)系與(yu)微生(sheng)物相互作用以及(ji)磷循(xun)環過(guo)程(cheng)至關(guan)重(zhong)要。

2. 成像系統：使(shi)用的成像系統包(bao)括(kuo)405納米(mi)的發(fa)光(guang)二(er)極(ji)管(guan)（LEDs）、互補(bu)金屬(shu)氧(yang)化物半導體(ti)（CMOS）相(xiang)機(ji)以及(ji)壹(yi)個控制(zhi)器，該控(kong)制(zhi)器能(neng)夠(gou)同時控制(zhi)LEDs和(he)相機(ji)。

3. 數(shu)據(ju)分(fen)析(xi)：通(tong)過提取O₂圖(tu)像的紅色(se)和(he)綠(lv)色通(tong)道(dao)以及(ji)pH圖(tu)像的綠(lv)色和(he)藍(lan)色通(tong)道(dao)，計(ji)算得(de)出(chu)O₂濃(nong)度(du)和(he)pH值。所有成像步(bu)驟都在(zai)暗(an)室中進行，整個成像過(guo)程(cheng)大約(yue)需要十(shi)秒(miao)，對根(gen)際區(qu)和(he)沈(chen)積物環境的暗(an)適應(ying)影響(xiang)幾(ji)乎(hu)可以忽略不計(ji)。

4. 高分辨率(lv)成像：通(tong)過高分辨率(lv)成像技(ji)術，研(yan)究(jiu)人員能(neng)夠(gou)將每(mei)個像素點(dian)的信號值（包(bao)括(kuo)熒光(guang)強度(du)、灰(hui)度(du)值(zhi)和(he)信號強度(du)）轉(zhuan)換(huan)為分析物濃度或通(tong)量信息(xi)。

5. 根(gen)際區(qu)磷循(xun)環：通(tong)過PO成像技(ji)術獲(huo)得(de)的O₂和(he)pH值的分(fen)布(bu)數(shu)據(ju)，結合(he)其(qi)他技術如(ru)擴(kuo)散梯度(du)薄膜(mo)（DGT）和(he)土(tu)壤(rang)酶(mei)譜法（zymography），研究(jiu)人員能(neng)夠(gou)更全(quan)面(mian)地(di)了解(jie)根(gen)際區(qu)中磷的固定(ding)和(he)動(dong)員(yuan)機(ji)制(zhi)。

6. 研究(jiu)假設：研(yan)究(jiu)假設濕(shi)地(di)植物會(hui)通(tong)過調節局部(bu)酸(suan)化(hua)、增加磷酸(suan)酶(mei)活性和(he)改(gai)善微生(sheng)物磷的溶(rong)解(jie)和(he)礦(kuang)化(hua)來(lai)響(xiang)應(ying)由根(gen)系吸(xi)收(shou)和(he)礦(kuang)物固定(ding)作用引起的磷缺(que)乏條件。

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摘要圖(tu)

平面(mian)光(guang)極(ji)技術的應(ying)用使(shi)研(yan)究(jiu)人員能(neng)夠(gou)在微尺(chi)度上(shang)可視(shi)化(hua)根(gen)際區(qu)的生(sheng)物地(di)球化學(xue)過(guo)程(cheng)，這對(dui)於(yu)揭示(shi)植物根(gen)系如(ru)何(he)影(ying)響其(qi)周(zhou)圍(wei)環境以及(ji)如(ru)何(he)通(tong)過微生(sheng)物相互作用來調節磷循(xun)環具(ju)有重要意(yi)義(yi)。

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平面(mian)光(guang)極(ji)技術是(shi)當今先(xian)進的光(guang)電傳(chuan)感(gan)技(ji)術之(zhi)壹(yi)，智感環境團(tuan)隊基(ji)於這種(zhong)技(ji)術，相(xiang)繼(ji)開(kai)發(fa)出(chu)了(le)壹(yi)種(zhong)封閉式平面(mian)光(guang)極(ji)設備(bei)(PO2100)和(he)壹種便(bian)攜(xie)式(shi)平面(mian)光(guang)極(ji)設備(bei)(PO1100)，可實(shi)現(xian)pH、DO和(he)CO₂的實(shi)時高分辨率(lv)檢測(ce)，這在(zai)光(guang)電傳(chuan)感(gan)技(ji)術領(ling)域(yu)是(shi)-項(xiang)重(zhong)大的突(tu)破(po)。2020年智(zhi)感環境的PO1100設備(bei)成功(gong)走(zou)進法國(guo)波(bo)爾多大學(xue)，為“中國制(zhi)造"贏(ying)得(de)了世(shi)界的尊(zun)重!