Комбинация рентгеновских методов для изучения растений-гипераккумуляторов

В новой статье на обложке журнала New Phytologist подчеркнута мощь комбинации нескольких рентгеновских методов для понимания необычных свойств растений-гипераккумуляторов.

Международный консорциум исследователей под руководством доктора Антони ван дер Энта из Центра рекультивации земель после добычи полезных ископаемых Университета Квинсленда в сотрудничестве с доцентом Питером Копиттке из Школы сельского хозяйства и пищевых наук того же университета использовал рентгенофлуоресцентную микроскопию (XFM) на Австралийском синхротроне.

Метод XFM генерирует элементные карты, показывающие, где находятся интересующие элементы в тканях растений, проростках или отдельных клетках.

Визуально эффектные изображения, полученные на пучковой линии XFM, демонстрируют различные растения-гипераккумуляторы на обложке апрельского выпуска New Phytologist. На изображениях каждый элемент показан разным цветом, составляя RGB-изображение.

«Растения-гипераккумуляторы обладают необычной способностью накапливать экстремально высокие концентрации металлов и металлоидов в своих живых тканях», — сказал ван дер Энт.

«Гипераккумуляторы представляют научный интерес, потому что, хотя металлы обычно токсичны для растений даже при низких концентрациях, эти растения способны накапливать большие концентрации без каких-либо токсических эффектов», — добавил он.

Вопрос в том, «как они это делают и каков механизм, позволяющий им переносить такие высокие концентрации металлов? Можем ли мы чему-то научиться у них, чтобы понять токсичность металлов для обычных растений — особенно тех, которые мы используем в сельском хозяйстве?»

«Исследования гипераккумуляторов также проводятся для применения в фитомайнинге (новый подход, предполагающий выращивание растений-гипераккумуляторов как "металлических культур" для получения ценных металлов)», — сказал ван дер Энт.

Ученый пучковой линии XFM доктор Мартин де Йонге, соавтор статьи вместе с доктором Дэвидом Патерсоном, отметил, что метод использовался для изучения того, как металлы поглощаются корнями и распределяются по растению в условиях, близких к реальным.

Среди различных рентгеновских методов, оцененных в статье, каждый имеет свои преимущества. Копиттке заявил, что является активным сторонником XFM именно по этой причине.

«Поскольку вакуум не требуется, эксперимент можно проводить в обычных условиях. Растения более чем на 90% состоят из воды, и если вам приходится обезвоживать их для помещения в вакуум, как в других рентгеновских методах, вы неизбежно перемещаете анализируемые элементы. С помощью XFM мы можем анализировать живое растение в его естественном состоянии, и это большое преимущество. Вы не можете сделать это с помощью любой другой техники», — сказал Копиттке.

Авторы отмечают, что поскольку XFM может проникать на глубину от нескольких сотен микрометров до миллиметрового масштаба, он идеально подходит для решения задач науки о растениях. «Его высокая чувствительность и возможность работы с крупными образцами делают его очень универсальным», — сказал де Йонге.

Уникальной особенностью пучковой линии XFM является использование революционного рентгеновского детектора Maia — чрезвычайно быстрой детекторной системы. Maia позволяет получать элементные карты размером во многие миллионы пикселей (мегапикселей) за несколько часов. Благодаря этому не было видимых признаков радиационного повреждения живых растений.

XFM может одновременно картировать гипераккумулируемые металлы (такие как никель), важные питательные элементы (такие как калий) и микроэлементы, которые обычно присутствуют в гораздо более низких концентрациях (такие как медь).

«Вы можете освещать образец одним видом энергии и получать флуоресценцию от всего, что известно как спектральная ось», — объяснил де Йонге. — «Но вы также можете изменять энергию падающего излучения и наблюдать изменения в спектральной оси в результате этого. Это помогает исследовать электронную структуру атомов».

Другими методами, всесторонне рассмотренными в статье, была протонно-индуцированная рентгеновская эмиссия (PIXE). Этот метод можно проводить на замороженных образцах, что позволяет исследовать срезы растительной ткани для выяснения распределения элементов на внутриклеточном уровне. PIXE также идеально подходит для измерения очень легких элементов, таких как алюминий.

«Дополняемость методов рентгеновского элементного картирования предоставляет способ ответить на вопросы на каждом уровне о том, как растения поглощают металлы и поддерживают свои физиологические функции», — заключил Копиттке.