锰对植物毒害及植物耐锰机理研究进展

含锰矿渣的排放造成了严重的土壤锰污染。揭示锰毒害和植物的耐锰机制对于污染土壤治理具有重要意义。研究表明,高浓度的Mn2＋能够抑制根系Ca2＋、Fe2＋和Mg2＋等元素的吸收及活性,引起氧化性胁迫导致氧化损伤,使叶绿素和Rubisco含量下降、叶绿体超微结构破坏和光合速率降低。而锰超累积植物则具有多种解毒或耐性机制,如区域化、有机酸螯合、外排作用、抗氧化作用和离子交互作用等。根系主要通过有机酸的螯合作用促进植物对Mn^2＋的转运解毒,同时能够将过量的Mn^2＋区域化在根细胞壁中;叶片可通过酚类物质或有机酸螯合Mn^2＋,并将其区域化在叶片表皮细胞和叶肉细胞的液泡中（或通过表皮毛将Mn^2＋排出体外）。其中,金属转运蛋白在植物对Mn^2＋的吸收、转运、累积和解毒过程中发挥着重要作用。     

铝减轻过量锰对大豆生长的不利影响

以大豆为材料,研究了铝（Al）对过量锰（Mn）胁迫下大豆生理生化状况的影响。结果表明：Al抑制了植物对Mn的吸收运输,降低了Mn在地上部的积累,减轻了高Mn对大豆地上部生长的抑制程度、改善了叶片叶绿素含量降低的现象并降低了高Mn诱导产生的氧化胁迫伤害程度;此外,Al主要降低了叶片细胞壁和细胞器中Mn的含量,而对细胞可溶性组分中Mn含量没有影响。     

生长素及其运输蛋白对植物铝胁迫的响应

铝对植物的毒害作用主要表现为抑制根尖生长,而根尖生长与生长素及其运输密切相关,铝可能影响了生长素及其代谢过程,但目前尚不清楚生长素及其运输蛋白如何参与植物应对铝胁迫响应。本文通过分析、总结前人研究,并结合自己的前期研究结果,初步阐述生长素或其运输蛋白对植物铝胁迫的响应,即铝影响生长素代谢的相关基因,干扰根尖生长素运输蛋白在细胞内分布及其囊泡运输,调控生长素的极性运榆,进而抑制根尖生长。另一方面,生长素或其运输蛋白又参与了植物应对铝胁迫过程,这主要体现在参与了植物铝毒信号传递、根系铝内置化过程和减缓铝诱导的氧化胁迫。最后,本文提出了生长素及其运输蛋白对植物铝胁迫响应的可能模型。     

拟南芥GLP13基因在植物抗氧化胁迫响应中的作用

类萌发素蛋白（germin-like protein, GLPs）是一类与小麦萌发素序列相似性较高、位于胞外基质的可溶性糖蛋白, 在植物的生长发育阶段以及对生物和非生物胁迫的应答中起着重要的作用。为了研究GLP13基因的生理功能, 我们分离并鉴定了GLP13的敲减突变体glp13, 同时构建了其超表达植株35S：：GLP13。用甲基紫精（methyl viologen, MV）处理2种不同基因型和野生型（WT）植株, 结果发现, 与野生型相比, 突变体glp13子叶变绿率较低, 主根生长受抑制较明显; 而超表达植株35S：：GLP13子叶变绿率较高, 主根生长的受抑制程度较WT轻。用MV处理2周的35S：：GLP13植株, 其叶绿素荧光参数Fv/Fm 的下降较野生型对照缓慢。半定量RT-PCR分析结果表明, 与野生型相比, 经MV处理4小时后的35S：：GLP13中抗氧化酶系基因FSD1的表达上调, 而CAT1、CSD1和UGT71C1的表达水平在35S：：GLP13、glp13和野生型植株三者之间没有明显差异。以上结果表明GLP13基因在拟南芥抗氧化胁迫响应中起重要作用。     

锰胁迫下盐肤木锰富集及生理响应特征

为揭示盐肤木(Rhus chinensis)锰积累特征与耐受机制,该研究通过盆栽试验方法,分析0(CK)、1、5、10和20 mmol·L^-1Mn²⁺胁迫对半年生盐肤木幼苗生长、生理生化特征及其锰富集特征的影响。结果表明：(1)盐肤木在Mn²⁺浓度为0～10 mmol·L^-1条件下生长发育状况良好,且在5 mmol·L^-1Mn²⁺处理下叶片舒展,叶片颜色较深,生长最佳,而在20 mmol·L^-1Mn²⁺条件下部分叶片出现褐色斑点、萎蔫卷边的现象;随着Mn²⁺浓度的升高,盐肤木幼苗的生物量呈先升高后下降的趋势,并在5 mmol·L^-1Mn²⁺胁迫时最高。(2)随着Mn²⁺浓度的升高,盐肤木叶片中光合色素含量呈先升后降的趋势,且在Mn²⁺浓度为5 mmol·L^-1时达到峰值。(3)随着M...     

水稻OsNramp4介导锰离子吸收和转运的功能分析

锰(Mn)是植物生长发育必需的矿质营养元素。水稻天然抗性相关巨噬细胞蛋白(natural resistance-associated macrophage protein, OsNramp)家族有7个成员,其中4个具有Mn²⁺转运活性。OsNramp4已被鉴定为一个铝离子转运蛋白,但尚未报道其是否具有Mn²⁺转运活性。本文利用Mn²⁺吸收突变株Δsmf1进行OsNramp4功能互补实验,分析OsNramp4对Mn²⁺的响应,研究环境Mn²⁺胁迫对敲除突变体nramp4的生长势以及Mn²⁺吸收和转运的影响。结果显示:OsNramp4能互补Δsmf1的Mn²⁺吸收缺陷表型;水稻根部OsNramp4的表达受Mn²⁺的诱导;高Mn²⁺胁迫下, nramp4的长势明显优于野生型对照,突变体地上部Mn²⁺含量显著低于野生型,且根-茎Mn²⁺转运率明显低于野生型...     

锰在培养大鼠心肌细胞上抗氧化损伤作用

本文以心肌细胞动作电位与自发性搏动为指标看到,向培养基中加入0.1ppm MnCl_2对抗0.42mMOL/L黄嘌呤与5.3nMOL/L黄嘌呤氧化酶(X-XOD)对培养的心肌细胞的损伤作用。这可能是锰通过含锰超氧化物歧化酶(Mn-SOD)清除X-XOD诱发的超氧阴离子自由基(O_2)所致。     

植物对硅的吸收转运机制研究进展

硅(Si)能缓解生物与非生物胁迫对植物的毒害作用,Si的吸收转运是由Si转运蛋白介导的.最近,多个Si转运蛋白(Lsi)基因相继在水稻、大麦和玉米中被克隆出来,并在Si的吸收转运机制方面取得了很大进展.水稻OsLsi在根组织中呈极性分布,OsLsi1定位在根外皮层和内皮层凯氏带细胞外侧质膜,负责将外部溶液中的单硅酸转运到皮层细胞内.OsLsi2定位在凯氏带细胞内侧质膜,在外皮层中负责将Si输出到通气组织质外体中,在内皮层与OsLsi1协同作用将Si转运到中柱中.导管中的Si通过蒸腾流转运到地上部,再由定位在叶鞘和叶片木质部薄壁细胞靠近导管一侧的OsLsi6负责木质部Si的卸载和分配.在大麦和玉米中,ZmLsi1/HvLsi1定位在根表皮和皮层细胞外侧质膜负责Si的吸收,然后Si通过共质体途径被转运到内皮层凯氏带细胞中,再由ZmLsi2/HvLsi2输出转运到中柱中.ZmLsi6在细胞中的定位和活性与OsLsi6相似,推测其可能具有类似的功能,但大麦Lsi6至今未见报道.所以,Si转运机制仍需要进一步研究.     

锰对葡萄根中离子吸收及抗氧化酶系统的影响

以2个葡萄品种(金手指、康拜尔)为材料,采用温室沙培实验,研究不同浓度Mn处理对葡萄根中离子吸收及抗氧化酶活性的影响.结果表明,随着Mn2+浓度的增大,葡萄根中元素含量呈现不同的变化,总体上看Ca和Mg的含量降低,Mn、Cu和Zn的含量增加,Fe含量则随锰处理浓度增加呈先下降后略有升高的趋势.在抗氧化系统中POD活性随 Mn浓度的升高而逐渐降低,而CAT和APX酶活性呈先升高后降低的趋势,SOD活性变化不大,说明保护酶系统形成了一定的适应高锰胁迫的机制,这些抗氧化酶活性的增强能够提高葡萄适应和抵抗重金属胁迫的能力.     

植物体内糖分子的长距离运输及其分子机制

植物器官(如叶、叶鞘、绿色的茎等)可以通过光合作用将CO₂合成为碳水化合物, 并经过长距离运输到达库组织(如新生组织、花粉、果实等)中进行贮存或利用。蔗糖是高等植物长距离运输碳水化合物的主要形式。蔗糖分子从源到库的运输包括源组织韧皮部的装载、维管束的运输和库组织韧皮部的卸载3个步骤。遗传学和分子生物学研究证明, 蔗糖转运蛋白、转化酶和单糖转运蛋白在糖分子的装载和卸载过程中发挥重要作用。该文综述了目前对光合产物运输过程及其调控分子机制的最新研究进展。     

锰离子转运、代谢与稳态平衡调控

金属离子在生命体细胞内的转运、代谢、稳态平衡调控及其相关疾病的研究是生物无机化学、化学生物学和生物医学等研究领域的一个前沿热点。锰被称作“细胞护卫”或“生命体保镖”,在生物体中发挥重要的作用,体内锰离子的含量必须维持在一个恰当的水平,锰缺少或过量都会导致疾病或生物毒性。因此,生物体内锰离子的稳态平衡调控对维持体内锰离子的正常生理功能至关重要。对细菌、出芽酵母、动物的锰离子运输、代谢及其稳态平衡调控的分子机制研究分别进行综述。     

Combined Effects of Ammonia and Manganese on Astrocytes in Culture

Ammonia has been strongly implicated in the pathogenesis of hepatic encephalopathy (HE), and astrocytes appear to be the primary target of ammonia neurotoxicity. Recent work has shown that manganese also plays a role in the pathogenesis of HE and causes astrocyte morphologic and functional changes similar to ammonia. We therefore investigated whether a combination of these compounds could produce additive/synergistic effects. Cultured astrocytes treated with 5 mM ammonia (NH₄Cl) along with 100 M manganese acetate (MnAc) for 3 h showed a 55–65% increase in free radical production over ammonia or manganese alone (P < 0.05). There was also a 50% decrease in the mitochondrial membrane potential ( _m) at 24 h following treatment with NH₄Cl (5 mM) plus MnAc (50 M) Pt< 0.05), as compared to ammonia or manganese alone. Astrocytes treated with ammonia or manganese alone for 24 h showed no cell death, as determined by LDH release and light microscopic examination. However, cultures treated with ammonia plus manganese showed 80–90 necrotic cell death as estimated by light microscopy and 59 cell death as determined by LDH release. LDH release by ammonia plus manganese was blocked by the antioxidant superoxide dismutase (25 units/ml) as well as by the nitric oxide synthase inhibitor N-nitro-L-argininemethyl ester (500 M). In conclusion, ammonia plus manganese exert additive/synergetic effects on the induction free radicals, mitochondrial inner membrane depolarization and cellular integrity, which may contribute to the tissue injury associated with chronic forms of HE.Special issue dedicated to Lawrence. F. Eng.     

Ammonia and Manganese Increase Arginine Uptake in Cultured Astrocytes

Recent work has suggested a possible role for nitric oxide (NO) in the development of hepatic encephalopathy (HE). In this study, we examined the effect of ammonia and manganese, factors implicated in the pathogenesis of HE, on the transport of arginine (a precursor of NO) into primary cultures of astrocytes. Treatment with 5 mM ammonia for 1–4 days produced a maximal (53%) increase in L-arginine uptake at 3 days when compared to untreated cells. Kinetic analysis following 4-day treatment with 5 mM ammonia revealed an 82% increase in the V_max and a 61% increase in the K_m, value. Similar analysis with 100 M manganese showed a 101% increase in V_max and a 131% increase in the K_m value. These results suggest that both manganese and ammonia alter L-arginine uptake by modifying the transporter for arginine. A decrease of 32% in the non-saturable component of L-arginine transport was also observed following treatment with ammonia. When cultures were treated separately with 5 mM ammonia and 100 M manganese for 2 days, the uptake of L-arginine increased by 41% and 57%, respectively. Combined exposure led to no further increase in uptake. Our results suggest that ammonia and manganese may contribute to the pathogenesis of HE by influencing arginine transport and thus possibly NO synthesis in astrocytes.     

Disruption of Elements Uptake due to Excess Chromium in Indian Medicinal Plants

Chromium and its compounds may cause disturbance in the nutrient level of the plants. Iron, manganese, copper, and zinc are essential nutrient elements and required for balanced growth and development of plants, but chromium uptake sometimes disturbed their concentration in plants. Therefore, in the present paper, an effort has been made to observe the effect of different levels of Cr on nutrient uptake of Phyllanthus amarus and Solanum nigrum, the medicinally important plants of indigenous systems of medicine having hepatoprotective and diuretic properties. The study revealed that Cr causes significant changes in nutrient uptake as compared to control plants. Besides, Cr-treated plants showed growth depression and decrease in fresh and dry weight too. With the increase in Cr supply, accumulation of Cr in roots was increased significantly. Concentration of manganese and zinc was also increased. However, copper concentration in both the plants seemed less affected by Cr.     

4种藤本植物对锰污染土壤的耐受性及其生理响应

为筛选对Mn污染土壤具有较高耐受性的藤本植物并探讨其抗Mn生理机制,以薜荔、忍冬、五叶地锦和络石扦插苗为材料,采用模拟Mn污染土壤培养法,配置Mn含量分别为3 000mg/kg(T1)、6 000mg/kg(T2)、9 000mg/kg(T3)和12 000mg/kg(T4)的Mn污染土壤,以不加Mn的土壤为空白对照(CK),研究不同浓度Mn胁迫对4种藤本植物生物量、生长量、不同部位Mn含量、叶绿素含量、丙二醛(MDA)含量及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性的影响,并对其耐性指数(Ti)、转移系数(TF)、生物富集系数(BCF)进行了比较分析。结果表明:(1)随着Mn处理浓度的升高,薜荔、五叶地锦、忍冬、络石的生物量、生长量总体呈现下降的趋势,平均耐性指数依次分别为82.48%、84.86%、89.21%和95.41%。(2)地上部分、根系的Mn含量随着Mn处理浓度的增加总体呈现升高的趋势,且根系的Mn含量都高于地上部分,TF值均小于1,地上部分和根系的BCF平均值均依次为:络石忍冬五叶地锦薜荔。(3)随土壤Mn处理浓度的升高植物叶绿素含量总体呈现下降的趋势,MDA含量持续上升,而SOD活性、POD活性、CAT活性呈先升后降的趋势,在T4处理时络石的叶绿素含量和三种抗氧化酶活性下降幅度、MDA上升幅度均低于其他3种植物。研究表明,络石较其他3种植物具有更高的Mn耐受性以及Mn转移能力和富集能力,可作为Mn尾矿污染土壤修复的潜力植物。     

沙福芽孢杆菌氧化磷酸化通路相关基因对锰胁迫的应答

氧化磷酸化是细菌生成ATP的重要途径之一,同时有研究表明能量供应不足是发生锰毒害的重要机制。为了解析锰胁迫条件下,耐锰细菌是如何通过能量代谢的改变以应对锰毒害。以耐锰菌沙福芽孢杆菌S7为研究材料,挑选细菌电子传递链细胞色素亚基编码基因qcrB、ctaD,以及ATP合成酶亚基编码基因atpA、atpD和atpG,采用荧光定量PCR方法,设置250 mg/L和2 200mg/L两个锰处理浓度,比较基因表达的时序性变化。与无锰对照组的表达量相比,3个ATP合成酶亚基编码基因的表达量较为接近,中等浓度锰胁迫条件下,3个基因的表达量明显低于2 200mg/L锰处理的表达量;锰作用初期各基因的表达量较低,4 h后表达量上升,8 h和/或32 h时表达量达到峰值,基因的表达量的时间变化呈现出单峰或双峰变化趋势。两个电子传递链上细胞色素亚基编码基因qcrB和ctaD的表达量略高于ATP合成酶3个亚基基因的相应值,表达规律与ATP合成酶一样。研究结果提示,耐锰菌沙福芽孢杆菌S7的能量代谢水平随着作用时间和浓度的提高而上升,产生大量的ATP以应对锰毒害作用。