生物传感器（Biosensor）是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的物质。研究人员使用体内生物传感可以实时研究活生物体，组织或细胞，具有快速获得数据的优势。现在使用的生物传感器最初开发是用于神经细胞研究，之后研究人员对该传感器进行了改进和开发，使其可以在植物中使用，克服了以往方法既不能在活细胞进行检测及实时检测，亦不能检测植物内不同细胞以及不同亚细胞空间各自的分子水平。故生物传感器的利用，将极大促进研究人员对领域的深度认知。
我们iPlants注意到最近一年来，已经有5篇高水平文章（包括2篇Nature Plants 和 Nature Communication、PNAS及Plant Cell各一篇）利用传感器实时检测植物各代谢产物（NADH / NAD+、脂质磷脂酸PA、H2O2和ATP）的研究进展，对于各领域深入研究提供了有力的方法，开创了植物研究的新领域---利用传感器实时观察植物新陈代谢研究。它们分别是：
1. 2020年6月26日，Nature Communications 杂志在线发表了来自香港大学林文量课题组题为“In planta study of photosynthesis and photorespiration using NADPH and NADH/NAD+ fluorescent protein sensors”的研究文章。该研究通过将两种新颖的传感器导入拟南芥，用于实时测量植物中NADPH水平和NADH / NAD+比率的动态变化.
线粒体在光合作用时究竟使用哪个来源的NADH去製造ATP，却一直未有肯定答案。有些学者认为，在光合作用过程中，由叶绿体生产多馀的NADPH还原力，会以苹果酸的形式从叶绿体输出到细胞质之中，再透过线粒体膜苹果酸-草酰乙酸酯（OAA）转运体输入线粒体，经合成转化NADH予线粒体製造ATP。亦有其他学者认为，在C3拟南芥的光合作用过程中，光呼吸能生产大量NADH予线粒体作生产ATP之用，而多馀的NADH所带有的还原力，以苹果酸的形式通过苹果酸-草酰乙酸酯转运体，从线粒体输出到细胞质之中。因此这个问题在科学界一直没有共识。
该研究将两种新颖的传感器导入拟南芥，用于实时测量光照後植物细胞不同亚细胞空间的NADPH水平以及NADH/NAD+比率的动态变化，并且研究发现光合作用期间，光呼吸会向线粒体提供大量的NADH，超过了线粒体消散NADH作生产ATP能力。因此，多余的NADH必须通过线粒体的苹果酸-草酰乙酸酯转运体从线粒体输出苹果酸到细胞质中，继而会在细胞中累积（见下图），揭示了叶绿体和线粒体在光合作用过程中的能量输送，有助将来提高植物光合作用的效率。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17056-0
2. 2020年8月13日，The Plant Cell杂志在线发表了来自德国明斯特大学Markus Schwarzländera课题组题为“In Vivo NADH/NAD+ Biosensing Reveals the Dynamics of Cytosolic Redox Metabolism in Plants”的研究论文，该研究同样采用一种新的体内NADH/NAD+生物传感器技术方法，使能够实时监控环境变化（例如光，温度，干旱，洪水或害虫侵扰）对植物代谢的影响。
该研究在植物内部表达了一种基因编码的传感器，其可以直接结合释放NAD +和NADH分子。传感器由一种荧光蓝绿色蛋白和一种红色蛋白组成，它们都根据细胞中NAD的状态而改变其亮度。此外，该研究除了能跟踪氧化还原代谢的动态变化外，还可以在活植物中观察到从特定的细胞器到单个细胞，甚至整个器官的NAD +水平。因此，该研究创建整个植物的第一个NAD氧化还原图，并观察从亮到暗过渡以及糖状态，细胞呼吸和氧气供应变化的氧化还原动态。
论文链接：http://www.plantcell.org/content/early/2020/08/13/tpc.20.00241
3. 2019年8月26日，Nature Plants杂志在线发表了来自南京农业大学章文华课题组题为“Tissue-specific accumulation of pH-sensing phosphatidic acid determines plant stress tolerance”的研究论文。该研究通过开发脂质磷脂酸PA的生物传感器PAleon，并揭示其信号与细胞pH动态相结合，介导植物对盐胁迫的反应！
在该研究中开发了一种PA特异性光遗传学生物传感器PAleon。该方法基于Förster共振能量转移（FRET）报告质膜上生物活性PA的浓度和动态。
研究表明，PAleon足够敏感，可以监测活细胞中PA的生理浓度，并在用脱落酸（ABA）和盐胁迫处理时可视化组织中亚细胞分辨率下的PA动态。PAleon生物成像揭示了盐胁迫引发的PA积累的动力学和组织特异性。与野生型拟南芥相比，缺乏磷脂酶Dα1（PLDα1）的pldα1突变体对PA产生表现出延迟和减少的PA积累。野生型和pldα1突变体的比较分析表明，细胞pH调节PA与靶蛋白的相互作用和PLD / PA介导的盐耐受性。 因此，PA生物传感器PAleon的应用揭示了植物组织中特定的时空PA动态。同时还表明，PA信号通路与细胞pH动态相结合，介导植物对盐胁迫的反应。
图. 盐胁迫中PA与pH均衡的相互关系
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41477-019-0497-6
4. 2020年4月15日，Nature Plants杂志在线发表了来自美国麻省理工大学Michael S. Strano课题组题为“Real-time detection of wound-induced H2O2 signalling waves in plants with optical nanosensors”的研究论文。该研究开发了一种基于H2O2选择性单壁碳纳米管（SWNT）为基础的纳米传感器，该探针在模型植物和非模型植物中能对伤口诱导的H2O2信号传导途径进行非破坏性和实时的研究。
当前技术来研究H2O2信号动力学主要局限于使用荧光染料和组织化学试剂。然而，这些方法通常对植物具有破坏性难以应用于叶片，同时，还需要较长的温育时间并且与H2O2发生不可逆反应，因此，不可能做到实时监测植物天然状态下的H2O2信号传导。
该研究串联使用一对DNA包裹的SWNT（单壁纳米管）探针作为体内检测内源性H2O2 的比率来测定植物内信号变化。体外实验表明，包裹在ss（GT）15寡核苷酸中的SWNT（以下称为G-SWNT）的荧光强度在H2O2存在下被淬灭，从而促进了它们作为活性传感器的应用。另一方面，包裹在ss（AT）15寡核苷酸（以下称为A-SWNTs）中的SWNT物种的荧光信号对于H2O2保持不变，从而使其能够作为参考。此外，传感器对H2O2的响应是可逆的，如随后添加过氧化氢酶所示，该过氧化氢酶可将H 2 O 2分解为H2O和O2。所以，这种可逆的传感机制激发了传感器能在植物体内的应用。
之后，该研究通过检测6种植物物种（包括生菜，Eruca sativa，Spinacia oleracea、Blitum capitatum、Rumex acetosa和拟南芥，发现受伤后的H2O2浓度分布遵循对数波形：按波速从0.44到3.10 cm/min排列，证明了这种纳米粒子介导方法的多功能性。此外，该研究表明，植物RbohD谷氨酸受体样通道（GLR3.3和GLR3.6）都是对伤口诱导H2O2波传播的关键。
因此，该研究发现了一种新型的纳米传感器探针，该探针与物种无关，能够在植物中进行实时，空间和时间的H2O2生化测量。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41477-020-0632-4
5. 2018年10月23日，PNAS在线发表了来自香港大学生物科学学院的林文量团队，与德国,美国及瑞典的科学家合作题为“ATP compartmentation in Arabidopsis thaliana revealed by fluorescent protein sensing”的研究论文。该研究利用转基因技术把能够量度ATP含量的荧光蛋白，导入模式植物拟南芥叶绿体及细胞质中，以实时监测植物体内的ATP浓度变化。
1969年，著名植物科学家兼《植物生物化学》教科书作者H.W Heldt教授，通过放射性定量方法证明了ATP可自由地跨过成熟的叶绿体膜。然而事实是否真正如此？
该研究将荧光ATP传感器引入到拟南芥的细胞质和叶绿体中以进一步研究这个问题。研究发现发现幼苗中的叶绿体和细胞质中的ATP浓度相近。但是，当幼苗长大时，叶绿体中的ATP浓度会明显下降，而细胞质中的ATP浓度远高于叶绿体中ATP的浓度。意味着植物限制成熟叶绿体输入细胞质ATP，因为在发育的早期阶段，未成熟的叶绿体需要吸收外源的ATP来进行生物合成。当叶绿体充分发育并能够自我维持时，需通过下调ATP转运蛋白的表达，来保证白天通过光合作用产生的能量不会在晚上被叶绿体消耗尽。
图中红色和绿色的部分显示含有ATP蛋白感受器的3天大幼苗，在470 nm – 507 nm和526 nm – 545 nm波长下的影像。左下图显示了这红绿影像之间的比率，代表了ATP的浓度（红色代表高浓度，绿色代表低浓度）。右下图显示同一幼苗的白光图像。
论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.1711497115
打印本文章
