中國粉體網9月9日訊  作為全球高新技術領域廣泛使用的稀土元素在給經濟、社會帶來豐厚回報的同時，也正以前所未有的速度與強度進入環(huán)境(土壤、大氣、水與生態(tài)系統)，其潛在的生態(tài)風險日益顯現。對此，中外專家與政府部門均關注“稀土食品安全研究”并呼吁“科學標準的建立”，但迄今尚無生物體中限量的國際標準。其因同稀土影響生物體的一系列關鍵基礎問題的無解，不無關聯。自1917年中、美學者首次發(fā)現稀土鈰對水綿生理作用以來，人們探究17種稀土元素對植物的影響與細胞學機制等已近百年，學術成果累見于中外文獻。遺憾的是，因植物細胞結構更為復雜而令稀土“低促高抑”正負效應的細胞及分子機理等學科前沿難題，迄今無法解答。

　　在國家自然科學基金(21371100, 31170477, 20971069)等項目資助下，南京師范大學稀土生物無機化學課題組黃曉華教授團隊與北大-耶魯植物分子遺傳學及農業(yè)生物技術聯合中心鄧興旺教授團隊合作，以出口經濟作物辣根及模式植物擬南芥為研究對象，以稀土放射自顯影示蹤技術與細胞生物學、生物物理學及細胞無機化學等方法優(yōu)化組合為研究手段，首次揭示輕稀土鑭和重稀土鋱為代表的稀土元素在植物細胞內的行為和生活周期。其研究成果“Rare earth elements activate endocytosis in plant cells”于近期發(fā)表在《美國科學院院刊》(PNAS)上。

　　研究者從不同濃度的稀土離子分別作用于農田及實驗室植物并全生育期進行追蹤研究發(fā)現：⑴外源低劑量稀土未進入細胞，以納米配合物形式錨定于質膜上激活葉細胞內吞作用，繼而引發(fā)胞內至胞外促進細胞擴增的(如胞膜糖基表達、細胞內外Ca2+和K+交換及動態(tài)水平、胞膜組成及脂肪酸量變、DNA及主要礦質元素含量變化等)一系列的響應，使作物產量增加10%-15%；⑵隨外源稀土劑量增高，稀土納米配合物在質膜上增多并通過正常及異常內吞作用進入細胞，在細胞內繼續(xù)強烈地激活內吞。內吞作用過程中，部分包裹稀土納米配合物的內吞泡變成“齒輪形狀”而破裂，將稀土從內吞泡中釋放到細胞質并自組裝成稀土納米簇(產生異常獨特地內吞現象)，繼而沉積于細胞質中；⑶進入細胞內的稀土，大部分隨時間推移遷出細胞，并經葉-莖-根遷移至土壤中。但仍有一些稀土納米簇沉積于細胞質中而不外遷，成為稀土元素在葉細胞里的一種主要累積形態(tài)；⑷伴隨稀土進入細胞并在胞內繼續(xù)激活內吞作用、產生異常內吞現象、稀土胞質內自主裝及沉積過程等，引發(fā)一系列從胞內至胞外的抑制細胞擴增效應，最終導致作物減產。稀土劑量越高，激活內吞作用越強，或致細胞出現傷害、稀土在植物細胞中累積量和作物減產幅度均進一步增加。

　　植物作為生態(tài)系統的創(chuàng)造者，在進化中形成了很低內吞活性特質。正如世界杰出的植物生物學家們(Bob B.Buchanan等)所言，“相對于動物系統中內吞作用的大量著述，植物中相應的研究就很少；植物細胞中低水平的內吞作用活性以及細胞壁的存在大大阻礙了標記分子靠近細胞膜，這大大增加了實驗難度”。該項研究通過學科交叉所建立的組合研究方法，不僅實現了稀土激活植物葉細胞內吞作用靜態(tài)和動態(tài)過程的可視化，且發(fā)現內吞活化是植物細胞對稀土作用的首要響應，可視為稀土作用于植物的細胞學基礎。因此，該研究回答了困惑人們已久的稀土植物無機化學的一些關鍵科學難題，為稀土植物食品限量國際標準的建立提供理論與實驗指導。