植物干旱与盐碱胁迫下细胞力动力学的测定与评估

Drought and saline-alkaline stresses are the main abiotic stresses affecting the yields of crops. In addition to physiological and biochemical monitoring, people in recent years have focused on molecular biology and system biology methods mainly with various ‘omics’ approaches to decipher the complex molecular regulation system related to stress resistance and tolerance in crops. However, there is little attention about the changes in living cell phenotype and phenotype-related turgor pressure and cellular structures under abiotic stresses, especially in short of non-invasive, continuous, and dynamic monitoring methods. This project applies the double resonator, wide frequency quartz crystal microbalance (QCM) technique capable of measuring cell generated surface stress and detecting the viscoelasticity of different cellular structures for the study of Arabidopsis, tobacco and rice suspension cells to achieve the following goals. 1) Modify the QCM surface with molecules interacting with the cell wall and protoplast to achieve stable adhesion and detections of cells and protoplasts under normal and different stress conditions. 2) Quantitatively measure turgor pressure of plant cells, protoplasts and vacuoles generated forces. 3) Detect different cellular structures: cell wall, plasma membrane, cytoskeleton, vacuole and the cell wall-plasma membrane-cytoskeleton connections. 4) Combine with fluorescence microscope to capture the dynamic cell morphology-structure information. 5) Apply for the evaluations of several rice varieties of different tolerances to drought and saline-alkaline stresses.

干旱与盐碱胁迫是影响农作物产量的主要非生物逆境因素，除生理生化监测外，近年人们集中于以各种组学为主体的分子生物学与系统生物学方法来破译与作物中胁迫耐受和适应性相关的复杂分子调节系统。然而，对非生物胁迫下，作物活细胞表型及与表型相关的细胞膨压与细胞结构所发生的变化关注较少，特别缺乏的是无损、连续、动态监测方法。本课题以拟南芥、烟草与水稻悬浮细胞为研究对象，采用可探测细胞表面应力与不同结构粘弹性的双谐振、宽频石英晶体微天平(QCM)技术，以实现如下目标：1)在QCM表面修饰与细胞壁、原生质体相互作用分子，以实现正常与胁迫下细胞与原生质体的稳定粘附与测定。2)定量测定植物细胞膨压及原生质体与液泡所产生力。3)探测细胞不同结构：细胞壁、细胞膜、细胞骨架、液泡及细胞壁-质膜-细胞骨架连接体。4)与荧光显微镜联用捕获胁迫下细胞形态结构动态变化信息。5)应用于几种耐干旱与盐碱胁迫程度不同水稻品种的评估。

干旱与盐碱胁迫是影响农作物产量的主要非生物逆境因素，除生理生化监测、主要集中分子生物学与作物表型研究，缺乏的是连接分子生物学与作物表型的细胞层次分析方法与平台。细胞力学与细胞结构功能密切相关，细胞力学技术可定量表征细胞的结构与功能。目前植物细胞力学主要关注植物细胞的生长与形状，聚焦于植物细胞壁的力学性质测量。可是缺乏植物细胞生长过程膨压和逆境胁迫下植物细胞所产生的力与粘弹性的无损测定方法。本项目以烟草BY-2与水稻细胞为主要研究对象，通过在AT与BT芯片上修饰带正电荷的PDADMAC和经电化学聚合法修饰可与细胞壁或细胞膜上糖基选择性作用的3-羟基苯硼酸/PLL复合材料等薄膜，使不具备贴壁功能的植物细胞及其原生质体粘附在芯片上。建立了伴随溶液粘密度或粘弹性变化的渗透、盐碱与PEG6000干旱胁迫过程植物细胞或原生质体所产生力与粘弹性定量测定的双谐振压电测量法。BY-2细胞与水稻细胞在低渗时所产生的张应力(膨压)随渗透压降低而增大。高渗时，当渗透压低于质壁分离浓度、随渗透压增加，细胞的收缩力增大；当渗透压大于质壁分离浓度、随渗透压增加而观察到由于赫氏斑的牵扯而引起的细胞张应力增大、细胞变硬。证明了植物膨压丧失引起细胞膜或细胞骨架张力增加来探测水分缺乏的可能机制。用多次泛音与宽颖耗散型QCM技术探测了不同渗透压、不同浓度PEG6000与植物生长物质2,4-D及细胞骨架药物胁迫或作用下细胞不同结构粘弹性变化规律。首次系统比较了水稻细胞与原生质体在不同浓度PEG6000干旱胁迫下所产生的力与粘弹性变化规律。测试与比较了日本晴、松辽186、海稻86三种耐盐碱程度不同水稻品种悬浮细胞在不同浓度NaCl与Na2CO3溶液中的力与粘弹性变化规律，分别测试与比较了绿旱-1与6527、绿旱-639与黄花占耐干旱程度不同水稻品种细胞在不同PEG6000浓度下所产生的力动力学曲线。力动力学所评估抗盐碱与干旱水稻品种的强弱与大田结果一致。本项目的研究成果对于植物细胞结构与功能、植物生理的研究与作物抗逆品种的快速筛选具重要意义。