香蕉植物体中针晶异细胞钙调控功能及针晶体形成机制研究

Calcium oxalate (CaOx) biomineralization with diverse and species-specific morphologies and structures formed in specialized cells(idioblast) is a basic and important process in many photosynthetic plant families. Idioblasts as a special cell type containing a large amount of calcium exhibit characteristics of both cell biology and inorganic mineral chemistry. However, it remains unknown for their formation mechanisms and biological functions, and how idioblast cells control the crystallization processes to induce the formation of unique needle-like crystals as well. Herein, the Ca2+ flux will be determined using Non-Invasive Micro-Test technique (NIMT), and differentially expressed proteins between normal petiole cells and crystal idioblasts will be analyzed and identified by an iTRAQ technique in order to unravel the role of CaOx crystals involved in Banana (Musa cavendishii L.) calcium regulation. Moreover, molecular mechanisms of CaOx biomineralization controlled by the protein matrix as organic templates will be elucidated by a combination of a constant composition technique of solution crystallization and in situ atomic force microscopy (AFM) coupled with a fluid reaction cell. This project through the interdisciplinary of plant nutrition and chemsitry may provide important research methods and strategies for studying other mineral-containing cells.

草酸钙晶体在特化的植物晶异细胞内的形成是植物体中一种基本的、重要的生理代谢过程，几乎分布于所有的光合植物中。晶异细胞作为植物体中极为特殊的一类细胞群，兼具细胞生物学和无机矿物化学的双重特性，特别是晶异细胞中草酸钙晶体含有大量的钙营养元素。然而植物体中草酸钙晶体的生物学作用及细胞调控草酸钙晶体形成的机制，仍不清楚。本项目以香蕉植株和从香蕉叶柄中分离的草酸钙针晶异细胞作为研究载体，将从宏观的植株水平到介观的细胞尺度，利用非损伤微测技术测定正常细胞和晶异细胞钙离子流量变化；采用蛋白质组学分析技术，深入探讨与钙吸收相关蛋白的差异性表达，拟研究草酸钙晶体参与的植物钙调控作用。同时结合离体的溶液化学和原位原子力显微镜动力学观测，拟解析蛋白作为有机模板调控针状草酸钙晶体形成的生物矿化机理。同时此项目的开展，可为今后研究此类生物矿物细胞提供有效的植物营养学和化学交叉的研究方法及策略。

植物中的草酸钙晶体在特化细胞（晶异细胞）内的形成，是一种基本的、重要的生理代谢过程。本研究通过宏观的水培实验，并结合微观非损伤微测技术（NMT），明确了晶异细胞中钙的吸收和释放主要是通过与邻近相连的薄壁细胞中的连接通道来进行物质交流，而钙与草酸结合形成草酸钙晶体，可以有效调控香蕉体中钙和草酸形态及含量。同时，提取晶异细胞作为研究载体，借助多种生物和物理化学表征手段包括蛋白分离（SDS-PAGE）和质谱鉴定(LTQ-ESI-MS/MS)，以及原位原子力显微镜（AFM）和纳米级分辨的二次离子质谱技术（NanoSIMS），研究了蛋白调控下的针状晶体的形成过程，而高度韧性且整齐排列的针状结构，可能对植物防御昆虫捕食具有重要作用。总之，本项目为揭示植物体中普遍存在，却被忽视研究的一类极为特殊的富钙细胞（草酸钙晶异细胞）提供了重要研究方法和理论依据。