应力对植物细胞形态、生长及发育的影响

论文摘要

为了在复杂多变的环境中获得较为适宜的生存条件，植物必须对外源性和内源性的刺激做出应答：将化学或者物理的环境因素转化为生物信号并最终导致其生长的变化。植物细胞对力学因素高度地灵敏和易感，暴露于应力作用下会急剧地诱使细胞生长过程中形态和发育的改变。基于植物体及组织水平的植物应激响应研究背景，本文从“应力—生长关系”入手，以单个的植物细胞为研究对象，并以微应力加载和分析系统为实验平台，在可控应力环境下，研究了细胞膨胀、细胞分裂、细胞壁发育等形态学变化和生理活动，其研究结果为阐明力学因素在植物生长与发育过程中的调节和诱导作用以及采用力学刺激方法改变植物生理状态的可能性提供了直接的实验证据，并且为验证细胞决策影响组织图式和植物个体发育这一假设从而探讨植物细胞与植物体之间交互作用关系提供了全新的思维方式和研究手段。 1、自主设计和开发了离体细胞微应力加载和分析系统（已申请国家发明专利）。该系统包括一台小型微应力施加和测量设备，由应力加载单元、应变监测单元、数据采集和处理单元，以及反馈控制单元构成。原生质体和具有完整细胞壁的细胞被分别包埋于凝胶块内并置于该装置的工作台上，通过可移动的施压挡板和固定的竖直挡板之间的相对位移对凝胶块进行挤压，从产生持续的单轴加载。加载一定时间后将凝胶块取出，浸没于液体培养基中培养数天后切片并进行细胞的形态学分析。在此我们将细胞-凝胶块理想化为一种均质、各向同性的线弹性材料，并采用基于有限元方法的软件ABAQUS对其受力过程进行计算机模拟和应力场分布尤其是主应力轨迹的分析。 2、研究证实了植物单细胞具有以定向性的伸长响应于力学刺激的能力。研究发现：受到应力刺激的原生质体倾向于以60～90°于应力张量的主方向伸长，应力强度与原生质体的定向性伸长趋势遵照非线性的剂量依赖关系，提示发生在原生质体细胞壁再生前的机械扰动将会有助于细胞形状的建成；这种倾向性的伸长响应会受到40μmol L-1含Arg-Gly-Asp（RGD）序列的多肽的抑制，而它的反序列DGR则不具有这种作用，这可能是凝胶包埋原生质体的方式允许了原生质体与胞外凝胶基质的跨膜黏附复合体的形成，这种复合体将原生质体锚定于它们的胞外基质并向胞内传递外部的力学信号；但是，这样的黏附复合体将会因为RGD肽的加入而无法形成，从而影响到了细胞对力学刺激的响应。 3、研究了壁/膜黏附和完整的微管细胞骨架对植物细胞响应于力学刺激的定向性生长的贡献，以及力学刺激能够触发单个的植物细胞细胞壁发育的变化。研究

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 Stress的植物生理学概念
• 1.1.2 应激响应的不同阶段
• 1.1.3 应力及其诱导的响应
• 1.2 植物应激响应研究的实验方法学进展
• 1.2.1 施加于植物器官或组织的力学刺激及其诱导的响应
• 1.2.2 单细胞应力加载的尝试
• 1.3 课题的提出及研究意义
• 1.4 本文研究的目的和思路
• 1.4.1 本文研究的目的
• 1.4.2 本文研究的思路
• 2 植物单细胞的获得和培养
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 无菌苗的获得
• 2.2.2 愈伤组织诱导
• 2.2.3 悬浮细胞系的建立
• 2.2.4 条件培养基的制备
• 2.2.5 原生质体分离和纯化
• 2.2.6 原生质体的活力测定
• 2.2.7 原生质体培养
• 2.2.8 完整细胞培养
• 2.2.9 统计分析
• 2.3 实验结果
• 2.3.1 愈伤组织的诱导和继代培养
• 2.3.2 悬浮细胞的形态和生长特征
• 2.3.3 原生质体的制备和形态观察
• 2.3.4 原生质体的条件平板培养及其影响因素
• 2.3.5 具有完整细胞壁的单细胞的培养和观察
• 2.4 讨论
• 2.5 小结
• 3 离体细胞应力加载系统的构建
• 3.1 引言
• 3.2 系统构成和工作原理
• 3.2.1 系统原理
• 3.2.2 应力加载单元
• 3.2.3 应变监测单元
• 3.2.4 控制单元
• 3.3 加载系统的操作
• 3.3.1 动态应变仪
• 3.3.2 主控面板
• 3.4 系统校准
• 3.5 讨论
• 3.6 小结
• 4 应力加载和基于有限元方法的应力分析
• 4.1 引言
• 4.2 方法
• 4.2.1 单细胞的包埋
• 4.2.2 应力加载
• 4.2.3 应力分析
• 4.3 分析结果
• 4.4 讨论
• 4.5 小结
• 5 应力诱导的原生质体定向性伸长响应
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 受试样品的制备、应力加载与制片
• 5.2.2 RGD肽处理
• 5.2.3 细胞壁的荧光染色
• 5.2.4 显微成像和图像分析
• 5.2.5 统计学分析
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 细胞伸长的方向与应力场主应力方向间存在相关性
• 5.3.2 应力强度和应力诱导的细胞响应间存在剂量依赖关系
• 5.3.3 RGD肽影响细胞在应力条件下的伸长响应
• 5.4 讨论
• 5.5 小结
• 6 壁/膜黏附与细胞骨架系统对应力诱导的细胞响应的贡献
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 受试样品的制备、应力加载与制片
• 6.2.2 抗细胞骨架药物处理
• 6.2.3 质膜─细胞壁黏附的中断
• 6.2.4 细胞骨架的免疫荧光定位
• 6.2.5 细胞壁的荧光染色
• 6.3 实验结果
• 6.3.1 细胞伸长和分裂行为响应于应力条件而出现优先的取向
• 6.3.2 定向性的细胞伸长响应需要质膜─细胞壁勃附的参与
• 6.3.3 定向性的细胞伸长响应需要微管骨架系统的介导
• 6.3.4 应力条件与壁膜黏附中断对细胞壁发育具有联合作用
• 6.4 讨论
• 6.4.1 应力诱导的定向性细胞伸长和细胞分裂
• 6.4.2 RGD肽与质膜─细胞壁黏附
• 6.4.3 壁膜黏附的维持在应力诱导的细胞响应中的作用
• 6.4.4 微管和微丝骨架系统在定向性细胞膨胀中的不同作用
• 6.4.5 应力条件改变的细胞壁沉积
• 6.4.6 应力与壁膜黏附的缺失引起的原生质体表面 Calcofluor染色
• 6.4.7 细胞骨架染色
• 6.5 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 本文的主要结论
• 7.2 植物细胞与植物体关系问题的探讨
• 7.3 本文的创新点
• 7.4 后续工作建议与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书