纳米氧化铜影响微管调控细胞壁纤维素合成的机制研究

With the wide application of nanotechnology, the toxicology effect of Nanoparticles (NPs) accumulated in the environment has caused extensive concern of the researchers. Plant cell wall is the first barrier against environmental stresses. However, the molecular mechanism of how NPs influence cell wall is not clear. Cellulose is the main component of cell walls, and play an important role under environmental stresses. Our previous results indicated that copper oxide nanoparticles (CuO NPs) significantly reduce the cellulose content. Cortical microtubules and cellulose synthase complexes (CSCs) regulate the synthesis of cellulose in cell wall, however, the mechanism of CuO NPs influence cellulose synthesis is not clear. Therefore, we employed Arabidopsis thaliana as the plant material, by the analysis of cell wall ascertain the influence of CuO NPs on cellulose and matrix polysaccharide; By using atomic force microscopic analysis the effect of CuO NPs; By living cell imaging analysis, study the dynamics of cortical microtubules and CSCs under CuO NPs treatment, preliminary clarify CuO NPs affect the molecular mechanism of cellulose synthesis. The results of this research will help us to better understand the molecular mechanism of CuO NPs influence plant cell wall development, and provide the new knowledge for environmental toxicology of nanomaterials.

随着纳米技术的广泛应用，纳米颗粒（NPs）在环境中累积产生的毒理效应已经引起研究者的广泛关注。细胞壁是植物感知环境刺激，抵御环境胁迫的第一道屏障。然而，NPs影响植物细胞壁发育的分子机制尚不明确。纤维素作为细胞壁的主要成分在环境胁迫过程中发挥重要作用。本项目前期研究发现纳米氧化铜颗粒（CuO NPs）处理显著降低纤维素含量。在植物中纤维素的合成受微管和纤维素合酶复合体（CSCs）调节，然而CuO NPs影响纤维素合成的机制并不清楚。因此，本项目拟通过细胞壁分析探明CuO NPs对纤维素及基质多糖的影响；利用原子力显微分析，阐明CuO NPs对纤维素结构和排列的影响；通过活细胞成像技术，分析CuO NPs对皮质微管及CSCs动力学的影响，初步阐明CuO NPs影响纤维素合成的分子机制。本项目的研究结果有助于深入了解CuO NPs影响植物细胞壁发育的分子机制，为纳米材料的环境毒理学提供新知识。

本研究以拟南芥为研究材料，从细胞壁各组分合成，到纤维素合酶复合物的运动、纤维素沉积与排列，具体阐述了CuO NPs对植物细胞壁发育影响的分子机制；此外，对细胞壁富集机制进行了深入研究，包括CuO NPs的亚细胞分布和细胞壁各多糖组分及其官能团对CuO NPs的螯合，重点讨论纤维素在植物富集CuO NPs的关键作用。.1、主要研究内容及重要结果.（1）CuO NPs影响拟南芥细胞壁发育的分子机制。CuO NPs能直接进入拟南芥根尖表皮细胞，使微管的线性排列受损，纤维素合酶复合物（CSCs）原有的双向线性运动受到影响，细胞壁骨架成分纤维素的合成受阻，导致纤维素含量降低、排列紊乱；对植物根系形态的影响表现为根尖表皮细胞膨大，伸长受到抑制，最终导致拟南芥幼苗根系生长异常。.（2）拟南芥细胞壁对CuO NPs的富集。在CuO NPs胁迫下，细胞壁对CuO NPs起着一定的阻隔作用，大约64.2% CuO NPs被固定在细胞壁上，其中44.6%、36.4%、18.9%分别与果胶、半纤维素及纤维素结合。对CuO NPs起着固定作用的主要是多糖上的负电基团，如–OH和–COO–，此外，–C–O、═C–H和C–C也参与CuO NPs的结合。细胞壁通过这种螯合作用将大部分CuO NPs富集在细胞壁中，从而降低了CuO NPs对植物的毒性。.（3）细胞壁骨架组分纤维素在植物富集CuO NPs过程中的关键作用。拟南芥纤维素缺陷突变体幼苗je5和盐胁迫下的纤维素缺陷突变体cc1/cc2（cc1/cc2-NaCl）的细胞壁中纤维素含量显著低于野生型WT，且排列紊乱，因此导致其细胞壁对CuO NPs的阻隔能力减弱，更多的CuO NPs进入细胞内，对幼苗的毒性效应更加显著。因此，纤维素在植物抵抗CuO NPs胁迫时起着重要作用，其结构和功能的完整性是细胞壁正常富集CuO NPs，并降低其毒性的基础。.2、 项目的科学意义.CuO NPs容易被生物体吸收并和生物体的各级结构相互作用，其毒理效应已经成为国内外的研究热点。本项目以拟南芥为研究材料全面系统的解析CuO NPs对植物细胞壁纤维素合成及沉积的毒性机制。本项目的研究成果有助于我们深入了解CuO NPs影响植物根系生长发育的作用模式，为纳米颗粒的环境毒理学提供新知识。