旭月NMT简报---关键词搜索:

旭月简报(原NMT电子报)

第186期-NMT揭示磁场促进均一磷酸盐转化膜形成原因

        在镁合金上,磷酸盐转化膜是一种很有潜力替代铬酸盐转化膜的防腐蚀材料,同时金属磷酸盐不易溶解且不污染环境。但磷酸盐转化膜的缺陷——裂缝与空隙,并未有效解决。磁场在涂层形成过程中的积极作用早已被报道,因此,研究者尝试使用磁场改善磷酸盐转化膜的这一缺陷。

        北方工业大学的研究者利用扫描显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)发现,在磷酸盐转化膜形成过程中,施加垂直于镁合金表面的磁场,有利于在镁合金表面形成均一光滑的磷酸盐转化膜。利用非损伤微测技术(NMT)检测发现,镁合金表面的Mg2+分布较为一致,这可能是均一光滑的磷酸盐转化膜形成的原因之一。此外,磁场能够促使镁合金表面产生氢气泡,并且加速磷酸盐转化膜的吸附过程。

        尽管NMT起源于生物医学,但因为金属腐蚀研究中所用的材料与生物材料相比,制备和操作相对简便和容易,加之全自动化测量,可以预期,NMT在金属腐蚀研究中的应用将有非常广阔的发展空间。NMT可以在pico mol/L级别测定离子分子运动速率,比传统技术提高了6个数量级。如何利用NMT技术的优势,通过离子分子的运动速率或运动方向信息表征金属材料腐蚀过程,是一个非常值得关注的前沿领域。

 

 

        图注:无磁场(左)和施加磁场(右)情况下,Mg2+在镁合金表面的分布(pMg)

        下载全文:C2013-016

第185期-过多施用氮肥或导致镉大米的出现

        2015年年底,浙江理工大学熊杰副研究院与中国水稻所陶龙兴研究院合作,在Environmental and Experimental Botany(2016, 122: 141-149)上发文阐述了高NO3-环境导致水稻植株Cd积累上升的机理。研究使用旭月非损伤微测技术(Non-invasive Micro-test Technology,NMT),检测了水稻根部Cd2+吸收量的动态变化。

        农业生产中,常使用高浓度硝态氮提升水稻产量,但高浓度硝态氮对水稻Cd富集的影响知之甚少。研究观察了水稻在0、1倍浓度、2倍浓度NO3-溶液中,水稻植株内NO3-、Cd、Fe的含量变化,Cd2+吸收量的动态变化以及Fe/Cd转运体的相对表达量。

        30 μM Cd2+环境下,水稻根部分生区(距根尖200 μm)、成熟区(距根尖500 μm)对Cd2+的实时吸收量。结果显示,随着培养环境中NO3-浓度的升高,伸长区吸收Cd2+的速率也相应增加。表明施用过多的硝态氮会提升水稻对Cd的吸收、积累,但水稻Cd中毒现象没有加重。结合基因表达结果发现,高浓度硝态氮通过提升OsIRT1的表达从而使得水稻Cd吸收的增加。

 

 

        图注:0、2.86、5.72(mM)NO3-条件下,水稻根部伸长区的Cd2+吸收速率。负值表示吸收。

        上述结果提示我们,过度的使用硝态氮化肥,除了增加环境负担外,还可能导致水稻籽粒Cd积累的增加,引发粮食安全问题。

        下载全文:C2016-011

第183期-硼影响花粉管生长的机制

        2016年2月,北京农学院植物科学技术学院秦岭课题组,在PLoS ONE(IF 3.057)与frontiers in Plant Science(IF 4.495)上连续发表硼调控苹果花粉管生长的研究成果。系统地研究了硼缺乏与硼过量对花粉管生长的具体影响及机制。

        苯硼酸(Phenylboronic acid,PBA)可以作为拮抗剂研究硼在植物生长过程中起到的作用,研究使用苯硼酸处理花粉管,模拟缺硼状态。不论是PBA还是高浓度硼处理,都会抑制花粉管的萌发及生长,造成形态异常。正常情况下,花粉管内会形成均匀的Ca2+浓度梯度,维持其生长。利用激光共聚焦显微镜,发现PBA引起花粉管尖端Ca2+浓度异常升高,相反地,高浓度硼引起Ca2+浓度降低。但两者无一例外地都破坏了胞内的Ca2+浓度梯度。通过非损伤微测技术(NMT)检测花粉管尖端Ca2+在胞内外间的流动发现,PBA及高浓度硼处理后,胞外Ca2+流入花粉管尖端的量(流速)明显增大。

 

 

        图注:高浓度硼与正常浓度硼处理苹果花粉管后,胞内Ca2+浓度及胞内外Ca2+的流动(流速)情况。负值表示吸收。

        此外,通过免疫沉淀、荧光染色、傅立叶变换红外等技术,发现PBA及高浓度硼影响花粉管内胼胝质、酯化果胶、去酯化果胶及阿拉伯半乳糖蛋白的含量及分布。

        在这一研究中,研究者结合了非损伤微测技术与激光共聚焦技术,实现了对花粉管胞内外Ca2+浓度及流速的同时检测,清晰地描绘出Ca2+通过内外流动导致胞内Ca2+浓度变化,从而调节胞内Ca2+浓度梯度,进而影响花粉管的萌发与生长。两项研究成果共同说明了硼参与调节花粉管内Ca2+浓度、肌动蛋白细胞骨架的形成,以及细胞壁成分的合成与组装等,在花粉管萌发生长过程中的作用举足轻重。

        下载全文:C2016-008

第181期-NMT证据:营养动态吸收与呼吸作用关系

        深秋夜晚变暖是否能够提升针叶树的光合速率?研究者以云杉和冷杉作为材料,观察秋季夜晚变暖,针叶树的叶和根在形态学及生理学上的的响应。

        形态学观察发现,实验组受到夜晚变暖的影响,其根长、表面积、比根面积、比根长相比于对照组有一定的提升。生理生化研究显示,夜晚变暖有利于叶的气体交换,光合作用率、表观量子效应、暗呼吸速率、PSII最大量子效率、硝酸还原酶活性等指标均有所提升。与此相反的是,夜晚温度提升降低了根部中非结构性碳水化合物的浓度。利用非损伤微测技术,检测了云杉、冷杉根部NH4+、NO3-、H+、O2的速率。结果显示,夜晚温暖处理提升了根部NH4+与NO3-的吸收速率,同时也促进了根部吸O2排H+这一过程。结合形态学及生理学检测结果,表明深秋夜晚变暖提升了针叶树的光合速率,增强了根部吸收氮素营养的能力。

 

 

        图注:对照组及夜晚温暖处理组的云杉、冷杉,根部NH4+、NO3-、H+、O2流速。正值表示吸收。

        质膜H+-ATPases调控的H+浓度梯度的稳定,在NH4+、NO3-的吸收过程中起到重要的作用。两个品种的实验组,根部H+外排均高于对照组,这与NH4+、NO3-吸收速率的结果是一致的。而随着夜晚温度的升高,根部产生更多的能量用于吸收营养,呼吸作用相应加强。可以观察到,实验组O2的吸收速率强于对照组,这与上述NH4+、NO3-的流速结果相对应。

        本研究利用非损伤微测技术,实现了对植物营养动态吸收、呼吸强度的活体实时监测,为植物生理功能的鉴定提供了真实有力的证据。

        下载全文:C2016-006

第184期-稻油轮作养分高效利用机理

        今年年初,湖南农业大学南方粮油作物协同创新中心张振华团队在Plant Physiology(2016, 170(3): 1684-98)上发文阐述了稻油轮作养分高效利用机理。研究使用旭月非损伤微测技术(Non-invasive Micro-test Technology,NMT),检测了油菜根部液泡与胞质间NO3-的流动速率。

        铵态氮(NH4+)和硝态氮(NO3-)是作物氮素吸收利用的主要形态,旱作作物NO3-的累积与利用是氮素营养研究的主要组成部分。因此,理解作物NO3-的转运和利用,关系到作物体内NO3-含量和氮素利用效率(nitrogen utilization efficiency,NUE)高低的问题。液泡NO3-不能被作物直接利用,只有分配到液泡外细胞质中的NO3-才能被作物迅速代谢和利用;同时有更大比例的NO3-分配到地上部分,使得作物可以充分的利用太阳光能进行NO3-代谢和能量转换,从而提高了作物的NUE。

 

 

        图注:NO3-短途分配对长途转运的调控机理。红色箭头表示具体的调控途径。NO3-短途分配表示NO3-在液泡和细胞质间的分配,NO3-的长途转运表示NO3-在作物地上、地下部分的转运。

        张振华团队研究发现,稻油轮作条件下,氮高效型油菜品种之所以具有更高的NUE是因为氮高效型油菜品种根系中液泡NO3-储存能力降低,因而促进NO3-了从地下部向地上部的转运。具体表现为:氮高效作物根系中液泡膜质子泵和氯离子通道蛋白(CLCa)的活性降低,从而有更低比例的NO3-累积到液泡中,有更高比例的NO3-分配到细胞质中,继而诱导根部NRT1.5的表达,同时抑制NRT1.8的表达,最终导致更大比例的NO3-装载到木质部汁液中运输到油菜的地上部分。这是稻油轮作条件下氮高效型油菜品种基因型拥有更高NUE的重要原因之一。

 

 

        图注:高(H)、低(L)NUE油菜根部液泡表面的NO3-流速

        本研究使用NMT检测高NUE与低NUE油菜根部液泡的NO3-流速发现,低NUE液泡吸收的速率是高NUE液泡的3倍,这为高NUE油菜根部液泡积累更少的NO3-提供了直接证据。

        下载全文:C2016-004

第182期-国产活体样品IAA流速新成果

        2016年6月底,国家海洋局第三海洋研究所同厦门大学方柏山课题组合作,在《Physiologia Plantarum》上发表了题为《The effect of polar auxin transport on adventitious branches formation in Gracilaria lichenoides in vitro》的文章,这是目前国内应用非损伤微测技术(NMT)进行活体内源IAA研究的最新成果!

        海藻组织培养是品种改进、遗传工程中重要的微体繁殖工具。但限于微体繁殖研究的现有机制,其发展要远落后于高等植物组培研究。本研究首次利用非损伤微测技术(NMT),检测了江篱(藻类)移植栽培后,不定枝形成过程中IAA、Ca2+、H2O2的流速变化。

        研究发现,存在于高等植物生理过程中的植物激素极性运输同样存在于江篱的生长过程中。同时,NPA(生长素运输抑制剂)通过ABCB1转运体参与抑制IAA的外流,而干扰江篱顶端区域不定枝的形成。此外,Ca2+、H2O2的动态变化也参与了这一过程。

        整株江篱的顶端与基部,IAA流速基本没有差别,而且流动不明显。当把江篱切割为5-7 mm的片段后,每一片段尖端与基部的IAA流速有着明显的差别。顶端IAA表现为吸收,基部为外排。同对照组相比,NPA处理后,江篱片段顶端与基部IAA流向完全倒置。Ca2+与H2O2的流速结果也受到IAA极性运输的调节。

 

 

        图注:江篱片段顶端与基部内源IAA流速。正值表示外排。

        上述结果表明,1)内源IAA对江篱不定枝形成起到重要的调控作用,而且IAA极性运输可能只对江篱片段的形态建成有效;2)NPA改变了IAA极性运输过程。本研究中,创新性的利用活体无损的NMT技术检测江篱IAA流速及其重要的结论,为海藻组织培养的功能机制研究开辟了全新的研究方法与思路。

        下载全文:C2016-007

第180期-NMT鉴定抑制生长素极性运输相关基因功能

        植物的生长以及结构受到生长激素极性分布的调节。在激素-肌动蛋白正反馈回路的协调下,沿着微丝的生长激素转运囊泡循环维持上述过程的极性及灵活性。

        生长激素极性运输以及囊泡循环都会被诸如NPA这样的生长激素转运抑制剂抑制,从而使生长激素的作用失效。然而,NPA的潜在作用目标以及这一过程的机制并不清晰。

        瑞士弗里堡大学的Geisler课题组鉴定出一个TWD1耦合子——ACTIN7,其表现出微丝组织及形态调节的TWD1依赖性。此外,NPA介导的肌动蛋白细胞骨架重建也需要TWS1的参与。TWD1-ACTIN7调控质膜efflux转运体,因此act7和twd1共有的发育和生理表型显示了它们在生长激素转运体上的缺陷。同时,采用NPA或者是促肌动蛋白聚合/解聚剂处理植株可以模拟上述表型。研究推测TWD1通过调节微丝解聚来调控下游生长激素外流转运体的定位。

        研究采用非损伤微测技术(NMT),检测了WT、twd1-1、act7-4在-/+ 5 μM NPA、Jasplakinolide(诱导肌动蛋白聚合成微丝)、Latrunculin B(抑制肌动蛋白聚合)条件下,拟南芥根尖0-1000 μm范围内IAA的流速。结果显示,latrunculin B、Jasplakinolide的作用同NPA相似,抑制了PIN依赖的、从根表层细胞至内部微观细胞的IAA回流(吸收),这一结果与act7-4(ACT7功能丧失)结果一致。

        这一结果表明,不论是肌动蛋白细胞骨架的聚合或解聚,都导致了如NPA引起的PAT缺陷一样的效果。无论是促肌动蛋白聚合/解聚剂,还是TWD1、ACT7突变体导致的部分重贴的生长表型以及生长激素极性运输(PAT)缺陷这一现象,表明twd1非正常的肌动蛋白细胞骨架功能是导致PAT缺陷的主要原因。利用非损伤微测技术直接地鉴定了TWD1的功能——激活生长素转运抑制剂从而影响肌动蛋白细胞骨架,抑制生长激素极性运输。

 

 

        图注:WT、twd1-1、act7-4组拟南芥,在-/+ 5 μM NPA、Jasplakinolide、Latrunculin B条件下,根部IAA内流(吸收)速率。

        下载全文:F2016-001