植物可植入式多酶生物传感器实现气孔蔗糖吸收的实时监测

针对植物生理研究中缺乏实时原位蔗糖监测工具的难题，研究人员开发了一种基于葡萄糖氧化酶(GOD)/转化酶(INV)/变旋酶(MUT)多酶系统的针型生物传感器，集成胆红素氧化酶(BOD)生物阴极，实现100 μM检测限、6.22 μA mM-1 cm-2 灵敏度的持续72小时监测，首次证实日本柳杉幼苗可通过气孔吸收蔗糖溶液，为植物糖转运机制研究提供突破性工具。

　　

植物作为地球生态系统的基石，其糖类转运机制一直是农业科学的核心课题。传统观点认为，蔗糖作为光合作用的主要产物，仅通过韧皮部进行长距离运输，而气孔仅是水蒸气交换的通道。然而近年研究发现，蓝光诱导的气孔开放可能成为液态水及溶质的新吸收途径，这一假说亟需实时监测工具验证。现有技术如有机电化学晶体管(OECT)传感器仅能定性检测，而微针阵列葡萄糖传感器难以适应木质化组织。日本科学技术振兴机构(JST)的Miyake Takeo团队在《Biosensors and Bioelectronics》发表的研究，通过创新性设计多酶生物传感器，为这一领域带来突破。

研究采用生物燃料电池(BFC)原理，将碳纤维电极修饰PVI-Os电子媒介体，阳极集成GOD/INV/MUT三酶级联系统，阴极采用BOD催化氧还原，两电极通过琼脂糖凝胶实现离子传导。草莓番石榴(Psidium cattleianum)和日本柳杉(Cryptomeria japonica)幼苗被选为模式植物。关键技术包括：1) 多酶电极的层层自组装工艺；2) 基于稳定同位素标记水的强制转运实验；3) 昼夜节律下的持续电化学监测。

【Description of the sensing concept】
通过优化三酶比例(INV:GOD:MUT=10:1:1)，传感器将蔗糖水解为葡萄糖后经MUT催化α/β异构体转换，最终由GOD产生与浓度成正比的氧化电流。BOD阴极维持稳定氧还原反应，使系统在0.1-60 mM宽范围内呈现线性响应。

【Materials】
采用直径7 μm的碳纤维基底，TUBALL单壁碳纳米管(SWCNT)增强导电性，PVI-Os作为电子穿梭体将酶活性中心电子传递至电极。

【Conclusions】
研究发现：1) 传感器在72小时后仍保持86%初始信号，显著优于现有技术；2) 草莓番石榴夜间蔗糖转运活性更高，符合光合产物再分配规律；3) 首次直接证实日本柳杉幼苗可通过光调控气孔同时吸收水和蔗糖溶液，颠覆传统水分生理模型。

该研究的意义在于：1) 开发出首款可定量、长时程监测植物体内蔗糖动态的工具；2) 为气孔参与溶质吸收的新理论提供直接证据；3) 6.22 μA mM^-1
cm^-2
的高灵敏度使其可检测微环境变化。未来在精准农业中，该技术可用于优化作物灌溉策略和抗逆品种选育，为应对气候变化下的粮食安全挑战提供新思路。