高盐浓度引起的盐胁迫会严重影响作物的生长发育，导致巨大的经济损失。我国有盐碱地15亿亩，其中5亿亩具备开发利用价值。2023年2月中央一号文件明确指出：“持续推动由主要治理盐碱地适应作物向更多选育耐盐碱植物适应盐碱地转变，做好盐碱地等耕地后备资源综合开发利用试点”。2023年5月习近平总书记在河北考察时进一步指出：“开展盐碱地综合利用，是一个战略问题，必须摆上重要位置。要立足我国盐碱地多、开发潜力大的实际，发挥科技创新的关键作用，加大盐碱地改造提升力度，加强适宜盐碱地作物品种开发推广，做好盐碱地特色农业应用这篇大文章。”由此可见，开展盐碱地综合利用对保障国家粮食安全、牢牢掌握中国饭碗具有重要的战略意义。
绿色农药全国重点实验室一直致力于服务国家重大战略需求。近期，杨光富教授和尹军教授团队在盐胁迫可视化成像新技术方面取得重要进展。团队开发了一种新型的荧光探针工具，能够在原位、实时、活体水平上可视化监测植物盐胁迫情况。传统的植物盐胁迫检测手段主要有两类：一类是以电感耦合等离子体发射光谱法、火焰光度计或滴定法为代表的侵入性技术，尽管该类技术可以定量测定钾、钠或氯离子的浓度，但复杂的样本处理过程会对植物造成不可逆的损伤，而且这些方法无法对植株活体进行实时监测。另一类是以微电极离子流、CoroNa Green荧光成像技术为代表的非侵入性检测方法，这些方法具有高灵敏度、快速检测和高时空分辨率的优势，但也存在明显的局限性。例如微电极离子流技术，尽管可以通过监控植物组织表面的电压差，实现对钠离子浓度的定量分析，但该方法仍然无法用于植株活体；另一种商业钠离子荧光探针CoroNa Green，其荧光发射位于绿色通道，极易遭受植物叶绿素背景荧光的干扰，导致检测的准确性降低。为此，该团队基于氯化钠响应性的近红外花菁类荧光探针，开发了一种新型植物盐胁迫可视化成像技术，可实现植株活体水平上的高信噪比成像（图1a）。与传统的氯化钠探针不同，该探针的荧光传感机制是通过具有阳离子特征的花菁类探针与氯化钠作用后探针从单体状态经自组装形成聚集体并伴随荧光强度的变化而实现的。相较于CoroNa Green，该探针在近红外区域具有明亮的近红外荧光，能够完全屏蔽植物叶绿素的背景荧光干扰，特别适合对微观样本及活体植株盐胁迫过程的可视化示踪，且不受干旱、高温等极端气候的影响。该探针具有极强的植物细胞线粒体靶向功能，可示踪盐胁迫下线粒体中盐浓度的变化，为研究亚细胞器层面的盐胁迫分子机制提供了有力工具。通常，在应对高浓度氯化钠时，植物主要通过两种途径增强抗逆性：一是将氯化钠排出胞质，二是将盐离子封存于液泡中。胞质中高浓度的氯化钠会对植物细胞造成严重损伤，因此评估胞质中的氯化钠浓度能够准确反映植物的抗逆能力。本研究开发的探针主要分布于胞质（图1b），液泡中含量极低，能够精确监测胞质盐浓度的动态变化，在盐胁迫突变体（包括敏感型和耐盐型）的活体筛选中展现出极高的辨识能力（图1c）。该技术不仅适用于模式植物拟南芥，还成功应用于马铃薯和水稻等作物的耐盐突变体的快速筛选。此外，该探针作为高效的盐胁迫可视化分子工具，还可用于促进植物盐胁迫耐受性的植物生长调节剂在活体水平上的快速筛选。 图1：植物盐胁迫可视化根尖、活体成像示意图及其在突变体筛选中的应用。这一研究为评估植物根尖组织和活体植株盐胁迫提供了一种新的监测方法，是分子影像技术在农业领域应用的重要突破。该技术在活体荧光成像、植物保护、非生物胁迫研究、植物盐耐受性、盐胁迫的分子机制、植物生长调节剂筛选以及盐耐受性作物的分子育种等方面具有巨大的应用潜力。相关研究成果以“Visualizing Plant Salt Stress with a NaCl-Responsive Fluorescent Probe”为题，发表在Nature旗下子刊《Nature Protocols》上。该论文的第一作者为博士后马晓媟，通讯作者为杨光富教授和尹军教授。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中央高校基本业务费交叉科学研究平台重大项目的支持。