本文關(guān)鍵詞：水稻（ORYZA SATIVA）細(xì)胞壁上有機(jī)、無(wú)機(jī)硅抑制鎘離子吸收的化學(xué)機(jī)制　出處：《華中農(nóng)業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：作為一種典型的喜硅植物,水稻(Oryza sativa)中硅的含量占其干重的百分之一到百分之十。除了水稻葉細(xì)胞壁上及特化細(xì)胞內(nèi)沉積的無(wú)機(jī)二氧化硅外,初步證據(jù)已表明細(xì)胞壁上也可能存在有機(jī)硅。水稻體內(nèi)的硅能夠緩解各種生物和非生物脅迫,例如重金屬鎘的毒害,但在單細(xì)胞水平上兩種不同結(jié)構(gòu)的硅如何減輕鎘毒害的作用機(jī)制仍然不完全清楚。為了排除組織、器官和植株體系內(nèi)研究的復(fù)雜性,我們培養(yǎng)了生物遺傳背景相似的水稻懸浮單細(xì)胞,并發(fā)現(xiàn)細(xì)胞壁表面存在與半纖維素組分共價(jià)交聯(lián)的有機(jī)硅。在此基礎(chǔ)上通過仿生(仿硅藻細(xì)胞壁上有序二氧化硅形成機(jī)制)硅化,進(jìn)一步在水稻單細(xì)胞表面構(gòu)筑了無(wú)機(jī)的二氧化硅納米殼。利用以上兩種不同細(xì)胞,借助各種現(xiàn)代物理化學(xué)分析手段并結(jié)合細(xì)胞及分子生物學(xué)研究方法,分別調(diào)查了細(xì)胞壁上的有機(jī)硅和無(wú)機(jī)二氧化硅如何抑制鎘離子吸收的化學(xué)機(jī)制。同時(shí)利用最新發(fā)展的同位素標(biāo)記相對(duì)和絕對(duì)定量的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)(iTRAQ)研究了短期和長(zhǎng)期鎘脅迫下,細(xì)胞壁上的有機(jī)硅如何影響水稻單細(xì)胞蛋白的差異表達(dá),得到的主要結(jié)果如下:1、水稻細(xì)胞壁上存在[硅-半纖維素]復(fù)合物,使細(xì)胞壁帶有更多負(fù)電荷,進(jìn)而可以通過[硅-半纖維素]-鎘的共沉淀,抑制細(xì)胞對(duì)鎘離子的吸收結(jié)合電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)和X-射線光電子能譜(XPS)結(jié)果顯示64%的硅可以與水稻懸浮細(xì)胞壁上的半纖維素組分共價(jià)交聯(lián)。通過原子力顯微鏡(AFM)的凱爾文電勢(shì)(KPFM)測(cè)量發(fā)現(xiàn)[硅-半纖維素]復(fù)合物的形成使得細(xì)胞壁產(chǎn)生不均一分布的負(fù)電荷,這一凈負(fù)電會(huì)隨著鎘濃度的增加誘導(dǎo)[硅-半纖維素]-鎘的共沉淀而被中和。使用非損傷微測(cè)(NMT)技術(shù)原位測(cè)量細(xì)胞表面的鎘離子流量發(fā)現(xiàn),相對(duì)于缺硅(-Si)培養(yǎng)的細(xì)胞,加硅(+Si)細(xì)胞的鎘離子內(nèi)流更低,對(duì)應(yīng)細(xì)胞內(nèi)(通過測(cè)定原生質(zhì)體的鎘含量)的鎘濃度也顯著降低。聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)分析深入表明,細(xì)胞培養(yǎng)液中硅酸及鎘濃度增加后可提高硅轉(zhuǎn)運(yùn)子(Lsi1)的表達(dá),同時(shí)抑制鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)子Nramp5的表達(dá)。2、水稻懸浮細(xì)胞在短期和長(zhǎng)期的鎘脅迫下,誘導(dǎo)表達(dá)了100個(gè)受硅調(diào)控的蛋白,其功能分布表明存在兩種不同的硅誘導(dǎo)的脫毒機(jī)制。在短期或長(zhǎng)期鎘脅迫下iTRAQ結(jié)果表明存在100個(gè)受硅調(diào)控的差異表達(dá)蛋白,其中70%的表達(dá)為下調(diào),表明細(xì)胞壁上存在有機(jī)硅可改善細(xì)胞內(nèi)的蛋白利用效率,并可維持細(xì)胞正常的生理生化功能。結(jié)合熒光染色和ICP-MS發(fā)現(xiàn),在短期鎘脅迫下與細(xì)胞壁相關(guān)的糖苷酶、細(xì)胞表面的非特異性脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白和一些脅迫相關(guān)蛋白的表達(dá)下調(diào)。延長(zhǎng)脅迫時(shí)間后,加硅細(xì)胞除了能夠阻止一部分鎘吸收進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),還可將胞內(nèi)鎘隔離在特定的囊泡內(nèi),以維持谷胱甘肽系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。3、水稻單細(xì)胞外包裹的二氧化硅納米殼除了能提高細(xì)胞表面的力學(xué)性能外,顯著降低了細(xì)胞壁表面電勢(shì),從而通過靜電作用顯著提高細(xì)胞壁對(duì)鎘離子的吸附。借助預(yù)先吸附到帶負(fù)電的細(xì)胞壁表面上的聚乙烯亞胺(PEI),催化二氧化硅前體相正硅酸甲酯(TMOS)水解形成二氧化硅納米殼。AFM力學(xué)測(cè)量表明,二氧化硅納米殼顯著提高了細(xì)胞表面的力學(xué)強(qiáng)度。場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)和AFM-KPFM分析發(fā)現(xiàn)納米殼是由不同尺寸的二氧化硅納米粒子堆砌而成,擁有很大的比表面積,并帶更多的負(fù)電荷從而顯著吸收帶正電的鎘離子。NMT的測(cè)定深入表明細(xì)胞表面的二氧化硅納米殼對(duì)鎘離子的吸附是裸細(xì)胞的6-10倍,極顯著地抑制了細(xì)胞對(duì)鎘離子的吸收。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S511

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本文編號(hào)：1336651