非损伤微测技术结合膜片钳研究Kbg和Kv1.3通道调节的Jurkat T淋巴细胞凋亡早期的K⁺外流

图注：实时监测凋亡的Jurkat细胞的K+流。正值是外流。A.1μM STS处理20min后的Jurkat细胞；B.实时监测STS处理后的K+流；C.anti-CD95细胞平均的K+流随着时间的变化。

细胞凋亡是细胞的一种基本生物学现象，在生物进化、内环境的稳定以及多个系统的发育过程中具有重要作用。K⁺是细胞内主要的阳离子，在细胞凋亡过程中会发生K⁺外流，阻止K⁺的流失能够有效抑制细胞凋亡的发展。

2009年，墨西哥和澳大利亚的科学家使用“非损伤微测技术”和膜片钳研究了细胞凋亡，发现1μM STS（十字孢碱）会快速引起K⁺外流，大约15min达到峰值，随后减弱。同时记录到Kbg通道的电流增加，伴随着膜去极化的急剧下降。Kv1.3的电流不受STS影响，但是这种非激活的通道转换成了更多的正电势。Kbg和Kv1.3通道对STS诱导的K⁺外流的贡献有先后时序关系，bupivacaine（丁哌卡因）主要抑制Kbg电流，margatoxin（玛格毒素）是Kv1.3特异的抑制剂。

通道调节K⁺外流引起了细胞的收缩，激活了半胱氨酸蛋白酶（凋亡蛋白酶），使细胞从正常的生理状态转变到凋亡生理状态，再到非生理状态。细胞内的环境发生快速的改变，如细胞大小、膜电势、pH和Ca²⁺浓度也会发生变化，在细胞环境的变化中K⁺的调节机制至关重要。Kbg通道调节早期的K⁺外流，Kv1.3通道在后期起到主要作用，K⁺外流被抑制后则完全停止，半胱氨酸蛋白酶-3的活性也发生了变化。这一研究为认识细胞凋亡的内在机制提供了新的证据，这种实时和便于操作的研究手段有望在临床等实际应用领域诊断或检测凋亡细胞。

关键词：staurosporine（STS，十字孢碱），Jurkat cells（T细胞），Kbg和Kv1.3通道

参考文献：Valencia-Cruz G, et al. Am J Physiol Cell Physiol, 2009, 297: C1544–C1553

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相容性溶质累积及胁迫缓解物质在大麦耐盐性基因型对比研究中的作用

图注：不同品种大麦根在NaCl、甘氨酸甜菜碱和脯氨酸的处理下K+流的大小。负值为外流。

盐胁迫是主要的非生物胁迫因素之一，影响全球农业的生产力。高盐条件下细胞受到渗透胁迫和离子胁迫。相容性溶质累积一般被认为是植物在非生物胁迫（如盐胁迫、氧胁迫）下采取的保护行为。植物体内通过富集甘氨酸甜菜碱、脯氨酸和多羟基化合物来应对高盐环境。这种相容性溶质及时通过高效地减少K⁺的流失来抵抗盐胁迫和氧胁迫。

盐胁迫下大麦根出现大量的K⁺外流，即NaCl诱导下的K⁺外流，这和大麦的抗盐能力强弱密切相关。本研究采用“非损伤微测技术”检测了四种不同品种的大麦在盐胁迫下K⁺流的变化情况。结果显示，ROS处理后对耐盐性高和盐敏感的大麦根K⁺的流动情况影响不同，甘氨酸甜菜碱和脯氨酸能够缓解NaCl诱导下的K⁺外流。

通过非损伤微测技术的研究，直接证明了盐胁迫下植物细胞的离子动态平衡使植物根保持更多的K⁺，这是抵抗盐害的关键，添加外源性的相容性溶质可减缓NaCl或ROS诱导的K⁺的流失。这一研究结果可以应用在如何避免植物的盐害中。

关键词：甘氨酸甜菜碱（Glycine betaine）；钾离子流（potassium flux）；脯氨酸（proline）；活性氧类（reactive oxygen species）；盐（salinity）

参考文献：Zhonghua Chen, et al. Journal of Experimental Botany, 2007, 58: 4245-4255

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盐胁迫和细胞程序性死亡（PCD）：离子特异信号的机制

图注：植物PCD过程中的离子特异信号转导模型。

程序性细胞死亡（PCD）对细胞分化和组织的自我稳定非常重要，PCD能够调节植物对环境的适应性。最近，植物对各种非生物胁迫的反应中被证实有PCD发生，例如盐胁迫、冷胁迫、水淹和缺氧。Affemzeller等人报道了盐诱导的PCD，离子效应激活核酸内切酶导致PCD。

在盐胁迫下，使用非损伤微测技术结合荧光染色技术测定细胞的K⁺和Na⁺以及Ca²⁺流，则可以建立下图的模型。Na⁺通过NSCC进入细胞，引起了膜去极化和K⁺外流。这时，细胞质中的[Ca²⁺]增加，导致ROS水平上升，细胞质内的Ca²⁺通过正反馈机制激活NADPH氧化酶。

这将引起通过ROS激活的NSCC通道的K⁺外流，减少了胞内的K⁺，激活了半胱氨酸水解酶导致PCD。用山梨醇处理细胞后发现细胞质内的K⁺没有下降，细胞膜的去极化被Zn²⁺或者La³⁺阻止。

NaCl诱导的PCD在缺乏KOR通道的植物中不存在（例如Arabidopsis gork突变体），PCD在盐处理细胞中被内源（例如抗氧化酶）或者外源（例如二苯基碘，甘露醇等ROS清除剂）物质抑制，植物维持负膜电位（例如更高的H⁺-ATPase活性）而容易发生NaCl诱导的PCD。这些模型为盐胁迫下PCD的预测提供了一个非常重要的选择，能够清晰地认识到盐诱导PCD的过程。

关键词：NSCC, non-selective cation channel，非选择性阳离子通道；PCD, programmed

cell death，细胞程序性死亡

参考文献：Sergey Shabala. Journal of Experimental Botany, 2009, 60: 709-712

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通过离子流证实系统素对番茄cu3突变体仍然起作用

图注：系统素对番茄野生型和cu3突变体叶片组织H+和K+离子流的作用。正值为内流，负值为外流。

为防止被食草动物啮食，植物进化出一套严密的防御机制，这种防御系统的诱导与茉莉酸（JA）或它的衍生物甲基茉莉酮酸酯相关。在茄属植物中，多肽激素、系统素以及羟脯氨酸富集系统素作为信号媒介严密调控JA信号系统。前人的报道表明，控制番茄(Solanum pimpinellifolium)cu3 缺失突变体的基因与SR160/tBRI1基因相同。非损伤微测技术(The Micro-Electrode Ion Flux Estimation,MIFE）具有非损伤、高时空分辨率的特点，用来研究独立的完整植物组织的系统素诱导的离子流变化，证实系统素的作用和基因的功能。

本研究使用非损伤微测技术检测由激发子诱导的离子流变化。系统素作用于番茄（Solanum pimpinellifolium）叶片组织以后，无论是野生型还是cu3缺失突变体，H⁺内流和K⁺外流均瞬时增强，即两者无显著差异。从而证实了番茄cu3突变体仍然含有功能性的系统素受体，此受体与野生型的受体一样，并不是Cu3受体；除SR160/tBRI1之外，还有一种重要的系统素受体存在。该研究对先前Cu3蛋白同时是系统素受体的断言提出严重的质疑。

关键词：系统素(systemin), 非损伤微测技术(MIFE), 受体(receptor)

参考文献：Frank C. Lanfermeijer, et al. Plant Physiology, 2008, 146: 129-139

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