纳米二次离子质谱结合同位素标记技术揭示植物铁螯合剂烟胺在组织中的空间分布特征

为解决植物铁(Fe)稳态调控机制中烟胺(NA)空间分布不清的问题，研究人员利用纳米二次离子质谱(NanoSIMS)和15N标记技术，首次在番茄野生型和突变体chloronerva中可视化NA的分布模式，发现NA富集于木质部周围组织并与Fe共定位，为解析NA介导的金属转运和稳态调控提供直接证据。

　　

铁是植物生长发育必需的微量元素，但它在生理pH条件下溶解度极低，且易发生氧化还原反应产生活性氧。植物进化出复杂的调控网络来维持铁稳态，其中烟胺(Nicotianamine, NA)作为关键的铁螯合剂，参与铁的长距离运输和细胞内分配。然而，NA在植物组织中的精确分布模式一直缺乏直接证据，这限制了对NA功能机制的深入理解。

日本学术振兴会(JSPS)资助的研究团队在《Journal of Biological Chemistry》发表重要成果，通过创新性地结合纳米二次离子质谱(NanoSIMS)和稳定同位素标记技术，首次实现NA在植物体内的原位可视化。研究人员选择番茄野生型(WT)和NA合成缺陷突变体chloronerva(chln)作为模型，利用酵母异源表达系统生产¹⁵N标记的NA，通过水培实验和显微成像技术，揭示了NA在木质部周围组织的特异性分布特征及其与铁共定位的规律。

关键技术方法包括：(1)在裂殖酵母中表达GFP-AtNAS2融合蛋白生产¹⁵N标记NA；(2)采用NanoSIMS 50L进行亚微米级空间分辨率成像；(3)Perls普鲁士蓝染色结合DAB增强法定位铁分布；(4)ICP-MS定量分析金属含量。

研究结果：

1. GFP-AtNAS2在酵母中的表达与定位：高锌条件促进NA产量增加，GFP-AtNAS2形成囊泡状结构，提示NA可能通过囊泡运输参与金属稳态。

2. ¹⁵N-NA的示踪实验：补充NA显著提高chln突变体地上部锌浓度，但对铁含量影响不大，证实NA在锌转运中的特殊作用。

3. NanoSIMS成像分析：¹⁵N信号特异性地富集在木质部导管周围细胞，与铁染色显示的沉积区域高度重合，且液泡内信号强于细胞质。

4. 铁的组织分布特征：野生型和突变体的铁均集中在维管组织，但chln叶片栅栏组织和根部的铁积累更显著，表明NA缺失导致铁分布紊乱。

这项研究突破性地建立了NA原位检测的技术体系，证实NA通过定位于木质部周围组织参与铁的卸载和再分配。发现NA在液泡中的富集为"铁隔离保护"假说提供了直接证据，而锌对NA合成的调控作用揭示了金属间的交叉调控网络。技术层面，NanoSIMS与同位素标记的结合为植物微量元素研究树立了新范式，不仅推动植物营养学发展，对理解人类铁代谢相关疾病也有启示意义。研究获得日本学术振兴会、内田财团等多方资助，体现了基础研究向应用转化的潜力。