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太阳光模拟器在植物生长研究领域的应用，是近年来科学研究的热点之一。太阳光模拟器，顾名思义，是一种能够模拟太阳光的设备，为植物生长提供必要的光照条件。在植物生长过程中，光照是一个至关重要的环境因素，对植物的生长发育、产量和品质等方面具有重要影响。因此，太阳光模拟器的出现为植物生长研究提供了更为精准和可控的光照条件，有助于深入探究植物生长的奥秘。

一．什么是太阳光模拟器？

太阳光模拟器采用先进的光源技术，能够模拟太阳光的波长、光谱分布、光照强度等特性。通过调整光源的参数，可以实现对太阳光的模拟，为植物生长提供类似于自然环境的光照条件。此外，太阳光模拟器还具有光照强度可调、光照时间可控制等优点，可以根据植物生长的需要进行个性化设置。

二.太阳光模拟器在植物生长研究中的应用

1.光照强度是影响植物生长的重要因素之一。通过太阳光模拟器，研究人员可以探究不同光照强度对植物生长的影响。例如，一些研究表明，适当增加光照强度可以促进植物的光合作用，提高植物的生物量和产量；但过强的光照强度可能会对植物造成伤害，影响植物的正常生长。因此，合理设置光照强度是太阳光模拟器在植物生长研究中需要考虑的重要问题。

2.除了光照强度外，光质也是影响植物生长的重要因素。不同波长的光线对植物生长的作用不同。太阳光模拟器可以模拟不同光质的太阳光，从而探究不同光质对植物生长的影响。例如，蓝光和红光对植物的光合作用和生长发育具有重要作用。通过太阳光模拟器，研究人员可以深入研究不同光质对植物生长的具体作用机制，为农业生产提供有益的指导。

3.光照时间是影响植物生长的另一个重要因素。通过太阳光模拟器，研究人员可以探究不同光照时间对植物生长的影响。一些研究表明，适当增加光照时间可以促进植物的生长和发育；但过长或过短的光照时间可能会对植物的生长产生不利影响。因此，合理设置光照时间是太阳光模拟器在植物生长研究中需要考虑的重要问题。

三、太阳光模拟器的优点与局限性

太阳光模拟器具有很多优点。首先，它可以提供类似于自然环境的光照条件，使研究人员能够在受控的环境下进行实验，避免了自然环境中的不确定因素对实验结果的影响。其次，太阳光模拟器的光照强度、光谱分布和光照时间等参数可以根据需要进行调整，为研究人员提供了更大的灵活性。此外，太阳光模拟器还可以实现连续或间歇的光照模式，以满足不同植物生长的需要。

太阳光模拟器也存在一些局限性。首先，由于技术限制，目前的太阳光模拟器还不能完全模拟自然环境中的太阳光。其次，太阳光模拟器的成本较高，可能会限制其在一些研究领域的应用。此外，太阳光模拟器的运行和维护也需要一定的专业知识和技能。因此，在使用太阳光模拟器进行植物生长研究时，需要注意其局限性并采取相应的措施来保证实验结果的准确性和可靠性。

欢迎留言讨论关于更多太阳光模拟器的技术支持和方案，科迎法-王工。

蛋白质组学技术已经成为植物科学研究中重要的工具，以Orbitrap为代表的高分辨质谱技术已在植物蛋白质研究领域产生重要的科研成果，发表在Nature Plant，Plant Cell 等核心期刊上。

利用Orbitrap质谱可针对植物样本描绘细胞和亚细胞蛋白定位，以及追踪蛋白之间的相互作用，鉴定不同细胞亚结构的蛋白组分。同时可以利用TMT标记蛋白质组学技术进行定量植物蛋白质组学分析，此外，基于Orbitrap的多组学研究策略可以结合蛋白质组和代谢组学，整合基因组信息针对植物从多分子层面的大数据重新定义样本的分型、挖掘蛋白水平上与相关基因突变、表达关系及关键分子调控机制。

让我们以几篇经典文章为例，一探orbitrap助力的植物蛋白质组学前沿发现：

1

植物蛋白质定性定量研究以及

相关蛋白药物靶点发现

Roman Lagoutte利用炔基标记的去氧地胆草素类似物与SILAC蛋白质组学技术，鉴定去氧地胆草素在多种癌细胞中的作用靶点蛋白。作者首先合成了一系列具有kang癌作用的去氧地胆草素的类似物并对这些化合物的细胞毒性进行分析筛选，且证明了去氧地胆草素的细胞毒性是由细胞凋亡而非细胞坏死引起；接着利用带有炔基标签的去氧地胆草素类似物，在多种细胞系中通过SILAC标记定量和无标定量（Label-Free）的蛋白质组学方法对去氧地胆草素的靶点进行分析，在MCF7细胞中鉴定出11个新的去氧地胆草素的靶蛋白。该研究成果发表在Nature Communication杂志上。

2

植物相关蛋白质水平翻译化修饰研究

上海逆境生物学研究ZX研究团队运用蛋白质组学等技术，揭示了植物雷帕霉素靶蛋白（TOR）激酶和脱落酸（ABA）受体偶联的信号途径间通过相互磷酸化修饰，介导植物生长发育和胁迫应答的平衡。该策略是利用磷酸化组学分析研究植物逆境机理的案例。

该研究成果发表在Molecular Cell杂志上，如下图所示：

3

TMT定量蛋白质组学

深入研究植物生长发育衰老过程

华南农业大学研究人员为了研究花瓣衰老过程中蛋白质变化过程泛素化修饰的变化。用乙烯处理可以广泛地改变植物中的转录组和蛋白质组谱。泛素化是真核生物中的主要翻译化，在蛋白质降解中起重要作用。

在本研究中，作者首先通过RNA测序获得参考矮牵牛（Petunia hybrida）转录组数据。构建的蛋白质组数据库，然后对乙烯处理后的矮牵牛花冠ubiquitylome进行定量。在乙烯处理后16小时，共有3,606个蛋白质和2,270个遍在蛋白化位点进行定量。乙烯处理后，发现284个下调蛋白和233个上调蛋白，320个上调和127个下调泛素化位点（P <0.05），表明在矮牵牛的乙烯介导的花冠衰老过程中全泛素化水平有所提升。泛素连接酶在蛋白质和转录水平上调。此外呢，全蛋白质组和Ubiquitylome是负相关的，乙烯介导的花冠衰老过程中泛素化促进蛋白质的降解。

该研究成果发表在Plant Physiol杂志上，如下图所示：

4

基于Orbitrap多组学研究

多层面解析植物蛋白

和代谢物以及基因表达关系

Fionn McLoughlin利用orbitrap超高分辨质谱分析蛋白组学数据，以及代谢组数据与转录组分析结果，进行多组学分析。在多组学上分析玉米自噬与缺氮胁迫的联系，研究者选用了自噬受损突变体，基因敲低与野生型作为实验材料，在富氮、缺氮条件下进行培养。选择了玉米幼苗的第二片叶和第四片叶进行转录组、蛋白组、代谢组探讨自噬对于细胞稳态的影响。蛋白与转录层面，缺氮条件下，缺氮胁迫的通路转录上调，叶绿体组分的表达受到YZ。在第二片叶和第四片叶中分别鉴定到了3,327和3,801个蛋白。分析结果显示，自噬作用相对于缺氮胁迫，对于蛋白组的调控变化影响更大。该研究成果发表在Nature Plant杂志上。

冬天植物箱在温室里生长吗？

在上一期IVIS视角中我们和大家分享了IVIS系统如何在活体状态监测植物氮代谢水平，并基于转基因植物开发分子传感器（IVIS系统在植物领域的应用（一）（详情见http://www.yiqi.com/zt2598/news_41438.html），其实除通过构建生物发光的转基因植物之外，IVIS系统还能通过化学发光或者荧光染料探针等方式研究植物领域的多种应用。本期将带领大家继续拓展在植物活体光学领域的应用。

活性氧(ROS)是有氧生物在进化过程中产生的一类含氧基团，具有较高的生物活性。除了作为一种氧代谢副产物会导致细胞氧化应激甚至凋亡之外，随着近年来研究的深入，ROS也被发现参与植物的正常生长进和代谢过程，是许多基本生物过程的关键调节因子，包括细胞增殖分化、器官成熟发育、植物应激抗逆等。在往期分享（点击前方蓝字直达文章内容）中，我们介绍过一种纳米探针用于检测动物体内炎症及肿瘤发生时活性氧水平。而在植物中，虽然许多ROS成像技术已经得到了发展和应用，但目前还缺乏一个动态检测植物体内ROS的植物成像平台。近期出现了一种可靠和直接的方法来对植物中的活性氧进行全植物活体成像，该方法发表在《Molecular Plant》期刊上。

该方法是利用荧光探针的氧化来直接检测ROS，并且研究人员结合IVIS Lumina活体成像系统，开发了一个用于整株植物活体成像的工作流程。通过该工作平台，可以完成荧光染料探针对整株植物的染色、植株刺激处理以及处理后的ROS定量评价。

系统工作流图解说明：

A-B 植物在合适的光照周期和湿度的培养环境中培养

C 植物在玻璃熏蒸箱里用雾状染料熏蒸30分钟

D 植物进行相应的刺激（强光照射、植株损伤、病菌感染）

E 整株植物在IVIS Lumina成像系统中拍摄

F 利用IVIS LivingImage软件分析植株ROS信号

利用该工作平台，研究人员测试了一系列包括DHE、H₂DCFDA、H₂HFF-OxyBURST、Amplex red、SOSG和PO1在内的多种荧光探针，通过整株植物ROS信号积累数据分析筛选出了一个Z有效，Z敏感，能够响应多种外界刺激所产生的ROS的荧光探针——H₂DCFDA，该探针能够表现出Z强的信噪比和应用广泛性。这些不同的外界刺激包括局部强光照刺激、损伤或病原体感染，未来也可以拓展到其他种类的应激反应研究中。此外，通过rbohD和apx1突变体中ROS信号的减弱和增强以及DPI（ROS生产YZ剂）处理后ROS信号传播的减少，进一步证明了该成像系统的有效性，并且表明该方法不受外界因素的影响。

拟南芥在不同外界刺激下30分钟内的ROS积累情况（A 局部强光刺激；D 叶片损伤刺激；G 病菌感染）

这个新方法可用于研究不同遗传变异体的局部和植株整体积累的ROS信号，进行表型分析来发现新的ROS信号通路，监测不同植物和突变体的应激水平，揭示ROS参与到植物应激、生长调节和发育过程的新途径。文章中探讨了这种新方法在不同拟南芥突变体系统以及小麦、玉米等谷物创伤反应研究中的应用。综上，该研究所报道的方法可以快速有效的对植物进行整体的ROS活体成像，这为今后ROS代谢，系统信号传导等的研究提供了十分有利的科学工具。

在往期分享中，我们介绍了IVIS成像系统在动物水平的众多应用，其实IVIS同样可以用于全植物成像。此次我们就分享IVIS在水稻氮代谢研究中的应用。

氮是植物生长发育所必需的养分，但其在土壤中的浓度往往达不到Z佳作物生长浓度。因此，提高作物氮素利用率被认为是农业生物技术的一个主要目标。然而，关于作物氮代谢仍有许多需要了解的地方。

在此，研究人员开发了一个分子传感器系统来监测水稻中氮的状态，该方法发表在《Frontiers in Plant Science》杂志上。研究中首先利用该系统研究了尿囊素的作用，尿囊素分解为尿囊素衍生的代谢物，在低浓度下作为氮源使用。参与尿素代谢的两个基因尿囊素酶(OsALN)和尿素渗透酶1 (OsUPS1)，对氮状态高度敏感，在低氮条件下，OsALN迅速上调，而高氮条件下OsUPS1表达上调。基于上述机制，研究人员培育了含有氮分子传感器系统的[proALN::ALN-LUC2]和[proUPS1::UPS1-LUC2]转基因水稻。这种转基因的表达可以模拟内源性的转录调控，即OsALN和OsUPS1基因对外源N状态的响应。

文中使用两种方法来测定分子氮传感器的能力：

方法一：在长期培养中，转基因水稻植株在高浓度氮源培养基(GM+N)或不含氮源的生长培养基(GM-N)中培养5天，随后使用IVIS活体成像系统进行成像及定量。

结果显示，生长在GM+N培养基中的 proUPS1::UPS1-LUC2 水稻植株表现出更高的荧光素酶活性（图1A）。为了对发光信号进行定量，研究人员测定了5个独立的纯合系（具有单个基因拷贝）。生长在GM+N培养基中的proUPS1::UPS1-LUC2 植株发光信号强于GM-N组20倍，而强于对照组约2,800倍（图1B）。

方法二：在短期培养实验中，转基因水稻植株先在GM-N培养基中培养4天，第5天在加入100nM硫酸铵。结果显示，同长期实验结果一样，生长在后期加 氮培养基中proUPS1::UPS1-LUC2 植株，发光信号更强（图1C）。同样对5株独立的纯合系进行了定量，生长在后期加N培养基中的proUPS1::UPS1-LUC2 植株生物发光信号强于GM-N培养基中约50倍，而强于对照组13,000倍（下图1D）。

图1.在高氮培养条件下，proUPS1::UPS1-LUC2 具有很强的发光信号。

(A)对照组和proUPS1::UPS1-LUC2 植株在GM+N或者GM–N培养基 中培养5天；

(B)5个独立的纯合子proUPS1::UPS1-LUC2 在(A)条件下，发光定量结果；

(C)对照组和proUPS1::UPS1-LUC2 植株在GM–N生长5天, 或者在GM–N培养基中生长4天，然后加入100 mM硝酸铵培养1天；

(D)5个独立的纯合子proUPS1::UPS1-LUC2 在(C)条件下的定量结果，以对照组作为基准进行标准化 。

这些结果说明，proUPS1::UPS1-LUC2 传感器能够通过发光信号水平检测外源氮的情况。

同样在研究中对proALN::ALN-LUC2 植株进行了相同的处理。结果显示，在长时间的培养实验中，GM+N和GM-N培养基生长的proALN::ALN-LUC2 没有明显差异（图2A）。对5株独立的纯品系进行发光信号定量，相比GM+N培养基，GM-N培养基生长的proALN::ALN-LUC2 植株发光信号要高约1.8倍，比对照组高约17倍（图2B）。因此很难鉴定GM+N和GM-N培养基对生长的影响。而在短时间培养实验中，连续生长在GM-N培养基中的proALN::ALN-LUC2，发光信号要强于加高氮培养1天的。

图2.在低氮培养条件下，proALN::ALN-LUC2 植株显示强的生物发光信号。

(A)对照组和proALN::ALN-LUC2 植株，在GM+N or GM–N培养基中培养.；

(B)A组相对定量结果；

(C)对照和proALN::ALN-LUC2 植株在 GM–N中培养5天，或者在GM–N培养基中培养4天，然后加入100 mM 硝酸铵再培养1天 ；

(D)C组相对定量结果；GM–N培养基生长的对照组植株作为基准进行标准化。

此外，在文章中，还利用IVIS活体成像系统，探讨了该传感器对于氮源是否具有选择性及对于氮源的敏感性。结果显示proUPS1::UPS1-LUC2 和proALN::ALN-LUC2 对于氮源无特异性，可以广泛的作为水稻等植株中分子氮的传感器。并且proUPS1: UPS1-LUC2 植株在硝酸铵、硫酸铵或硝酸钾浓度> 1mM即表现出强烈的生物发光信号，而低氮浓度(< 0.01mM)信号减弱。0.1mM硝酸钾proUPS1:: UPS1-LUC2 植株诱导强烈的生物发光信号，而0.1mM硝酸铵和硫酸铵则没有。这表明， proUPS1::UPS1-LUC2 传感器监测高氮状态，低氮状态。proALN::ALNLUC2 在低氮浓度(<0.1 mM)下表现出较强的荧光素酶活性，而在高氮浓度下表现出较弱的活性(> 10mM)。

综上，分子氮传感器的信号反映了分子氮的内部状态。结合IVIS活体成像技术，proALN::ALN-LUC2和proUPS1::UPS1-LUC2 可作为分子传感器在不同研究中监测大米内部氮状态。

文献来源：Dong-Keun Lee, Mark C. F. R. Redillas, Harin Jung, Seowon Choi, Youn Shic Kim and Ju-Kon Kim. A Nitrogen Molecular Sensing System, Comprised of the ALLANTOINASE and UREIDE PERMEASE 1 Genes, Can Be Used to Monitor N Status in Rice. Front. Plant Sci, 18 April 2018.

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       相分离 (Phase separation)是目前发展非常迅速的一个研究领域，大量研究表明相分离在细胞中普遍存在，与基因组的组装、转录调控等生物学过程密切相关；相分离的失衡可能会导致一些疾病(如神经退行性疾病)的发生，通过干扰异常“相分离”也有希望会成为ZL相关疾病的新手段。

       由于技术的限制，研究相分离的方法并不多。大部分相分离的研究仍在依赖液滴间自发的相互作用，且仅能获得"是"与"否"融合的结果，无法进行更多的融合相关参数的比较。而实际上相分离的过程非常复杂，这就需要更加精密的技术手段。LUMICKS公司的荧光光镊系统C-Trap将光镊系统、共聚焦成像和微流控系统结合，可以实时的对单个蛋白液滴进行捕获、操控和测量（力学性质+荧光信号），为相分离的研究提供新思路。

       以RNA/RNP的相互作用对蛋白液滴性质与融合的影响为例，研究人员使用C-Trap光镊系统诱导液滴融合，比较了不同凝结体的性质，通过融合时间对其融合能力和液滴稳定性进行了评估。 K/G-rich多肽序列与poly(U)RNA的融合速度 (平均0.0028 s/µm) 约为R/G-rich多肽序列与poly(A)RNA融合速度的两倍 (图1)。以上结果表明，前者具有更高的流动性和更低的黏度，以及短程引力和长程力调节RNA–多肽凝结过程，包括结合与凝固。通过进一步研究来源于FUS模型的R/G-rich序列与poly(A)或poly(U) RNA的相互作用可以确认，相变性质因序列不同而不同。

图1. 不同RNA-RNP复合体在光镊系统诱导下的融合状态随时间变化的图像。R/G-rich序列的RNA-RNP复合体融合时间相对K/G-rich序列更长。 Poly(A)RNA相对poly(U) RNA会延长融合时间。

C-Trap系统具有多种适合测量液滴性质并对不同实验条件下的结果进行比较的功能。系统的空间与时间的高分辨率可在操控液滴的同时检测液滴的活动。

•  可操控液滴诱导融合

•  可检测不同实验条件下液滴的融合时间变化

•  可通过微流变学实验检测液滴的黏弹性

•  可检测单一液滴在不同实验条件下的各项性质