硅提高植物抵抗环境胁迫的细胞结构基础

大量的植株和器官水平上的研究表明: 硅可赋予植物许多特殊的功能, 尤其是能显著地提高植物的抗逆能力, 但相应的细胞结构和硅化学机制仍不清楚。本项目将利用水稻悬浮细胞, 结合细胞壁组分/结构和细胞表面物理/化学特性的分析, 从细胞层次上探索硅提高植物抗逆性的化学机制。具体体现这一学科交叉的新思路是借助高敏感液态和固态29Si核磁和FTIR/Raman技术检测并分析硅在水稻悬浮细胞壁表面上交联细胞壁多糖的可能化学复合结构; 利用原位原子力显微镜(in situ AFM)在不同环境胁迫下观测硅对细胞壁结构稳定性的影响。此外, 借助非损伤离子选择性微电极技术,精确监测逆境条件下,硅参与时活细胞表面相关离子流的动力学变化。通过对硅参与/交联细胞壁组分以稳定单细胞的系统研究, 为理解硅提高复杂多细胞植物抗逆能力的机制奠定理论基础, 同时也为其他参与细胞壁组分的无机矿质元素如B和Ca的相关研究提供线索。

利用水稻悬浮细胞作为研究材料，同时以其分离的细胞壁和原生质体为辅助材料，借助多种物理化学表征手段包括电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）、X射线光电子能谱仪（XPS）、原子力显微镜（AFM）并结合细胞生物学观察手段如激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）等，系统调查了水稻细胞中硅的化学存在形式及其功能，尤其是探索了硅是否跟细胞壁组分共价交联及其对细胞壁性能的影响，并进一步利用非损伤微测（NMT）、扫描电镜（SEM）和能谱（EDAX）、AFM的凯尔文探针模式（KPFM）、聚合酶链式反应（PCR）、同位素标记相对和绝对定量技术（iTRAQ）研究了细胞表面的硅对水稻细胞减缓重金属镉毒害的作用机制。获得的主要结果有：（1）水稻悬浮细胞中存在与细胞壁组分以Si-O-C或O-Si-C形式共价交联的有机硅，能在细胞膨胀和随后的分裂中改善细胞壁的稳定性，从而对维持细胞形状、活性和细胞壁的结构具有重要作用；（2）ICP-MS结合XPS深入研究表明半纤维素是硅结合的主要配体，AFM研究发现硅赋予细胞壁更加致密的纤维素微纤丝，半纤维素结合形式的硅能显著改善细胞壁的力学性能；（3）硅使得细胞壁再生更完整并促进纤维素微纤丝的自组装，这表现为再生细胞表面缺陷较少，对应AFM测得不加硅和加硅的原生质体衍生细胞的杨氏模量分别为11.76 ± 2.45和16.13 ± 2.43 GPa, 表明硅能增强细胞壁的力学性能；（4）NMT和KPFM结果显示，水稻根系和悬浮细胞的细胞壁上半纤维素结合形式的有机硅显著的改变了细胞表面电势，使细胞壁带更多的负电；（5）NMT、SEM、EDAX结合AFM发现硅修饰的细胞壁可以吸附镉离子，形成复合物共沉淀，从而显著降低细胞的镉离子内流；（6）iTRAQ研究发现100个在短期和长期镉胁迫下，受硅调控的差异表达蛋白点，结果表明在短期镉胁迫时，硅修饰的细胞壁对解镉毒起到了主要的作用，而长期镉胁迫时，加硅细胞依然能够阻止一部分的镉进入到细胞质内，并且维持着谷胱甘肽系统正常区室化隔离镉的作用。（7）在高渗胁迫下加硅细胞通过加强细胞壁而稳定了细胞膜，进而使K+、Na+和H+的离子内流增加，调节了细胞内渗透势，为缓解干旱胁迫提供了细胞结构基础。通过本项目的支持，截止到目前，共发表New Phytologist 4篇（2014 IF=7.672），累积影响因子30.688。