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第210期-Ann Bot:华中农大王荔军|硅提升水稻铵吸收

       研究使用设备

图注:活体生理检测仪Physiolyzer®

       2018年,华中农业大学资源与环境学院王荔军教授课题组,在Annals of Botany上发表了题为“Cell wall-bound silicon optimizes ammonium uptake and metabolism in rice cells”的研究成果。

       硅是水稻的有益营养物,水稻悬浮细胞中的细胞壁含有结合形式的硅,硅可与细胞壁结合进而提高水稻的养分吸收以及优化生长代谢,但此种作用的结构基础和生理机制在之前的研究中没有得到很好的解释。

       硅可通过提高氮利用效率增加水稻产量,并且通过刺激氨基酸再活化来改变初级代谢,还可影响与氨基酸合成和碳代谢有关的酶。

       本研究通过单细胞水平下的生物物理测量,利用基于非损伤微测技术(Non-invasive Micro-test Technology, NMT)的NMT Physiolyzer®(NMT活体生理检测仪),测定了水稻悬浮细胞NH4+、NO3- 、K+的流速。同时,利用原子力显微镜观察了细胞壁,检测了电解质渗漏和膜电位。最后,采用同位素标记相对和绝对定量技术(iTRAQ)分析了全细胞蛋白质组学。研究发现,细胞壁结合硅增强了细胞壁的刚性,从而增强了细胞膜的稳定性,优化了相同生长阶段中细胞对NH4+的营养摄取。

       本研究着重探讨了硅结合细胞壁后,对于提升单个水稻悬浮细胞氮吸收的作用,验证了不通过提升细胞膜铵转运体的方式,提升水稻氮营养吸收的新手段。

图注:水稻悬浮细胞在不同尺寸Si纳米颗粒处理后的吸Cd2+速率。负值表示吸收

       利用NMT检测了在对照(-Si)和1.0 mM 硅酸处理(+ Si)的情况下,培养3个月的水稻悬浮细胞对NH4+、NO3-、K+的吸收速率。结果显示,Si处理后,明显提升了水稻悬浮细胞对NH4+的吸收速率。

    NMT在植物营养领域的应用成果

       截至2018年6月,国内学者利用美国扬格(旭月北京)非损伤微测系统,在植物营养领域已发表SCI文章55篇,总影响因子为215.7。国内从事营养研究领域

 

注:SIET、MIFE、SVET、SPET等技术名称,已经统一为Non-invasive Micro-test Technology,中文名“非损伤微测技术”,简称NMT。

        下载全文:C2018-007

Science:谷氨酸受体样通道的胞内运输对花粉管钙流的影响

       研究使用设备

图注:活体生理检测仪Physiolyzer®

       植物虽然缺少很多在哺乳动物中调节细胞内钙离子浓度的机制,但是它们仍然利用钙离子信号来帮助完成多种生理功能,这其中仍有许多Ca2+调控机制还无法准确解释清楚。

       2018年5月4日,马里兰大学学者在Science上发表了一篇文章,题目为“CORNICHON sorting and regulation of GLR channels underlie pollen tube Ca2+ homeostasis”,主要研究花粉管Ca2+稳态的调控机制。

       研究中利用非损伤微测技术(Non-invasive Micro-test Technology, NMT),检测了野生型(Col-0)和不同种类突变体的拟南芥花粉管尖端Ca2+吸收速率。

图注:花粉管尖Ca2+流检测图

花粉管Ca2+检测视频

       结果显示,谷氨酸类受体通道(GLRs)的排布与激活与CNIH蛋白相关。花粉管表达单突变体拟南芥GLRs(AtGLRs)表现出生长、花粉管质膜Ca2+通道显示的Ca2+流速;但是,高阶突变体AtGLR3.3表现出与假设相反的现象:这些差异可以通过亚细胞AtGLR定位来解释,研究人员同样探讨了这样的排序中AtCNIHs的意义。他们发现AtGLRs与AtCNIH对的互作产生了特定的胞内定位点。在不含配体的哺乳动物细胞中,AtCNIHs进一步触发了AtGLR活性。这些数据结果共同揭示了一种机制,即AtCNIHs引发AtGLRs的排布和活性变化,从而调控Ca2+稳态。

图注:野生型及不同类型突变体拟南花粉管Ca2+流速检测。正值表示吸收

       本研究着重探讨了硅结合细胞壁后,对于提升单个水稻悬浮细胞氮吸收的作用,验证了不通过提升细胞膜铵转运体的方式,提升水稻氮营养吸收的新手段。

 

NMT花粉管研究案例

       大到植物组织,小到单细胞,非损伤凭借其可测样品尺寸广的特点,其可应用领域覆盖医学生理学、植物科学、动物科学、微生物学、环境科学等。

 

注:SIET、MIFE、SVET、SPET等技术名称,已经统一为Non-invasive Micro-test Technology,中文名“非损伤微测技术”,简称NMT。

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第209期-Environ Pollut:广东生态环境技术所李芳柏|Si颗粒促水稻细胞拒Cd

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图注:活体生理检测仪Physiolyzer®

       已有文章报道硅能够缓解水稻细胞的Cd毒性,但是硅性质的影响及其分子机制仍然不清楚。

       2017年,广东省生态环境技术研究所李芳柏课题组在Environmental Pollution上发表了题目为“Silica nanoparticles alleviate cadmium toxicity in rice cells:Mechanisms and size effects”的研究成果,探究不同尺寸的Si纳米颗粒对于缓解Cd毒性的影响。

       实验材料为水稻悬浮细胞,检测其在有无硅纳米颗粒(SiNPs)条件下的Cd毒性。不同尺寸(19nm、48nm、201nm)的SiNPs处理时,活细胞的比例大致分别提高到95.4%、78.6%和66.2%,表明Cd毒性缓解程度随着SiNPs尺寸增大而减小。形态学观察结果表明:SiNPs不存在时,胞内细胞器的完整性出现严重的结构改变与损伤,而有SiNPs的细胞即使是在高浓度Cd环境下仍然几乎保持完整。SiNPs会积聚在水稻细胞表面。通过ICP-MS检测发现,Cd优先聚集在细胞壁上。

图注:水稻悬浮细胞在不同尺寸Si纳米颗粒处理后的吸Cd2+速率。负值表示吸收

       同时,研究中还利用基于非损伤微测技术(Non-invasive Micro-test Technology, NMT)的NMT活体生理检测仪 Physiolyzer®,检测了水稻细胞的Cd2+流速,发现经过SiNPs(19nm、48nm、201nm)处理后,Cd2+吸收速率分别平均下降了15.7倍、11.1倍和4.6倍。SiNPs抑制了Cd吸收转运(OsLCT1 and OsNramp5)的基因表达、促进了Cd向液泡转运基因(OsHMA3)和Si吸收基因(OsLsi1)的表达。

       此研究表明,SiNPs存在时,水稻悬浮细胞吸收Si的能力至少提高了1.87倍,而且抑制了其Cd吸收能力,从这两方面缓解了Cd对水稻细胞的毒性。

    

       截止2018年5月份,国内学者发表的NMT相关SCI文章共216篇,总影响因子为846.033

 

注:SIET、MIFE、SVET、SPET等技术名称,已经统一为Non-invasive Micro-test Technology,中文名“非损伤微测技术”,简称NMT。

        下载全文:C2017-034

第208期-Environ Pollut:华南理工尹华|白腐真菌在铬胁迫下的K+失衡

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图注:活体生理检测仪Physiolyzer®

       细胞凋亡时胞内K+外排是大家公认的观点。利用非损伤微测技术(NMT)测定到Cr(Ⅵ)胁迫时K+外排增加,证实了Cr(Ⅵ)确实会诱导细胞凋亡。

       白腐真菌可作为去除重金属的一种潜在的方法,因此了解其对于重金属的毒性反应利于开发和推广基于真菌的修复技术,以此减少重金属的毒害。

       2017年5月,华南理工大学尹华教授在Environmental Pollution上发表了“Hexavalent chromium induced oxidative stress and apoptosis in Pycnoporus sanguineus”的研究成果。封觅为本文第一作者。

       尹教授课题组以白腐真菌活体P. sanguineus为研究对象,利用基于非损伤微测技术(Non-invasive Micro-test Technology, NMT)的NMT Physiolyzer®(NMT活体生理检测仪),检测了活体真菌在Cr(Ⅵ)胁迫下的K+流变化,探讨Cr(Ⅵ)诱导的氧化应激和细胞凋亡反应。

图注:P. sanguineus K+检测图

       结果显示:Cr(Ⅵ)胁迫促进了K+从细胞内外排到胞外环境的过程,而且当Cr(Ⅵ)浓度超过20 mg/L后,K+外排速率明显增加。细胞凋亡时胞内K+外排是大家公认的观点,由于胞内K+减少,激活了半胱天冬酶和核酸酶,促进了细胞凋亡过程。利用非损伤微测技术(NMT)测定到Cr(Ⅵ)胁迫时K+外排增加,证实了Cr(Ⅵ)确实会诱导P. sanguineus发生细胞凋亡。而且,课题组前期研究已证实:Cr(Ⅵ)胁迫时K+外排可能与Na+-K+ ATPase收到抑制相关。

图注:不同浓度铬(Ⅵ)胁迫下白腐真菌K+流检测

       另外,研究中还发现高浓度的Cr(Ⅵ)促进了活性氧自由基(ROS)的产生,包括H2O2、O2等。随着Cr(Ⅵ)浓度增加,SOD和CAT活性随GSH含量增加而提高,24h后下降,MDA含量明显升高。Cr(Ⅵ)浓度超过20 mg/L后,活体真菌所受的氧化损伤进一步加重,加速细胞凋亡进程。

       非损伤微测技术(NMT)已成为活体功能研究必备的技术手段,在重金属胁迫领域发挥着无法替代的优势。因其操作简便、不损伤活体样品、实时等特点,受到广大科研学者的青睐。

       目前,NMT可检测的指标多达12种,除了上述的K+,还包括Ca2+、Na+、H+、Cl-、Mg2+、NH4+、NO3-、H2O2、O2、IAA、Cd2+。除此之外,Pb2+、Cu2+等即将实现商业化检测。NMT可检测的样品不仅包括微生物,还有植物、动物等组织、细胞,藻细胞,金属、泥沙等均可实现检测。

     

       截止2018年5月份,国内学者发表的NMT相关SCI文章共216篇,总影响因子为846.033

 

注:SIET、MIFE、SVET、SPET等技术名称,已经统一为Non-invasive Micro-test Technology,中文名“非损伤微测技术”,简称NMT。

        下载全文:C2017-033

第207期-Plos Pathog:农科院宁约瑟中农王毅|NMT验证稻瘟病菌利用K通道抑制先天免疫

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图注:活体生理检测仪Physiolyzer®

       钾(K+)是植物生长发育必需的元素,在病原体免疫方面也发挥着作用。但是,病原体是否通过调节宿主K+通道而增强毒性并且破坏宿主免疫还不清楚。

       2018年1月,中国农科院植保所的宁约瑟、王国梁与中国农业大学的王毅,双方合作在植物保护领域的专业期刊PLoS Pathogens上发表了题为“The fungal pathogen Magnaporthe oryzae suppresses innate immunity by modulating a host potassium channel”的研究成果。农科院植保所史学涛和中农龙雨同为本文第一作者。

图注:水稻活体根部K+流检测图。

       课题组以水稻幼苗为研究对象,发现了稻瘟病菌M. oryzae通过K+通道破坏免疫的效应蛋白AvrPiz-t。它与水稻质膜K+通道蛋白OsAKT1发生互作,专门抑制OsAKT1介导的K+流。为研究稻瘟病抗性与外部K+变化的直接关系,课题组利用基于非损伤微测技术(Non-invasiveMicro-test Technology, NMT)的旭月NMT逆境研究工作站,检测了野生型及AvrPiz-t转基因型水稻活体根的分生区的K+流变化过程。

水稻活体根部K+流结果。

       结果显示:相对于野生型,转基因型水稻的K+吸收速率在外部K+浓度为0.1mM时明显降低;但在1.0mM时,无明显差异。且流速测定与K+含量测定的结果一致。这些数据表明:AvrPiz-t会部分抑制水稻中K+的吸收。

       这项研究成果展现了一种新的机制:病原体通过调节宿主的K+通道抑制宿主免疫反应,为病原介导的植物营养途径的扰动,其分子机制提供了新的认识。

       这是非损伤微测技术(NMT)在植物保护领域发表的第一篇高水平的文章,其中结合K+流速与含量的结果,证明K+吸收与免疫有关。

     

       截止2018年5月份,国内学者发表的NMT相关SCI文章共216篇,总影响因子为846.033

 

注:SIET、MIFE、SVET、SPET等技术名称,已经统一为Non-invasive Micro-test Technology,中文名“非损伤微测技术”,简称NMT。

        下载全文:C2017-033