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【#主題科學日 核磁共振的發展】
過去半個世紀以來，#核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）是化學家不可或缺的分析工具，已成為化學家瞭解化合物結構的「眼睛」，除了結構鑑定，因為其即時且非破壞性的特性，也常被應用在研究反應動力學及分子間交互作用。
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https://scitechvista.nat.gov.tw/c/sT4d.htm
無機磷酸鹽（簡稱磷酸）是植物生長所需的營養，也是肥料的主要成分之一。科學家知道，植物體內有七成以上的磷酸儲存在細胞液泡中，但長達半個世紀以來，卻不知道磷酸如何進入液泡內。國立清華大學生物資訊與結構生物研究所助理教授劉姿吟與其研究團隊，以磁振造影儀 (MRI) 解開了謎團，有助於未來應用在改良農作物，促進農地磷肥用量降低，減少土地污染。這項重要的研究成果日前登上國際知名期刊《自然-通訊》(Nature Communications)。
由中研院農業生物科技研究中心研究員邱子珍主導，並與劉姿吟、清華大學生醫工程與環境科學系副教授王福年和博士班學生黃聖閔、政治大學應用物理所副教授蔡尚岳所組成的跨領域團隊，首次利用林口長庚醫院分子轉譯影像中心的磁振造影儀 (7T-MRI) 所產生的核磁共振頻譜，得以「看見」阿拉伯芥幼苗中細胞質和液泡的磷酸含量，並進一步證實SPX-MFS基因家族為科學家尋覓已久，位於液泡膜上的「第五型植物磷酸轉運蛋白」。
劉姿吟解釋，液泡裡儲存許多不同的養分，不同的養分會透過液泡膜上不同的膜蛋白，將養分從細胞質運進液泡裡儲存。長久以來科學家一直找不出將磷酸運進液泡的膜蛋白，這次首度以MRI觀測阿拉伯芥細胞中的磷酸含量，終於找到磷酸進入液泡的「門」，也就是「第五型植物磷酸轉運蛋白」。阿拉伯芥是一種廣泛分布於歐、亞、西北非洲的十字花科植物。由於它在一般生物實驗室提供的狹小空間就能生長、生命週期短，並具有易於進行突變、基因轉殖與遺傳分析等特點，加上又是最早完成基因體解碼的植物，因此經常成為植物研究的模式生物。
劉姿吟指出，缺乏「第五型植物磷酸轉運蛋白」的阿拉伯芥突變植株，會有較多磷酸累積在細胞質。相反的，含有大量「第五型植物磷酸轉運蛋白」的阿拉伯芥基因轉殖株，液泡內磷酸含量會增加，同時細胞質中的磷酸含量下降，進而改變細胞質磷酸濃度恆定性。換句話說，擁有大量「第五型植物磷酸轉運蛋白」的阿拉伯芥，使得磷酸都貯存進液泡中，即使外界環境供給足量磷酸，但仍舊透過磷酸轉運蛋白存到液泡裡而無法有效利用，植物本身仍感應細胞質內缺乏磷酸，於是誘發缺磷反應相關的基因群，導致植物生長狀況不佳。這一連串的機制證實磷酸是透過「第五型植物磷酸轉運蛋白」進入液泡。
MRI在醫界是很常用的儀器，但這次卻為植物學揭開了研究新領域。劉姿吟表示，過去曾有科學家使用MRI的前身—也就是核磁共振 (nuclear magnetic resonance, NMR) 在植物研究上，但是利用NMR 於活體植物常受到空間上的侷限。這次以MRI測量液泡內的磷酸，是首度嘗試，而能與生醫工程與環境科學系副教授王福年合作，是由生命科學系教授潘榮隆牽線。
王福年表示，其實驗室主要發展量測大腦血流與神經活動連結的影像技術，過去曾讓學生以蔬菜、水果作為掃瞄練習對象，沒想到這次將分子影像技術應用在植物學上，順利獲得重要突破。
談到此研究對於未來世界的可能貢獻，劉姿吟表示，藉由基礎科學研究探討液泡磷酸轉運蛋白，如何因應外界低磷環境或內部代謝變化來調控磷酸進出液泡，將促使人類了解並改良農作物，讓植物更有效運用體內的磷酸作為生長之需。這項研究成果也同時揭開研究液泡磷酸轉運蛋白的新領域，希望未來能應用在降低農地磷肥用量，以減少土壤污染，達到農業永續經營的目標。
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