缺锌介导植物细胞凋亡及其影响机制研究

细胞凋亡是植物体内的一种自我调整机制，对适应环境胁迫和生长发育具有重要意义。在动物上研究表明缺锌会引起细胞凋亡，但是缺锌是否参与调节植物细胞的凋亡过程，导致植株出现缺锌症状？缺少研究。本申请选择不同玉米品种，进行营养液和土培盆栽实验，并进行细胞悬浮系培养实验，通过特异荧光探针与激光共聚焦显微镜技术，结合细胞和组织学定位，研究缺锌植物组织和细胞中锌离子含量的时空变化；利用显微镜结合特异染色技术，研究缺锌植物凋亡细胞的精细结构特征；采用凝胶电泳、TUNEL 原位末端标记、流式细胞仪等手段研究缺锌细胞DNA降解特性，并检测Caspase酶活性及其基因表达，揭示缺锌细胞凋亡生理和分子生物学特征。通过本申请项目研究，阐明锌是否参与调节植物细胞凋亡过程。研究结果丰富植物锌素营养生理学研究内容，为改善植物适应缺锌胁迫能力提供重要的理论基础。

缺锌植物叶片脉间失绿、黄化，细胞坏死。动物学上研究表明缺锌会诱导细胞凋亡，但缺锌是否会导致植物出现细胞凋亡特征，缺少深入研究。选择玉米品种郑单958和农大108为试验材料，进行营养液培养，设置缺锌（0 µmol/L）和供锌（1 µmol/L）处理，测定幼苗生长和锌吸收；利用傅立叶变换红外光谱（FTIR）技术研究植株中有机组分变化；利用光学显微镜和电子显微镜观察叶片细胞结构；通过透射电镜-X射线能谱（TEM-EDS）测定叶片细胞中锌含量分布；利用琼脂糖凝胶电泳进行叶片DNA梯状条带分析，利用DAPI（4',6-二脒基-2-苯基吲哚）荧光染色研究细胞DNA降解特征，检测类Caspase-3酶活性。结果表明：（1）缺锌植株地上部锌含量低于临界水平，生物量少；根面积与体积变小，侧根数量减少，侧根长度降低，直径≤0.3 mm细根在总根长中比例下降，总根长变短。品种农大108较郑单958对缺锌更为敏感。缺锌根系和叶片FTIR谱在波数3410、2920、1650、1380、1055 cm-1处透过率较高，茎FTIR谱在这些波数处透过率较低，表明碳水化合物、脂类、蛋白质及核酸含量在缺锌根系和叶片中下降，而在茎中积累。农大108受缺锌影响较大。（2）TEM-EDS检测发现锌在叶绿体和细胞核中分布较多，在细胞质中分布较少。缺锌时，细胞质中锌分布极低。缺锌胁迫下，郑单958维管束鞘细胞叶绿体、细胞质中锌分布高于农大108，而正常供锌下，农大108叶肉细胞各部位锌分布比例大于郑单958，农大108叶片细胞中锌含量分布受缺锌影响较大。（3）光学显微镜观察发现缺锌叶肉细胞体积变小、收缩，叶绿体数量减少。电子显微镜下发现缺锌维管束鞘细胞叶绿体中淀粉粒积累；叶肉细胞核膜出现皱缩，核内染色质凝集固缩，趋向核膜边缘，向外周聚集，周边化；维管束鞘细胞细胞核结构变形、萎缩，呈不规则状。（4）琼脂糖凝胶电泳发现：缺锌15天叶片中DNA出现降解，电泳呈现拖尾（DNA ladder）。DAPI染色结合荧光显微镜观察发现缺锌叶片细胞细胞核变形、弥散，碎片增多。缺锌培养20天后，农大108叶片Caspase 3酶活性显著升高，而郑单958叶片中Caspase酶活性在锌处理间差异不明显。初步结论认为，缺锌胁迫会导致玉米叶片细胞出现细胞凋亡特征。