钙(Ca²⁺)是植物体生长发育必需的矿质营养元素,参与组成细胞壁及细胞膜的结构;同时又是细胞内的重要第二信使,参与各类外界环境刺激诱导的信号通路。但近年来的生态证据表明,酸雨等使得土壤表面植物可利用的Ca²⁺含量减少,植物生理性缺Ca²⁺现象普遍存在,而缺Ca²⁺会导致植物多样性下降、植物对外界环境压力的适应能力下降。但是缺Ca²⁺导致植物出现这些现象的生理、细胞和分子机制未知。本文首次对低Ca²⁺环境下拟南芥及羊草根细胞中的胞吞反应及细胞膜脂质代谢进行了研究,并将拟南芥及羊草根细胞中的脂质分子进行详细比较,深入分析了二者响应低Ca²⁺环境的生理、细胞和分子机制。本研究希望帮助人们了解Ca²⁺在维持植物细胞膜稳定性及选择性过程中的重要作用,并期望从细胞分子层面为拟南芥和羊草对低Ca²⁺环境响应的差异性提出科学的解释。具体的实验结果如下:1.低Ca²⁺特异性诱导拟南芥根细胞中胞吞增多。CK(1 mM Ca²⁺)及其他缺素(缺Mg²⁺、缺Zn²⁺、缺Fe²⁺、缺Mn²⁺、缺N、缺P以及缺K)处理下拟南芥根细胞中无胞吞发生,仅缺Ca²⁺会诱导拟南芥根细胞中胞吞增多;且这种胞吞的发生途径是相对保守的,主要包括细胞质膜的内陷、早期囊泡的形成、囊泡脱离细胞质膜进入细胞内、多囊泡的聚合、最后是囊泡与液泡的相互融合。2.低Ca²⁺诱导拟南芥根细胞中的胞吞是一个基于非选择性液相流动的过程。膜不通透性荧光染料Alexa Fluor 488能够随着胞吞反应进入细胞,表明低Ca²⁺处理使得拟南芥根细胞膜选择性降低;低Ca²⁺诱导拟南芥根细胞中发生的胞吞对受体介导的胞吞反应抑制剂Tyr A23不敏感,说明其不受受体介导。低Ca²⁺诱导拟南芥根细胞中发生的胞吞对Ca²⁺内流信号转导通路抑制剂GdCl3不敏感,但对钙调蛋白拮抗剂W7敏感;低Ca²⁺诱导拟南芥根细胞中发生的胞吞对IP3K的抑制剂Wortmannin不敏感,但对IP3信号转导通路抑制剂Neomycin敏感。3.低Ca²⁺显著改变拟南芥根细胞膜脂质分子的合成及代谢。通过对拟南芥根脂质组学中15类、379种脂质分子数据分析,发现低Ca²⁺诱导拟南芥根细胞中的PC、PE、PI、TAG、LPC、LPE含量显著增多,PA、DAG含量显著减少,且PC/PE的比值显著升高。这些结果均被认为是拟南芥根细胞在受到低Ca²⁺胁迫时,为了维持细胞膜结构稳定及膜脂平衡所采取的一系列举措。4.羊草幼苗不具有Ca²⁺依赖性生长的表型,且羊草根细胞中胞吞是一种不受受体介导的具有选择性的细胞反应,不受低Ca²⁺环境的影响。本文研究发现羊草幼苗在不同Ca²⁺浓度培养基上生长状态基本一致,不受外界Ca²⁺环境的影响,但植物体内Ca含量的积累依赖于外界Ca²⁺浓度。细胞生物学研究发现CK条件下羊草根细胞中就有丰富的胞吞反应,且这种胞吞具有选择性,同样不受低Ca²⁺环境的影响。羊草根细胞胞吞反应同样不受受体介导,同样对Ca²⁺内流信号转导通路抑制剂GdCl3不敏感,但对钙调蛋白拮抗剂W7敏感。随后实验证明沙生冰草和老芒麦的根细胞具有和羊草一致的胞吞反应,且同样不受低Ca²⁺影响。5.低Ca²⁺对羊草根细胞膜脂质分子的合成及代谢无显著影响。通过对羊草根脂质组学16类、352种脂质分子数据分析,发现低Ca²⁺仅诱导羊草根细胞中的FFA含量升高,但对其他的脂类物质的影响较小,其中低Ca²⁺处理后含量发生显著变化的脂质分子数量仅为43个,且PC/PE的比值也未发生显著变化。使用4种FFA药物处理羊草幼苗,其中FFA18:0和FFA18:1会抑制羊草幼苗根的生长,FFA18:2会部分抑制羊草根毛的生长。6.低Ca²⁺诱导羊草体内SOD酶活升高、MDA含量减少。低Ca²⁺对羊草和拟南芥幼苗体内氧化代谢物的影响不一致,其中低Ca²⁺会诱导羊草叶、根中SOD酶活均升高,而MDA含量减少;相反,低Ca²⁺会诱导拟南芥叶、根中SOD酶活均降低,而MDA含量增多。同时,低Ca²⁺对于羊草叶片中H₂O₂的含量无影响,但会诱导羊草根组织中积累更多的H₂O₂。7.羊草和拟南芥根细胞膜脂质组成成分存在极大差异性。除PA在二者中所占比例不存在显著差异外,其他14种脂质物质所占比例都具有显著性差异;其中PC、PI、MGDG、PG、CL、DGDG、LPC属于在羊草中所占比例显著高于在拟南芥中所占比例,而PE、DAG、TAG、PS、LPA、LPE、LPS属于在羊草中所占比例显著低于在拟南芥中所占比例。羊草中含有、但拟南芥中不含有的脂质分子总计31种;拟南芥中含有、但羊草中不含有的脂质分子总计66种。通过以上研究得出的结论:在拟南芥中,低Ca²⁺特异性诱导根细胞中非选择性的胞吞增多,同时显著改变其膜脂分子的合成及代谢;羊草与拟南芥对低Ca²⁺环境的生理响应不同,低Ca²⁺对羊草根细胞中的胞吞、膜脂分子的合成及代谢影响较小。