水稻细胞壁上有机、无机硅影响NH4+和K+吸收的化学机制

Most research results at the tissue, organ, and whole-plant level show silicon (Si) may influence the uptake of NH4+ and K+, however, these previous studies exhibit an obvious inconsistency and lack the mechanistic analysis. This study is to determine the net ion fluxes of NH4+ and K+ by NMT, mechanical properties and Kelvin potentials by AFM-KPFM, and the cell membrane I-V curves by patch clamp for rice suspension cells modified with organosilicon and inorganic silica on the cell wall, respectively. The key aim of the research is to elucidate the roles of two Si species on cell walls of suspension rice cells in stabilizing cell walls. This, in turn, influence the membrane stability and ion transportation by different ion channels/transporters in cell membrane. Using a combination of qPCR and the content analysis of the assimilation products of NH4+ and K+ ions, we determine the chemical mechanisms of the effects of organosilicon and inorganic silica on cell walls on the uptake of NH4+ and K+ ions. The study designs will rule out biological complexity due to various possible factors influencing experimental results at the tissue, organ, and whole-plant levels, and will define the fundamental role of two Si species. Moreover, this study will provide the method of exploration to advance the interdisciplinary research between plant nutrition and physical chemistry of single cells.

大量组织、器官和植株水平的研究表明硅可影响植物对NH4+和K+养分的吸收，然而宏观现象显示出明显的不一致性，同时也缺乏对应的微观机制分析。本项目将借助原位非损伤微测、原子力显微镜、膜片钳等现代化学分析技术，分别定量测定不同硅（与细胞壁共价交联的有机硅和无机的二氧化硅）修饰的水稻悬浮细胞表面NH4+和K+净离子流、细胞表面力学特性及Kelvin电势、细胞膜的I-V特性。研究的关键是阐释不同结构的硅如何稳定细胞壁，进而影响细胞膜的稳定性以及位于膜上的养分离子的转运子/离子通道的效率。结合NH4+和K+转运子的定量PCR分析以及转运后合成同化产物的分析，在单细胞尺度上揭示有机/无机硅影响NH4+和K+离子吸收的化学机制。该研究排除了植株水平上多因子作用的复杂性，从而使得定义两种不同硅的植物生物学作用成为可能。期望此项目为深入开展单细胞体系的植物营养和表面物理化学交叉研究作出方法学上的探索。

大量组织、器官和植株水平的研究表明硅可影响植物对NH4+和K+养分的吸收，然而宏观现象显示出明显的不一致性，同时也缺乏对应的微观机制分析。本项目将借助原位非损伤微测、原子力显微镜等现代化学分析技术，定量测定与细胞壁共价交联的有机硅修饰的水稻悬浮细胞表面NH4+和K+离子流、细胞表面力学特性等。这一研究的出发点是基于膨压驱动的植物细胞生长取决于细胞壁的结构和力学性质。在硅交联下加强细胞壁可能改善氧分吸收和随后的细胞生长和代谢。使用原位非损伤微测技术测定了NH4+和K+离子流，结合原子力显微镜观察了水稻单细胞表面形貌和力学特性，以及电解质渗漏和膜势等单细胞生物物理的测定方法表征了膜的稳定性，最后在蛋白质水平上借助iTRAQ单细胞蛋白质组的测定，最终揭示了硅交联的细胞壁结构的改变，增加了NH4+离子的吸收，而缺硅细胞NH4+离子的吸收量仅为加硅细胞的一半。这表明细胞壁结合硅后加强了细胞壁同时稳定了细胞膜。反过来，在没有上调NH4+离子转运子的条件下提高了分分吸收，同时优化了细胞的生长、代谢和对胁迫的抵抗。在单细胞尺度上揭示有机硅影响NH4+和K+离子吸收的化学机制。该研究排除了植株水平上多因子作用的复杂性，从而使得定义有机硅的植物生物学作用成为可能，进而为深入开展单细胞体系的植物营养和表面物理化学交叉研究作出了方法上的探索。