细胞壁纤维素合成及沉积调控拟南芥对CuO NPs抗性的机制研究

• 作 者: 杨珺
• 出 处: 陕西科技大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: CuO NPs 细胞壁 纤维素 拟南芥

目前,关于纳米颗粒（Nanoparticles,NPs）的植物毒理学研究取得了较大进展。有关CuO NPs对拟南芥、黄瓜、玉米和凤眼莲等的影响已有报道,包括对植株个体发育、抗氧化系统及基因水平的毒性效应。然而,CuO NPs对植物细胞壁发育影响的分子机制及细胞壁响应CuO NPs胁迫的抗性机制仍不清楚,本研究以拟南芥（Arabidopsis thaliana）为研究材料,针对毒性机制和抗性机制这两方面进行了深入探讨。毒性机制方面,从细胞壁各组分合成,到纤维素合酶复合物的运动、纤维素沉积与排列,具体阐述了CuO NPs对植物细胞壁发育影响的分子机制;抗性机制方面,对细胞壁富集机制进行了深入研究,包括CuO NPs的亚细胞分布和细胞壁各多糖组分及其官能团对CuO NPs的螯合,重点讨论了细胞壁骨架组分纤维素在植物富集CuO NPs时的关键作用。主要研究结论如下:（1）CuO NPs影响拟南芥细胞壁发育的分子机制。CuO NPs能直接进入拟南芥根尖表皮细胞,使微管的线性排列受损,纤维素合酶复合物（CSCs）原有的双向线性运动受到影响,细胞壁骨架成分纤维素的合成受阻,导致纤维素含量降低、排列紊乱;对根系形态的影响表现为根尖分生区表皮细胞膨大,伸长受到抑制,最终导致拟南芥幼苗根系生长异常;通过CuO NPs上清液（CuO Sup）的对照试验发现根系毒性效应来源于CuO NPs本身,而不是CuO NPs溶液中释放的Cu²⁺。（2）拟南芥细胞壁对CuO NPs的富集。在CuO NPs胁迫下,细胞壁对CuO NPs起着一定的阻隔作用,大约64.2%CuO NPs被固定在细胞壁上,其中44.6%、36.4%、18.9%分别与果胶、半纤维素及纤维素结合。对CuO NPs起着固定作用的主要是多糖上的负电基团,如–OH和–COO^–,此外,–C–O、═C–H和C–C也参与CuO NPs的结合。细胞壁通过这种螯合作用将大部分CuO NPs富集在细胞壁中,从而降低了CuO NPs对植物的毒性。（3）细胞壁骨架组分纤维素在植物富集CuO NPs过程中的关键作用。拟南芥纤维素缺陷突变体幼苗je5和盐胁迫下的纤维素缺陷突变体cc1/cc2（cc1/cc2-NaCl）的细胞壁中纤维素含量显著低于野生型WT,且排列紊乱,因此导致其细胞壁对CuO NPs的阻隔能力减弱,更多的CuO NPs进入细胞内,对幼苗的毒性效应更加显著。因此,纤维素在植物抵抗CuO NPs胁迫时起着重要作用,其结构和功能的完整性是细胞壁正常富集CuO NPs,并降低其毒性的基础。