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水稻中纳米硅的生物矿化及硅的细胞学作用

房江育  
【摘要】:生物矿化作用(Biomineralization)即通过生物途径形成无机矿质结构的过程。大的结构有磷灰石构成的动物脊椎骨,小的则包括高等植物细胞中硅质组成的纳米颗粒等。大量研究表明,高等植物体内矿化沉积的SiO_2对植物生长发育具有有益作用,可以提高植物对不良环境的抵抗能力,对植物起支持和保护作用等。但目前国内外对Si的研究还是以阐述生理现象居多,不足以揭示其生物矿化的内在本质。借鉴硅在高等动物中的沉积,以海洋生物硅藻和海绵的生物矿化机制为指导,分析水稻中沉积Si所处的微环境及其与微环境之间的相互作用,提出假设:水稻中硅的生物矿化可能受到木质素合成或(和)特异蛋白质的诱导。从水稻植硅石的分布、形态和结构入手,综合运用植物生理学、生物化学、高分子化学、仿生学、植物营养学、植物组织培养学、纳米化学、材料科学和现代物理学等多种学科的原理和技术,将体外模拟试验与体内试验相结合,研究了水稻有机物对硅的生物矿化诱导作用、纳米结构SiO_2赋予植物的独特性状以及硅对水稻和烟草细胞的调节作用,取得如下主要结果: 1.纳米尺度的硅棒和硅球是构成水稻植硅石的结构单元,赋予水稻独特的纳米性状。用电子显微镜对亚洲栽培稻、非洲栽培稻以及13种野生稻哑铃硅体和扇形硅体的形态进行不同角度的观察,得到了较为详尽的水稻硅体三维图谱。所有植硅石皆为中空的结构,壁由二种形态硅组成,即棒状和球状硅。硅棒长短不一,硅球相互交联、融合、聚集,形成更大的硅球。哑铃硅体硅棒35×270nm;长细胞乳突硅棒55×170nm:颖果稃壳乳突硅棒45×155nm。小硅球直径约15nm。扇形硅体只有硅球,没有硅棒,最小粒子的直径约2nm。根据纳米学理论(小于100nm),硅球属零维纳米颗粒,硅棒属于一维纳米棒管。因此水稻植硅石具备纳米材料的独特性状:表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。显微红外摄谱得到植硅石在9μm处出现吸收峰,与Idso所侧介观尺寸SiO_2在8-12μm波段有较强的红外辐射结果一致:SiO_2辐射系数ε在0.80-0.90之间。根据辐射理论,辐射表面发射相同电磁辐射能通量时,辐射系数越大者,物体表面温度越低,从而为植物中硅能够在高温胁迫叶片强烈蒸腾产生生理干旱时降低叶片温度找到理论根据;此外,植硅石在190nm的紫外C区(UV-C)具有较强的吸收,颖果稃壳在280nm紫外B区(UV-B)有很强的吸收,这可能是硅减轻紫外线对植物伤害的依据。 2.过氧化物酶催化的酚类聚合反应能够诱导形成纳米结构SiO_2沉淀。在离体条件常温常压下,给硅酸溶液中加入过氧化物酶及其催化底物单体酚和过氧化氢时,立即形成纳米结构的SiO_2沉淀。该沉淀物的形态与Kr(?)ger从硅藻中分离的硅蛋白sallifins诱导形成的纳米硅球极为相似。球的直径在40-450nm之间,球与球相互交联、融合形成网络结构。硅球直径和球与球的融合程度随酚的种类、浓度、硅源种类及其浓度的不同而不同;硅的沉积量取决于硅浓度和酚浓度,具有自我反馈调节作用,即硅饱和效应和酚饱和效应,当酚的摩尔浓度接近溶液中可溶性硅的摩尔浓度(1:1)时硅沉积效应达到最大。 3.水稻木质素能够诱导硅沉积,形成木质素-硅复合纳米球。提取成熟水稻茎叶中木质素,用2%HF缓冲液除去其中的硅。在常温常压下,25mg木质素在1%碱性硼砂溶液(pH10.5)中有自沉淀发生。在它的诱导下,硅酸钠缓冲溶液(含20mmol/L Si)中的硅也一起沉淀。经测量,木质素自沉淀颗粒的平均直径为35nm,当与硅酸钠溶液混合时,直径增大至90nm。X射线能谱检测也表明沉淀物中有大量的硅存在。相比之下,溶解于二甲基亚砜中的木质素呈 降解状态而没有自沉淀,与硅酸混合时也没有硅沉淀。这反映出只有聚合态酚类如木质索可 以诱导硅的生物矿化,降解态小分子酚不能诱导硅沉淀。这一结果与酚类聚合反应诱导纳米 硅沉积的试验结果一致。 4.诱导水稻发生硅化的有机质位于植硅石表面。用HF分别处理湿灰化(强酸氧化)植硅 石和自然沉降植硅石后,提取它们当中的有机化合物,逐级进行化学反应,只有后者能够诱 导硅沉积。采用显微红外、浓硫酸共热、显微细胞化学定位以及光电子能谱等技术对它们进 行分析,发现二者的主要区别是后者的表面具有较复杂的有机组成并且蛋白质只存在于自然 沉降植硅石中,表明诱导水稻发生硅化的有机质位于植硅石表面。 5.水稻植硅石表面特异蛋白或肚一酚棍合物催化硅沉积。采用自然沉降法提取水稻植硅 石,分离其中的各类有机物,得到能够催化硅酸聚合形成5102沉淀的2组有机化合物:它们 分别是HF提取蛋白质和Na0H提取的肤与酚类混合物。由于HF提取蛋白质在提取途径、 蛋白质分子量以及对pH的反应等方面与硅藻中的sillifins都有惊人的相似之处,推测它们可 能是同源蛋白。 6.硅能够增强水稻简单薄壁细胞壁交联度。水稻悬浮细胞培养10d后测得在不加硅培养 条件下细胞壁有限孔隙为8.6n功,细胞趋于解体,加硅培养细胞壁有限孔隙缩小至6.6nm,细 胞结构完整;不加硅培养基混浊度远大于加硅培养基,在A49。处光密度前者超出后者72%; 不加硅细胞向外界基质中释放的不溶性糖壁物质也极显著地提高,比加硅培养高出56%


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