信息查看>>实验室新闻
实验室黄晓华教授团队在PNAS上发表论文

        稀土元素在全球高新技术领域广泛使用,在给经济、社会带来丰厚回报的同时,也正以前所未有的速度与强度进入环境(土壤、大气、水与生态系统),其潜在的生态风险日益显现。对此,中外专家与政府部门均关注稀土食品安全研究并呼吁科学标准的建立,但至今还没有生物体中限量的国际标准。这是因为稀土影响生物体的一系列关键基础问题还没有得到解决。1917年,中、美学者首次发现稀土铈对水绵生理作用以来,人们探究17种稀土元素对植物的影响与细胞学机制等已近百年,也可以见到相关的学术成果报道。遗憾的是,因为植物细胞结构更为复杂,稀土低促高抑正负效应的细胞及分子机理等学科前沿难题至今还没有得到解决。在国家自然科学基金和国家发改委稀土专项基金等多项基金项目资助下,重点实验室稀土生物无机化学课题组黄晓华教授团队经过10年不懈努力,以出口经济作物辣根及模式植物拟南芥为研究对象,以稀土放射自显影示踪技术与细胞生物学、生物物理及细胞无机化学等方法优化组合为研究手段,与耶鲁大学及北大-耶鲁联合中心邓兴旺教授的研究团队合作,首次揭示轻稀土镧和重稀土铽为代表的稀土元素在植物细胞内的行为和生活周期。其研究成果“Rare earth elements activate endocytosis in plant cells”于近期发表在《美国科学院院刊》(PNAS)上。
        该研究从不同浓度的稀土离子分别作用于农田及实验室植物并全生育期进行追踪研究发现:外源低剂量稀土未进入细胞,以纳米配合物形式锚定于质膜上激活叶细胞内吞作用,继而引发胞内至胞外促进细胞扩增的(如胞膜糖基表达、细胞内外Ca2+K+交换及动态水平、胞膜组成及脂肪酸量变、DNA及主要矿质元素含量变化等)一系列的响应,使作物产量增加;随外源稀土剂量增高,稀土纳米配合物在质膜上增多并通过正常及异常内吞作用进入细胞,在细胞内继续强烈地激活内吞。内吞作用过程中,部分包裹稀土纳米配合物的内吞泡变成齿轮形状而破裂,将稀土从内吞泡中释放到细胞质并自组装成稀土纳米簇(产生异常独特地内吞现象),继而沉积于细胞质中;进入细胞内的稀土,大部分随时间推移迁出细胞,并经叶--根迁移至土壤中。但仍有一些稀土纳米簇沉积于细胞质中而不外迁,成为稀土元素在叶细胞里的一种主要累积形态;伴随稀土进入细胞并在胞内继续激活内吞作用、产生异常内吞现象、稀土胞质内自主装及沉积过程等,引发一系列从胞内至胞外的抑制细胞扩增效应,最终导致作物减产。稀土剂量越高,激活内吞作用越强,或致细胞出现伤害、稀土在植物细胞中累积量和作物减产幅度的进一步增加。
        植物,作为生态系统的创造者,在进化中形成了很低内吞活性特质。正如世界杰出的植物生物学家们(Bob B.Buchanan)所言,相对于动物系统中内吞作用的大量著述,植物中相应的研究就很少;植物细胞中低水平的内吞作用活性以及细胞壁的存在大大阻碍了标记分子靠近细胞膜,这大大增加了实验难度。该项研究通过学科交叉所建立的组合研究方法,不仅首次发现并呈现了稀土激活植物细胞内吞作用的静态和动态过程,且发现内吞活化是植物细胞对稀土作用的首要响应,可视为稀土作用于植物的细胞学基础。因此,该研究回答了稀土植物无机化学的一些关键科学难题,为稀土植物食品限量国际标准的建立提供理论与实验指导。

附件: