研 究 背 景

 

在植物生理学与农业育种领域，黄瓜果实表面“果霜”（Bloom）的形成机制一直是研究热点，这层“果霜”主要由硅（Si）沉积形成，降低了果实的光泽度。尽管硅对植物的生长和抗逆性有重要作用，但其在果实光泽度形成中的具体机制一直未被充分研究。近日，北京市农林科学院团队在《Journal of Integrative Plant Biology》发表的最新研究中，借助Genesis飞秒激光剥蚀电感耦合等离子体质谱技术（fs-LA-ICP-MS），首次揭示了硅转运蛋白BEC1在“白霜”形成及植物抗逆中的关键作用。这一成果不仅为农业育种提供了新靶点，更展现了Genesis飞秒激光技术在生命科学研究中的独特优势。

 

 

 

北京市农林科学院蔬菜研究所夏昌选助理研究员为论文第一作者

北京市农林科学院研究员毛爱军和科研助理银珊珊为论文共同第一作者

北京市农林科学院研究员温常龙为论文的通讯作者

参考文献：Xia et al., JIPB, 2025. DOI: 10.1111/jipb.13917

 

Genesis飞秒激光剥蚀技术：纳米级元素成像的 “显微镜”

 

在传统植物元素分析中，如何精准定位硅（Si）在果实表面的微观沉积模式一直是难题。

Genesis飞秒激光剥蚀技术凭借其超短脉冲（飞秒级）、超高能量密度的特性，可实现对植物组织纳米级空间分辨率的原位剥蚀，并结合 ICP-MS 实时检测元素分布。

 

技术亮点：

 

•非接触式分析：避免传统切片对样品的机械损伤，保留原始微结构。

•多元素同步成像：同时检测Si、Ge等微量元素，揭示元素共定位关系。

•动态追踪能力：捕捉硅在腺毛（Glandular Trichomes）表面从吸收到沉积的动态过程。

 

通过飞秒激光剥蚀技术，该研究团队首次观察到：

 

•野生型黄瓜（N62-5）果实腺毛表面有显著硅沉积层（SiO₂），呈现明亮的元素信号；

•突变体bec1因BEC1基因功能缺失，腺毛表面硅信号几乎消失，证实硅转运与“白霜”形成的直接关联（图1）。

 

图1 通过激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）检测N62-5、bec1、bec1-cr1和bec1-cr2果实中硅的沉积模式

 

核心发现：硅转运蛋白 BEC1 的双重角色

 

1.BEC1 蛋白的功能验证

 

•作为硅外排转运蛋白，BEC1通过其11个跨膜结构域（图2），将根系吸收的硅转运至果实腺毛表面，聚合形成“白霜”。

 

图2 BEC1的预测二级结构（跨膜结构域用罗马数字标记）

 

•基因编辑突变体（bec1-cr1/cr2）因BEC1蛋白提前终止，导致硅吸收量下降80%以上，果实表面无白霜且光泽度显著提升（图3、4）。

 

 

图3(左) N62-5、bec1、bec1-cr1和bec1-cr2的10天果实表型     图4(右) 在bec1背景下BEC1::BEC1-GFP转基因系（BEC1-GFP-L1和BEC1-GFP-L2）和N62-5的10天果实的光泽度测量（*P<0.05, *P<0.001）

 

2.抗逆性与硅代谢的关联

 

•突变体bec1因硅缺乏，对Corynespora cassiicola菌和低温胁迫的抗性显著下降；

•通过嫁接技术恢复硅供应后，叶片硅含量和抗逆性恢复，但果实仍无白霜，证明BEC1在“组织特异性硅转运”中的关键作用（图5A-C）。

 

 

图5 (A) 在2周龄的苗上嫁接bec1后，其叶片中的硅浓度；(B) 在2周龄的苗上嫁接bec1后，其叶片中棒孢菌病的疾病评分；(C) 在2周龄的苗上嫁接bec1后，其叶片中冷害指数

 

生物样品中硅Si元素分析研究难点

 

1.硅的低电离效率和易氧化物干扰

 

低电离效率：

Si的电离能（8.15eV）高于常见金属元素，在ICP-MS中电离率不足30%，导致信号强度显著降低（相比Cu/Zn等元素低1-2个数量级）。

 

氧化物干扰：

生物硅常以SiO₂聚合物（如植物硅化细胞等）形式存在，激光剥蚀和ICP电离时易生成多原子离子干扰（如与¹²C¹⁶O⁺对²⁸Si⁺干扰，¹³C¹⁶O⁺对²⁹Si⁺干扰，¹⁴N¹⁶O⁺对³⁰Si⁺干扰）。

 

2.生物样品基体效应

 

结构异质性：

硅在生物体内分布极不均匀（如植物叶片的硅化细胞壁vs表皮细胞），硬度差异（SiO₂硬度≈7Mohs）导致剥蚀速率波动，定量准确性下降。

 

高含水组织影响：

传统纳秒激光的热效应使含水样本（如生物鲜样）中的硅酸盐结构破裂，释放游离硅酸并扩散，破坏原位分布信息。

 

3.空间分辨率与灵敏度——不可调谐的矛盾？

 

亚微米结构需求：

关键硅结构尺寸微小（如硅藻孔洞200-500nm，植物硅化细胞1-5μm），但高分辨率激光剥蚀（<1μm）剥蚀物质量不足，难以满足ICP-MS检测限（Si的典型检测限>10ppm）。

 

Genesis fsLA-ICPMSMS飞秒成像方法——飞秒精准“冷剥蚀”与结构保真

 

1、飞秒激光作用机制：

≤260fs脉冲宽度的飞秒激光，在生物样品表面进行“冷剥蚀”，不产生热效应，剥蚀颗粒较纳秒小，可提升传输效率和ICP端离子化效率，使得在同样剥蚀量的前提下具有更高信号强度。

 

2、fsLA-ICPMSMS反应模式分析技术：

采用氨气反应气，大大减弱了多原子干扰，降低Si的背景，从而使得我们获得了可以直接分析²⁸Si的可能（²⁸Si的丰度远高于²⁹Si和³⁰Si，可获得远高于后两者的信号）。

 

3、先进的冷冻剥蚀技术：

Cryocell模块（-40℃）将含水样本冷冻固化，锁定硅扩散路径，从而获得真实的原位元素分布成像图。

 

上海凯来研发生产制造的高端国产点阵飞秒激光剥蚀系统，已成为分析业内细分领域创新技术研发的领先者，其金铌锶·Genesis BIO点阵飞秒激光剥蚀系统（生物专用型），可提供“生命健康-环境生态-农林食安”整体解决方案，广泛应用于：

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