稀土元素(REEs)广泛应用导致其在环境中大量富集。植物可从环境中吸收REEs,并随食物链将其传递至人体,影响人体健康,亟需建立REEs在植物体内的限量标准,其首要问题是揭示REEs作用于植物的分子和细胞生物学机制。我们课题组前期研究发现,REEs作用于植物后,叶细胞长期进化形成的胞吞惰性被启动,此为REEs作用于植物体的首要细胞学响应,为REEs作用于植物体的分子和细胞生物学机制研究打开一扇窗。然而,REEs通过何种靶分子启动胞吞作用?胞吞作用被启动的结构学基础是什么,尚不清楚。本论文以模式植物拟南芥为研究对象;以轻稀土 La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)和重稀土 Tb(Ⅲ)为REEs的代表,轻稀土在植物中的响应具有两面性,而重稀土则表现出毒性,且这三个REEs拥有不同的f层电子数(0,1,9),利用显微镜、激光共聚焦显微镜、纳米金免疫标记技术、紫外可见光谱、荧光光谱、圆二色谱、计算机模拟等多学科交叉手段,探究了 REEs启动植物叶胞吞作用的结构学基础,主要新颖发现如下:(1)确定阿拉伯半乳糖蛋白(AGPs)为REEs作用于拟南芥后,拟南芥叶细胞胞吞作用被启动的靶分子。未用AGPs抑制剂处理,La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)和Tb(Ⅲ)作用于拟南芥后,拟南芥叶细胞胞吞作用被启动;经AGPs抑制剂处理后,拟南芥叶细胞胞吞作用仍能被启动但启动效应减弱,胞吞作用并未完全消失。叶细胞胞吞作用被启动的过程中,可招募AGPs至质膜上,随La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)和Tb(Ⅲ)剂量增加,招募到质膜上的AGPs量增加。REEs通过AGPs启动拟南芥叶胞吞作用与REEs的种类无关。(2)揭示REEs通过AGPs启动拟南芥叶胞吞作用的结构学基础。pH6.5条件下,低浓度La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)和Tb(Ⅲ)与AGPs通过弱相互作用力(如静电作用、范德华力、分子间氢键、分子间作用力、疏水作用等)作用,进而对AGPs分子结构造成微扰,虽使AGPs分子结构更有序,却因β转角的增加而更加松散;高浓度La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)、Tb(Ⅲ)与AGPs相互作用后,La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)和Tb(Ⅲ)作为路易斯酸,与作为路易斯碱的AGPs中羧基或羰基O配位键合,形成稳定REE-AGPs配合物,增加AGPs分子结构的无序性。总之,La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)和Tb(Ⅲ)作用下,AGPs结构改变后,被赋予了一个新的功能—启动胞吞作用,此为REEs通过AGPs启动拟南芥叶胞吞作用的结构学基础。(3)发现REEs与AGPs相互作用依赖于pH值。不同pH条件下,AGPs蛋白表面均含有负电荷集中区,可与带正电的La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)和Tb(Ⅲ)结合;pH 4.5时,La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)和Tb(Ⅲ)与AGPs结合最强,对AGPs分子结构的影响最大,尤其是高剂量;pH值对La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)和Tb(Ⅲ)与AGPs相互作用影响取决于REEs种类:Ce(Ⅲ)La(Ⅲ)>Tb(Ⅲ),可能与Tb(Ⅲ)的配位键合能力最强有关。结合稀土配位化学原理可得,La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)、Tb(Ⅲ)(尤其是高剂量条件下)与AGPs作用的过程中,作用力不仅仅是配位键合,还包括静电引力、范德华力、分子间氢键,分子间引力等多种作用力共存。(4)发现类玻璃粘连蛋白(VN)为REEs作用于植物叶细胞的靶分子。低浓度La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)处理拟南芥叶片使La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)几乎全部锚定在叶细胞壁-质膜区域内,这恰为VN在细胞中的分布区域;高浓度La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)处理拟南芥叶片使得更多La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)在拟南芥叶细胞壁-质膜区域内被锚定,与VN重叠区增加,由此可知,VN为REEs作用于植物叶细胞的靶分子。低剂量La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)通过弱相互作用与VN作用而被锚定;高剂量La(Ⅲ)、Ce(Ⅲ)通过与VN中的羧基O形成配位键,从而生成稳定的REE-VN路易斯酸碱配合物而被锚定。上述锚定改变了 VN分子结构,使其可能成为AGPs外能够启动胞吞作用的靶分子。上述研究为揭示REEs作用于植物的分子和细胞生物学机制,建立REEs在植物体内的限量标准提供理论依据。