Atomic force microscopy (AFM) deflection and height images of the cell wall (CW) and its fractions
（原子力显微镜下水稻悬浮细胞壁和其组分的变化）

AFM time sequence (deflection images) showing in situ nucleation kinetics of Fe-P phases and the growth
evolution of precipitates on a dissolving goethite (010) cleavagesurface in 50 mM NH₄H₂PO₄ (pH 4.5)
（原子力显微镜下针铁矿(010)解理面诱导磷酸铁的成核和生长动力学过程的原位观察）

（文|资环院通讯员万丹 图|资环院通讯员王荔军 贺从武）近日，我校生物矿化研究团队取得科学研究新进展，数项研究成果在国际知名学术期刊发表。《环境科学与技术》杂志（Environmental Science & Technology）刊发论文“磷酸盐在针铁矿表面沉淀的原位观测”，王荔军教授为该论文共同通讯作者。《新植物学家》杂志（New Phytologist）刊发论文“硅-半纤维素复合物可以改善水稻细胞壁的力学性能和再生“ ”硅-半纤维素复合物抑制水稻细胞对镉的吸收”，博士生贺从武和马捷分别为2篇论文的第一作者，王荔军为通讯作者。

可溶性磷酸盐在铁氧化物矿物表面上的吸附和随后的固定（沉淀反应）是土壤肥力和磷富营养化研究领域中重要的基础问题之一，但可溶性磷酸盐在铁氧化物表面反应的微观反应机制尚不明确。我校土壤生物矿化研究团队和德国明斯特大学矿物学研究所及西班牙格拉纳达大学矿物及岩石系的研究人员合作，借助原子力显微镜第一次在微观尺度上原位观测到含正磷酸盐溶液和针铁矿（α-FeOOH）(010)解理面的相互作用。通过耦合的溶解和沉淀反应机制，针铁矿表面溶解释放铁离子使得矿物－水界面层对磷酸铁过饱和，继而诱导磷酸铁纳米粒子的成核和后续的团聚及生长。研究团队结合计算模拟分析了整个介观反应过程和正磷酸盐溶液组分，pH值（酸碱度）以及离子强度等因素间的相关关系，并定量分析了盐效应，离子种类和有机分子等对磷酸铁异质成核速率的影响。这些原位动力学观测在国际上首次揭示了可溶性磷在富含铁氧化物矿物的酸性土壤中固定的微观机制。

硅在植物体内扮演着多种角色，但是在单细胞水平上，对硅的结构和化学性质并不清楚。贺从武、马捷等通过电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）和X射线光电子能谱仪测定硅在水稻悬浮细胞壁不同组分中的含量及结合形式，发现半纤维素组分可能是硅酸结合的主要配体（61.7%硅积累在半纤维素上，26.5%在纤维素中和11.8%在果胶上）。他们借助原子力显微镜（AFM）力学模式研究进一步证实硅可改善细胞壁半纤维素组分的力学性能：加硅的细胞壁（CW）、去果胶的细胞壁（CW-P）和去果胶及半纤维素的细胞壁（CW-P-HC）的杨氏模量分别是26.9GPa、19.0GPa和14.8 GPa, 而不加硅的细胞壁、去果胶的细胞壁和去果胶及半纤维素的细胞壁的杨氏模量分别降低到23.0GPa、17.5GPa和14.5 GPa。借助激光共聚焦显微镜探测到硅可促进原生质体再生细胞壁。此外，离子质谱仪的测定发现硅-半纤维素复合物可结合大约56%的镉，从而抑制镉离子吸收进入细胞内，有效减轻镉对细胞的毒害。利用原子力显微镜下凯尔文电势模式分析了细胞壁及其组分的表面电势变化，发现加硅细胞壁带有更多的负电从而使得表面电势产生不均匀分布，不均匀程度随着镉的加入而显著降低。该研究揭示了水稻细胞上硅的有机配体为半纤维素组分，发现了硅可以促进原生质体再生细胞壁，硅-半纤维素复合物可抑制重金属进入细胞内。这些研究成果对于重金属污染的修复，以及解决“镉米杀机”具有重要意义。

论文在线网址：

 Lijun Wang*, Christine V Putnis, Encarnacion Ruiz-Agudo, Jorn Hovelmann, and Andrew Putnis. In Situ Imaging of Interfacial Precipitation of Phosphate on Goethite. Environmental Science & Technology 49, 4184-4192, 2015.（IF=5.481）
    http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.5b00312

    Congwu He, Jie Ma, and Lijun Wang*. A hemicellulose-bound form of silicon with potential to improve the mechanical properties and regeneration of the cell wall of rice. New Phytologist 206, 1051-1062, 2015.（IF=6.545）
    http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.13282/full

    Jie Ma, Hongmei Cai, Congwu He, Wenjun Zhang, Lijun Wang*. A hemicellulose-bound form of silicon inhibits cadmium ion uptake in rice (Oryza sativa) cells. New Phytologist 206, 1063-1074, 2015.（IF=6.545）
    http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.13276/full