中关村NMT联盟“一带一路”全国测试服务网络测试服务信息

4月8日,某研究所将NMT技术应用于钙信号研究,测试样品为小麦,测试指标为Ca2+,在旭月研究院完成实验。| 5月9号,某研究院将NMT技术应用于逆境生理领域,测试样品为黄瓜幼苗,测试指标为NO3-、NH4+,在旭月研究院完成实验。| 6月2号,某研究院将NMT技术应用于逆境胁迫领域,测试样品为棉花苗,测试指标为Ca2+、H+、K+、Na+、IAA,在旭月研究院完成实验。| 6月5号,某研究院将NMT技术应用于植物逆境领域,测试样品为苜蓿,测试指标为K+,在旭月研究院完成实验。| 6月9号,某研究所将NMT技术应用于水稻逆境领域,测试样品为水稻,测试指标为Na+、Ca2+,在中国科学院植物研究所完成实验。| 6月11号,某研究院将NMT技术应用于植物抗逆领域,测试样品为酵母细胞,测试指标为IAA,在旭月研究院完成实验。| 6月16号,某高校将NMT技术应用于昆虫研究,测试样品为昆虫,测试指标为Ca2+、K+,在旭月研究院完成实验。| 6月19号,某研究院将NMT技术应用于植物抗逆领域,测试样品为拟南芥,测试指标为Ca2+,在旭月研究院完成实验。|

【成果回顾】NP华农:NMT发现Si处理致水稻吸Cd2+↓ 为证明Si通过与细胞壁结合形成硅-壁-镉共络合助水稻Cd解毒提供依据

 

 

 

 

 

 

基本信息

主题:NMT发现Si处理致水稻吸Cd2+↓ 为证明Si通过与细胞壁结合形成硅-壁-镉共络合助水稻Cd解毒提供依据

期刊:New Phytologist

影响因子:10.151

研究使用平台:NMT重金属创新平台

标题:Inhibition of cadmium ion uptake in rice (Oryza sativa) cells by a wall-bound form of silicon

作者:华中农业大学王荔军、张文君、刘建、马捷、贺从武

 

检测离子/分子指标

Cd2+、细胞表面电位差

 

检测样品

水稻根(距离根尖0、200、400、600、800、2000μm根表上的点)、悬浮细胞

 

中文摘要

  • 硅(Si)缓解了作用于植物的各种胁迫,包括生物胁迫和非生物胁迫,如重金属毒性。然而,Si在单细胞水平上缓解胁迫的机制尚不清楚。

  • 研究人员培养了水稻(Oryza sativa)悬浮细胞和原生质体,采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、非损伤微测技术(NMT)和X射线光电子能谱(XPS)等植物营养和物理技术相结合的方法对其进行了研究。

  • 研究发现,大多数硅在细胞壁中以壁结合的有机硅化合物的形式积累。在培养基中添加适量的Cd,可使硅富集(+Si)细胞原生质体中总Cd浓度显著低于硅限制(-Si)细胞。原位测定Cd2+和/或Si处理后水稻悬浮细胞和根细胞中Cd2+的细胞流速发现,与Si细胞相比,+Si细胞Cd2+的净内流速率受到显著抑制。此外,+Si细胞壁内的净负电荷(电荷密度)可被测试液中增加的Cd2+浓度所中和。

  • Si和Cd通过[Si-wall模型] Cd共络合在细胞壁中共沉积的机制可以解释Cd2+吸收的抑制,并可能为水稻体内Cd的解毒提供可能的解释。

 

 

离子/分子流实验处理方法

 一个月的水稻幼苗,0/1 mM硅酸处理2个月(由固体培养基转至液体培养基后)

 30 μM CdCl2处理30 min

 

离子/分子流实验结果

      为了研究Si对水稻悬浮细胞Cd2+流速的影响,研究用NMT检测了水稻细胞Cd2+净流速。用30 μM Cd2+处理后,在含有/不含有1 mM硅酸培养液中,立刻检测培养2个月的悬浮细胞,净Cd2+内流平均速率为1.39和0.76 pmol cm-2s-1(图1)。

 

图1. 1mM硅酸处理对水稻悬浮细胞的Cd2+流速的影响。(黑线:-Si+Cd;红线:+Si+Cd)正值代表离子外排,负值代表离子吸收。

 

      同时,在30 μM Cd2+处理30-60 min后,沿根轴从不同区域(包括根尖和根毛区)(以大约0.2 mm为增量)测量Cd2+流速(图2)。在没有Si处理的情况下,距离根尖0-800 μm位点的响应远大于根毛区(距离根尖2000 μm),即原位测量的Cd2+内流速率约为70 pmol cm-2s-1,大约是根毛区的7倍。相比之下,在Si处理的条件下,没有观察到显著的Cd2+内流,在距离根尖600-800 μm的区域,Cd2+吸收略高(约为20 pmol cm-2s-1)。

 

图2. 水稻根细胞的Cd2+流速正值代表离子外排,负值代表离子吸收。

 

      为了了解Si的胞壁结合形式是如何参与Cd解毒的,研究用NMT检测了不同Cd浓度(5、10或30 μM)处理后细胞表面电位的变化(图3)。研究观察到-Si/+Si悬浮培养细胞的细胞壁表面之间存在-0.39 mV的电位差,导致在+Si细胞壁内产生净负电荷。然而,与-Si细胞壁表面相比,随着测试液中Cd浓度的增加,+Si细胞壁表面的电位差(Va-Vs)显著降低,而Ca2+的存在对电位差没有明显的影响,无论细胞壁中是否存在Si。这些结果表明,Si修饰的胞壁基质可能与Cd2+相互作用/螯合(而不是Ca2+),从而阻止Cd2+进一步被细胞吸收。

 

图3. 细胞表面电位差

 

其他实验结果

  • 为了研究Si和Cd吸收后的亚细胞分布,研究从悬浮细胞中培养了原生质体,并分别测定了细胞和原生质体中的总Si和Cd浓度。1.0 mM Si处理后,细胞的Si浓度为108.0 ± 24.0 mg kg-1细胞干重,而没有Si处理时,细胞中硅含量为11.0±5.0 mg kg-1;相比之下,在1.0 mM Si处理/未处理的悬浮细胞的原生质体中,平均Si浓度分别为1.8 ± 1.0和0.7±0.4mg kg-1,表明悬浮细胞中的大部分硅聚集在细胞壁中;在不含Si的培养基中,5、30或60 μM Cd处理后,细胞总Cd浓度分别增加到11.4±0.2、46.9±5.5和101.0±8.0 μg g-1 干重;相比之下,培养基中Si的存在并不胞对Cd的吸收;相比于对照处理,Si处理使得原生质体中的Cd浓度显著降低。

  • 当培养基中Cd浓度较低(5.0 μM)时,未经修饰的细胞壁能够抑制细胞对大部分Cd离子的吸收;然而,当培养基中的Cd浓度升高到60 μM时,无论细胞壁中是否存在Si,原生质体/细胞中的总Cd浓度都没有显著差异,这可能表明,在含有/不含有Si的细胞壁中,Cd的结合和吸收位点达到完全饱和,超出了细胞壁对细胞对Cd吸收的影响能力;此外,在60 μM Cd条件下,Si处理导致细胞的总Cd浓度略高于Si未处理细胞,表明Si未处理的细胞更有可能在高浓度Cd条件下死亡,从而减少Cd进入细胞,或者不含有Si的细胞壁可能失去了防止含有相对较高Cd浓度细胞质的泄露,或两者可能性兼有。

  • 为了了解细胞壁中的硅如何帮助细胞承受重金属的压力,使用XPS研究了细胞壁中形成的含Si成分和结构。在1.0 mM硅酸作用下培养的分离壁和悬浮细胞的Si2p核层XPS谱在101.3±0.1 eV处有明显的峰值;然而,对于水培水稻植株(根中为225-389mg kg-1Si),根部Si2p峰被分解为两个组分,分别为大约101.3 eV和102.1 eV。

 

结论

     本研究表明,当悬浮培养的水稻细胞单独暴露于Cd时,它们在细胞壁中带有净负电荷的硅的胞壁结合部分积累了Cd,这可能是Cd的天然配体,将它们牢固地结合在壁基质上。这些结果表明,可能存在一种共络合机制,导致水稻体内Cd的解毒。

 

测试液

0.03 mM CdCl2, 0.1 mM KCl, 0.05 mM CaCl2, 0.05 mM MgCl2, 0.5 mM NaCl, 0.1 mM Na2SO4, 0.3 mM MES, 0.1% sucrose, pH5.7

 

NMT仪器信息

·活体培养环境监测仪

·智能自动化非损伤微测系统

 

 

 

原文链接:https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.12494

供稿:赵雪琦,刘蕴琦
编辑:刘兆义

 

关键镉(Cd);细胞壁;有机硅;水稻(Oryza sativa);硅(Si);硅-壁-镉络合