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稀土La~(3+)对辣根细胞膜的影响

杨光梅  
【摘要】:稀土在各个领域的应用进入植物生态系统而影响植物的生理功能及生长,已得到科学界肯定。然而,稀土对植物生理功能影响机制依然不明,并一直是相关交叉学科探究的难点与热点问题。稀土元素在植物体内分布、作用位置、作用位点和在细胞内的化学行为研究,是探索稀土对植物生理功能影响机制的重要途径。稀土离子进入细胞需跨过细胞质膜,显而易见,细胞膜是稀土与植物发生作用的前沿。细胞可通过其表面的受体与信号分子选择性互相作用,导致细胞内很多生理生化反应发生,最终体现为细胞整体的生物学效应过程。本文以辣根为材料,以轻稀土La~(3+)为探针,综合运用流式细胞仪、免疫荧光标记、扫描电镜、透射电镜、激光共聚焦显微镜、自主搭建的全内反射显微镜(TIRM)、计算机模拟、非电活性离子检测装置以及放射自显影技术等多学科交叉先进手段,探究了稀土在辣根中的分布、作用位置和位点以及在细胞内的化学行为与方式,揭示了不同浓度稀土作用于辣根后,细胞膜的结构、性质及功能响应的微观化学过程。为从细胞及分子层次阐明稀土植物学机理及其食品安全提供了科学依据。 主要研究结果如下: 1.低浓度La~(3+)作用于辣根时研究发现:(1) La~(3+)主要分布于细胞质膜上,不进入辣根细胞内部。(2)作为路易斯酸的La~(3+),可与辣根细胞外基质和细胞外被物质分子上作为一种路易斯碱的O原子等发生配位键合,而被锚定在细胞膜上显示出纳米尺寸大小的稀土生物分子配合物,即稀土生物纳米配合物。(3)La~(3+)与细胞质膜上物质分子的配位键合作用,直接影响其分子的原有结构,并可通过细胞膜的信号转导和基因调控而影响辣根细胞组成、结构和功能。 2.高浓度La~(3+)作用于辣根时研究发现:(1)随着稀土La~(3+)作用于辣根浓度的增加,La~(3+)作用于辣根细胞的位置是由细胞外向细胞内。随La~(3+)浓度的升高,La~(3+)作用于细胞膜的位点就增加,也即La~(3+)会与膜上蛋白、膜蛋白、膜磷脂以及通道蛋白暴露于膜外部分分子上的O原子等发生配位键合,而生成众多不同纳米尺寸的稀土生物纳米配合物。(2)清晰地观察到La~(3+)以稀土生物纳米配合物形式通过胞吞作用进入细胞,即首先部分细胞膜凹陷,且包裹大量胞外La~(3+)生物纳米配合物颗粒;其后内陷部分逐渐闭合形成胞吞囊泡;然后胞吞囊泡从质膜上脱落并进入细胞内;最后胞吞囊泡在细胞质中被植物溶解酶溶解而进入细胞内各区室中。(3)部分过多结合La~(3+)的La~(3+)生物纳米配合物胞吞囊泡被植物溶解酶溶解时,导致部分胞囊泡破裂而出现异常的胞吞现象,引起许多不同尺寸的La~(3+)纳米配合物从胞吞囊泡释放到细胞质中,根据相似相容原理,在细胞质中自组装成不同直径(80nm-400nm)的La~(3+)生物纳米球。 3.低浓度La~(3+)作用于辣根的细胞学机制为:(1)La~(3+)与细胞膜上生物分子多位点作用生成稀土生物纳米配合物而活化了辣根细胞的胞吞作用,并以这种作用方式启动细胞膜的信号传递和基因表达,并会导致信号传递和基因表达所产生一系列快速响应。诸如其中,优先是信号分子Ca2+,比对照增加了20.70%,从而证明信号传导加速;大量营养元素N、K的百分含量比对照分别增加了0.50%和131.70%;微量元素Mg、Fe、Zn的百分含量比对照分别增加了47.90%,23.00%和1.10%,显示有利于膜的组成和功能的增加,进而促进辣根细胞的长大。(2)通过细胞动态显微镜观察到,这种系列响应又反过来促进了植物的胞吞和胞吐作用,而植物胞吐作用运输出来的营养物质又用来增加细胞质膜和细胞壁的组成物质、结构物质和营养物质,使得合成细胞膜和细胞壁的量增加,从而促进细胞膜的弹性增加且极大地有利于细胞的长大。 4.高浓度La~(3+)作用于辣根的细胞学机制为:(1)高浓度稀土La~(3+)作用于辣根时,La~(3+)在细胞膜上与生物分子的结合位点增多,即稀土生物纳米配合物也增多,导致很多细胞膜生物分子的微结构被改变,细胞膜分子功能被抑制。(2)高浓度稀土La~(3+)作用于辣根时,呈现La~(3+)过度活化植物细胞的胞吞作用现象,导致胞吞和胞吐时间更加缩短,即显著过度胞吞作用。这种过度胞吞作用使得进出细胞中的营养元素增加,但质膜中饱和脂肪酸含量比对照增加了20.80%,不饱和脂肪酸含量比对照降低了9.1%。证明过度胞吞作用伴随着细胞膜的损伤,进而细胞质膜弹性减弱。(3)高浓度La~(3+)处理辣根造成过度胞吞作用消耗大量的营养,从而影响物质运输。细胞的营养元素N、K、Mg、Fe、Zn的百分含量比对照组相分别降低了2.00%、45.20%、5.80%、0.63%和47.60%。过度耗能又需要大量的营养,同时细胞内营养元素减少,对辣根细胞的长大是不利的,辣根只有选择降低生物合成量来保持细胞不死亡,也即辣根通过使自身细胞不长大或缩小细胞来降低生物合成量,从而抵御高浓度La~(3+)对自身致死的伤害,即保存自我的一种保护机制的表现。(4)La~(3+)通过胞吞作用进入细胞,并出现植物细胞异常胞吞而在细胞质中自组装生成直径(80nm-400nm)的La~(3+)生物纳米球时,实验呈现出大部分的La~(3+)生物纳米球可通过胞吐作用或其它一些方式迁移到细胞膜外,并迁移至根部而进入土壤介质,从而降低细胞对稀土的蓄积,减轻稀土对细胞的伤害。(5)同时发现,少部分La~(3+)生物纳米球沉积在细胞内且不随时间而发生变化,此自组装La~(3+)生物纳米球扰乱了生物分子和植物溶解酶的识别信号,因而不能被溶解而长期累积在细胞内,即是La~(3+)在辣根细胞中的一种累积方式。(6)这种少部分大尺寸La~(3+)生物纳米球在细胞质中的沉积,导致其中生物分子的生物利用减少而抑制辣根细胞的生长;与此同时,植物细胞可利用该La~(3+)生物纳米球沉积而缓解高浓度La~(3+)对细胞膜及其细胞器的损伤,也是植物细胞缓解高浓度La~(3+)伤害植物的一种解毒机制。 5.植物细胞膜是La~(3+)作用的首要位点之一:(1)稀土La~(3+)作用于辣根时浓度由低到高,由细胞外向细胞内。 La~(3+)在辣根叶细胞中分布、作用位置位点和细胞化学行为均取决于La~(3+)浓度;而La~(3+)对辣根低促高抑的影响,取决La~(3+)作用于细胞膜时La~(3+)的分布,La~(3+)的位置和La~(3+)的位点。(2)这些作用位置和位点又直接启动细胞膜的信号传递和基因表达,并会导致信号传递和基因表达所产生一系列细胞内响应并调控了细胞膜的组成、结构和功能;La~(3+)进入细胞都要通过细胞质膜这一首道屏障,无论低、高浓度La~(3+)处理辣根,辣根细胞膜都是La~(3+)作用的首要位点之一。


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