稀土对植物的Hormesis效应与钙离子信号传导关系的研究

稀土不是植物必需元素，对植物具有"低促高抑"的Hormesis效应，其作用机理尚在探索之中。Ca2+是细胞内的重要信使，与稀土离子（Ln3+）的半径相近，已有研究表明Ln3+可干扰Ca2+与其结合蛋白之间的相互作用，但Ln3+对植物的Hormesis效应与胞内Ca2+信号传导之间的关系却不明确。基于此，本项目以拟南芥为实验材料，利用激光共聚焦显微技术、扫描电镜-能谱分析技术等手段，结合分子生物学方法，从细胞、亚细胞及分子水平等不同层次，系统研究低剂量和高剂量的稀土对细胞内Ca2+水平与分布、钙调素（CaM）含量与基因表达、以及Ca2+-ATP酶活性与其基因时空表达的影响，并比较研究施加CaM抑制剂后植物体内蛋白质表达对低剂量和高剂量稀土响应的差异，从Ca2+信号传导角度深入研究稀土的Hormesis效应机理，以期为稀土生物效应的多样性研究做有益的探索，为稀土农用的健康发展提供新的理论参考。

稀土农用虽能增产，但其环境污染问题也十分严重。本项目以农用稀土中的主要成分硝酸铈和硝酸镧为细胞外调控因子，从细胞、亚细胞及分子水平等不同层次，系统的研究了稀土对植物的Hormesis效应及其与钙离子信号传导之间的关系。结果表明：稀土主要分布于质外体，在高浓度长时间处理下，稀土也可穿过质膜进入细胞内部，并在细胞内累积。稀土对植物生长发育及抗氧化酶系统的影响均具有显著的“低促高抑”的Hormesis效应。低浓度稀土促进了钙的转运，而稀土浓度较高时却表现出强烈的抑制作用。低浓度稀土对细胞内游离Ca2+浓度基本无影响，稀土浓度较高时导致Ca2+浓度下降，而稀土浓度过高时则诱导Ca2+呈震荡变化；稀土可通过CaM、细胞膜和细胞器上的钙离子通道调控细胞内的Ca2+信号。不同剂量的稀土对植物蛋白表达、CaM含量和基因表达、以及Ca2+-ATP酶活性及其基因时空表达的调控均存在显著差异。上述结果表明，稀土对植物的Hormesis效应与细胞内Ca2+信号对不同剂量稀土响应的差异具有密切的关系，这提示Ca2+信号在稀土对植物“低促高抑”的调控中起着重要作用。我们通过本项目的研究进一步从Ca2+信号传导角度探讨了稀土的Hormesis效应机理，丰富了稀土正负两方面效应的认识，为稀土生物效应的多样性研究做了有益的探索，为稀土农用的健康发展提供了新的理论参考。