氧化铈纳米颗粒调控钠钾稳态提高耐盐性的机理研究

Giving the fact of soil salinization and competition between cereal corps and cotton for cultivation land, improving cotton salinity stress tolerance is a way to avoid the decrease of cotton cultivation area and its yield. Recently, we found that through effective scavenging of over-accumulated reactive oxygen species, cerium oxide nanoparticles (nanoceria) improved mesophyll K+ retention and enhanced salinity stress tolerance in Arabidopsis. However, the effect of nanoceria on the maintenance of cytosolic Na+ and K+ homeostasis, especially its effect on the regulation of Na+ exclusion and vacuolar Na+ sequestration, is still unknown. Herein, by combining the techniques of plant nanobiotechnology, plant electrophysiology, molecular biology, pharmacology and also confocal laser microscope, we plan to investigate the main species of the scavenged ROS by nanoceria, and to dissect how nanoceria regulate Na+ and K+ transporters and channels to meditate Na+ exclusion, vacuolar Na+ sequestration and K+ retention to maintain cytosolic Na+ and K+ homeostasis and thus to improve salinity stress tolerance in cotton. The outcome from this project will benefit the better understanding of the biological effect of nanoceria in plants, especially the important fiber crop, cotton. It also provides an alternative approach of applying nanoceria to facilitate the cultivation of cotton in saline soil.

在土壤盐碱化及粮棉争地背景下，提高棉花耐盐性是稳定其种植面积及产量的一个重要手段。近期申请人发现，氧化铈纳米颗粒（nanoceria）通过清除过量累积的活性氧促进了拟南芥胞质K+滞留并提高了耐盐性。然而nanoceria对Na+外排和Na+液泡存储的调控、及维持胞质钠钾稳态的机制目前仍不清楚。结合植物纳米生物学、电生理学、分子生物学等手段，本项目将：1）明确盐胁迫下nanoceria在棉花中清除的主要活性氧种类；2）从离子跨膜动态及亚细胞分布角度探查nanoceria如何通过调控Na+外排、Na+液泡存储及K+滞留来维持胞质钠钾稳态，并分析其在不同盐耐受性棉花中的异同；3）通过药理学试验及VIGS基因沉默技术进一步明确nanoceria清除活性氧后调控的钠钾通道及转运蛋白类型。本项目研究结果不仅可解析nanoceria提高棉花耐盐性的机理，而且可为促进我国盐碱地棉花发展提供技术储备。

在土壤盐碱化及粮棉争地背景下，提高棉花耐盐性是稳定其种植面积及产量的一个重要手段。本项目中，我们首先合成了环境友好型的带负电具有低表面Ce3+/Ce4+比率的聚丙烯酸修饰的氧化铈纳米颗粒，并研究了其在棉花叶肉细胞中的亚细胞分布情况，其与叶绿体的共定位率约为53%。同时，我们也研究了盐胁迫下氧化铈纳米颗粒主要清除的棉花叶肉细胞累积的活性氧种类及水平，明确了氧化铈纳米颗粒清除过氧化氢和超氧阴离子提高盐胁迫下棉花活性氧稳态从而提高其耐盐能力的机制。我们的实验结果表明，200 mM NaCl盐胁迫下，氧化铈纳米颗粒处理组的棉花植株的第一、第二片真叶的活性氧稳态维持能力明显强于对照组。具体表现为盐胁迫下，氧化铈纳米颗粒处理组第一、第二片真叶的过氧化氢含量、超氧阴离子含量和MDA含量显著低于无纳米颗粒处理组；而其抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性则显著高于对照组。激光共聚焦荧光显微技术也表明，盐胁迫下，无纳米颗粒处理组第一、第二片真叶的过氧化氢含量、超氧阴离子含量显著高于氧化铈纳米颗粒处理组。其次，我们研究了盐胁迫下氧化铈纳米颗粒处理的棉花叶肉细胞钠钾离子的亚细胞分布，发现了氧化铈纳米颗粒可以提高棉花胞质钠钾稳态维持能力。具体而言，其主要是通过上调GhHKT1基因表达来提高地上部Na+外排以及下调GhKOR基因表达来提高K+滞留能力，而不是液泡钠离子存储来维持钠钾稳态。此外，我们还明确了10 nm大小、带负电的低Ce3+/Ce4+比率的氧化铈纳米颗粒可以上调Cu-Zn SOD 活性以及脂氧合酶酶活来缓解细胞膜氧化损伤，从而提高油菜耐盐性。并明确了氧化铈纳米颗粒种子引发上调了α淀粉酶活性，提高了活性氧清除能力，维持了幼苗的钾钠比，提高了油菜耐盐性。我们的上述研究结果表明，氧化铈纳米颗粒具备良好的提高棉花、油菜等作物耐盐能力的潜力，在农业生产上尤其是扩大作物的盐碱地种植等方面有一定的应用前景。