马尾中硅沉积的新见解(gydF4y2Ba木贼属arvensegydF4y2Ba）gydF4y2Ba

背景gydF4y2Ba

木贼类(gydF4y2Ba木贼属spgydF4y2Ba)是已知的生物硅化剂，但在这些植物中沉积二氧化硅的机制在很大程度上仍是未知的。水培法生长的马尾草和从野生马尾草中收集的组织提取物在微波炉中酸消化，并用荧光显微镜、PDMPO和荧光显微镜观察它们的二氧化硅“骨架”。gydF4y2Ba

结果gydF4y2Ba

在从根茎到茎，叶和孢子的所有植物区中观察到二氧化硅沉积物。许多结构是硅化的，包括细胞壁，细胞板，等离子体瘤和保护细胞和气孔处于不同的分化阶段。众所周知，马尾沉积的所有主要部位沉积在马尾部模仿的位置和结构，胼unes均已发现，并且这些偶然的二氧化硅和核糖的观察结果提出了调用在马尾中的模板硅沉积的可能性。在没有硅酸的情况下，马尾的水培培养培养导致正常的健康植物，后，酸消化后，在组织中无任何位置沉积二氧化硅。为了测试调用的假设可能是在马其管中的模板沉积的模板中，可商购的核性的核糖与缺乏率和饱和硅酸的饱和溶液和二氧化硅的形成，并通过荧光和荧光显微镜证明二氧化硅。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

胼胝质引发二氧化硅形成的第一个例子是任何生物分子被证明在硅酸的不饱和溶液中诱导而不是催化二氧化硅的形成。这个新发现让我们推测胼胝质及其相关的生化机制可能是我们理解生物硅化过程中缺失的一环。gydF4y2Ba

硅是地壳中含量第二丰富的元素，仅次于氧。也许令人惊讶的是，硅在生物群中的重要性仍然是模棱两可的[gydF4y2Ba1克ydF4y2Ba]．对硅的真正生化本质的难度可能是缺乏任何硅需要的生物化学和特异性Si-C，Si-o-C，Si-N等C的示范。以任何形式的现存生活债券[gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]．然而，尽管有这些限制，硅在植物中的重要性仍然是激烈辩论的主题[gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba4gydF4y2Ba底层机制的细化也是如此。生物硅化作用最近被定义为gydF4y2Ba“硅酸从其浓度不超过其溶解度(< 2 mM)的环境中移动到细胞内或系统分隔室，在细胞内或系统分隔室中，硅酸积累并随后作为无定形水合二氧化硅沉积”。gydF4y2Ba［gydF4y2Ba5gydF4y2Ba和一些已知的植物是生物硅化剂[gydF4y2Ba4gydF4y2Ba]．其中最著名的是马尾草，gydF4y2BaEquisetum sp。gydF4y2Ba，这些植物组织中的硅沉积已被广泛研究[gydF4y2Ba6gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，也许佩里和弗雷泽在这一领域进行的开创性工作[gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]．在这项工作中，使用扫描和透射电子显微镜来阐明从马尾不同区域提取的硅的精细和详细的微观形态和超微结构，gydF4y2Ba木贼属arvensegydF4y2Ba．硅化的气孔和其他硅胶雕塑的图像真正令人叹为观止，组织中二氧化硅的组织水平促使作者推测这一点gydF4y2Ba“二氧化硅作为体内染色剂，在不染色的情况下，在微观和宏观水平上忠实地复制有机基质骨架。”gydF4y2Ba．Perry和Lu(1992)提出，所讨论的有机基质可能是由碳水化合物的聚合物制成的，例如纤维素[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba，最近Fry和他的同事们进一步证实了这一观点，他们推测马尾细胞壁中的半纤维素和胼胝质可能是硅沉积的潜在部位[gydF4y2Ba15gydF4y2Ba]．许多不同的生物分子，通常最初是从生物硅中提取出来的，已经被证明可以加速或催化硅在饱和硅酸溶液中的沉积[gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]．然而，生物硅化剂，如马尾草，从远离饱和的溶液中获取硅酸，并将其沉积为无定形的水合二氧化硅，这是这一机制的说明，这仍然是“gydF4y2Ba圣杯gydF4y2Ba的生物硅化研究[gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]．gydF4y2Ba

在此，我们从佩里和弗雷泽的工作中获得了灵感[gydF4y2Ba13gydF4y2Ba我们利用荧光显微镜研究了马尾植物的生物硅化作用，并确定了在该植物中模板沉积二氧化硅的有机基质。gydF4y2Ba

PDMPO作为生物硅化反应的荧光标记物gydF4y2Ba

微波辅助酸消化马尾草，无论是在硅酸存在的情况下水培生长，还是在从野外收集的植物中生长，都会产生硅沉积和“骨架”，并成功地用氟PDMPO进行标记。从根茎到球果的孢子，在该植物所有区域的酸消化液中都发现了二氧化硅。根中没有结构独特的硅骨架，只有弥漫性的硅质物质沉积物(图)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba）.基底茎的二氧化硅骨架显示表皮样细胞，30-40μm宽和100-300μm长，具有重硅壁和近似等距的壁在壁内的二氧化硅沉积，这暗示了Plasmodesmata的预期位置。每个'二氧化硅细胞'包括直径为10至20μm的无定形球形二氧化硅沉积，其具有核或囊泡的外观。偶尔也偶尔硅化（如增强的荧光所示）气孔的骨架，约40μm宽和70μm长，这似乎处于分化的各个阶段（图gydF4y2Ba1 bgydF4y2Ba）.在基部茎的其他硅石骨骼中，其部分的特征是有许多直径小于1 μm的小的点状硅石沉积物，而气孔，gydF4y2BacagydF4y2Ba直径40-50 μm，数量较多，仅轻微硅化，许多似乎成对连接。邻近的表皮样细胞gydF4y2BacagydF4y2Ba长100-200 μm，宽40-50 μm，包括高荧光二氧化硅沉积，伴随其母硅细胞出现分裂过程(图)gydF4y2Ba1 cgydF4y2Ba）.部分硅化茎段显示100 ~ 400 μm长度的二氧化硅细胞，但在其他茎段中没有胞内、细胞核/囊泡样沉积物。硅化的细胞壁严重内陷，同样包括点状和等距沉积的二氧化硅，这可能是以前认为的胞间连丝的位置(图)gydF4y2Ba1 dgydF4y2Ba）.远端茎段的硅骨与基部的硅骨有很大的不同，主要表现为直径约为20 ~ 30 μm的蔷花状硅沉积以及气孔保卫细胞上镶嵌的硅沉积gydF4y2BacagydF4y2Ba直径1-2 μm，类似“牙齿”，延伸到气孔(图)gydF4y2Ba1 egydF4y2Ba）.这些二氧化硅莲座似乎在结点区域被进一步细化，在那里它们形成了甜甜圈状的结构，直到gydF4y2BacagydF4y2Ba直径为40 μm，具有明显的硅化孔隙印象(图gydF4y2Ba1 fgydF4y2Ba）.其他节区显示长，gydF4y2BacagydF4y2Ba200-500 μm，表皮样细胞，其锯齿状细胞壁严重硅化。在这些结构中既没有点状的硅沉积，也没有明显的胞内硅包裹体(图)gydF4y2Ba1克gydF4y2Ba）.叶子显示出的二氧化硅骨架与节点区域的非常相似，尽管可能显示出更高密度的莲座状二氧化硅结构(图)gydF4y2Ba1 hgydF4y2Ba）.气孔在叶片的某些部分中含有大量硅化，并且显示出清晰的解剖细胞，包括孔形成保护细胞之间的侧环。再次口动常用于由不同直径的硅化螺纹连接的对（图gydF4y2Ba1我gydF4y2Ba）.孢子被发现严重硅化，与孢子壁有关，并以亚微米点状硅沉积在直径在20至40 μm之间的硅化孢子上(见图)gydF4y2Ba1 jgydF4y2Ba）.在无硅酸的水培条件下，从野外采集的根茎中生长的马尾，生长正常，对硅无明显需求。对这些植物组织的酸消化没有发现硅沉积或骨骼。gydF4y2Ba

马尾中pdmpo标记的硅沉积gydF4y2Ba．gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba．粉末;gydF4y2BabgydF4y2Ba．基部的茎，箭头(主和插入)表示与细胞壁相关的点状二氧化硅沉积物;gydF4y2BacgydF4y2Ba．基茎，箭头(插入)表示在分裂细胞之间的细胞板上硅沉积;gydF4y2BadgydF4y2Ba．基茎，箭头(插入)表明点状硅沉积与高度内陷的细胞壁;gydF4y2BaegydF4y2Ba．远端茎，显示(主要和插入)莲座状二氧化硅结构和严重硅化气孔;gydF4y2BafgydF4y2Ba．节点，显示高密度的硅化结构，包括甜甜圈状孔隙(插入);gydF4y2BaggydF4y2Ba．结，富硅细胞壁呈锯齿状;gydF4y2BahgydF4y2Ba．叶，呈高密度的莲座状二氧化硅结构;gydF4y2Ba我gydF4y2Ba．叶，显示二氧化硅与气孔的亲密联系(插入);gydF4y2BajgydF4y2Ba．孢子，显示严重硅化的孢子，包括孢子表面有点状硅沉积。规模的酒吧;100 μm - d,e,f,g,h,i;200 μm - a,b,c,j。gydF4y2Ba

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PDMPO作为二氧化硅形成的荧光指示剂在体外gydF4y2Ba

在pH为7的缓冲溶液中，包括0.125 μM PDMPO，没有显示二氧化硅的绿色荧光，只有偶尔的蓝色荧光粒子，这可能是由于缓冲液中的灰尘或不溶性污染物(图)gydF4y2Ba2gydF4y2Ba）.pH为7，含5%的缓冲溶液gydF4y2Baw / vgydF4y2Ba胼胝质和PDMPO，而不是Si(OH)gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba，无绿色荧光，胼胝质为无定形蓝色荧光(图)gydF4y2Ba2 bgydF4y2Ba）.pH = 7，含1mm Si(OH)的缓冲溶液gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba(欠饱和)和5%gydF4y2Baw / vgydF4y2Ba胼胝质在PDMPO存在时表现出明显的绿色荧光(图)gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba）.荧光材料主要由亚微米大小的粒子聚集物组成(图)gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba(插入和箭头)，这些似乎与蓝色荧光胼胝质相关或闭塞。同样的溶液在没有胼胝质的情况下没有绿色荧光，与图像相似gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．pH为7的缓冲溶液中含有2 mM Si(OH)gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba和5％gydF4y2Baw / vgydF4y2Ba与1 mM Si(OH)相比，pdmpo阳性绿色荧光更广泛。gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba并包括弥漫性和颗粒性材料，后者仍然主要由亚微米大小的颗粒组成(图gydF4y2Ba二维gydF4y2Ba）.同样的溶液在没有胼胝质的情况下显示出明显较少的pdmpo阳性绿色荧光，荧光物质的外观和大小与有胼胝质的情况相似(图)gydF4y2Ba2 egydF4y2Ba）.在缓冲溶液中，其中si的浓度（哦）gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba为4 mM(饱和)时，有显著的pdmpo阳性物质絮凝体，特别是在含有5%gydF4y2Baw / vgydF4y2Ba胼胝质(图gydF4y2Ba2 fgydF4y2Ba）.gydF4y2Ba

PDMPO标记的二氧化硅体外gydF4y2Ba．[PDMPO]均为0.125 μM;pH值7时，所有溶液均为20mm PIPES。所有[胼胝]都是5%gydF4y2Baw / vgydF4y2Ba．gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba．PDMPO;gydF4y2BabgydF4y2Ba．PDMPO +胼胝质;gydF4y2BacgydF4y2Ba．PDMPO +胼胝质+ 1mm Si(OH)gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba；插入显示了一个二氧化硅簇的特写;gydF4y2BadgydF4y2Ba．PDMPO +胼胝质+ 2 mM Si(OH)gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba；插入物显示了沉淀二氧化硅的特写;gydF4y2BaegydF4y2Ba．PDMPO + 2 mM Si(OH)gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba；插入物显示了二氧化硅的特写;gydF4y2BafgydF4y2Ba．pdmpo +胼callose + 4 mm si（哦）gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba；插入物显示了在这种处理中形成的二氧化硅的例子。规模的酒吧;100 μm - b-f;200 μm - a。gydF4y2Ba

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在不饱和的（2mm）的Si（OH）溶液中存在二氧化硅gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba在pH7，包括5％gydF4y2Baw / vgydF4y2Ba荧光光谱法进一步支持胼胝质，荧光光谱法显示胼胝质的最大发射波长从450到510 nm(图)gydF4y2Ba3 a, bgydF4y2Ba）.在饱和(7 mM)的Si(OH)溶液中，证实了这种位移是由于硅的形成。gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba在相同的解决方案条件下（图gydF4y2Ba3 cgydF4y2Ba）.在有胼胝质的情况下，硅依赖的转变明显比没有胼胝质的情况下更明显。gydF4y2Ba

发射光谱（Perkin-Elmer LS50B; ex; 338nm; em：400-650nm）在pH7的20 mm管溶液中为0.125μmpdmpogydF4y2Ba和gydF4y2Ba；gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba．有或没有5%gydF4y2Baw / vgydF4y2Ba胼胝质;gydF4y2BabgydF4y2Ba．2毫米Si(哦)gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba有或没有5%gydF4y2Baw / vgydF4y2Ba胼胝质;gydF4y2BacgydF4y2Ba．7毫米Si(哦)gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba有或没有5%gydF4y2Baw / vgydF4y2Ba胼胝质。gydF4y2Ba

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当马尾草的新鲜或干燥样本用微波炉在浓酸中消化时，所有与植物相关的有机物质都完全溶解了，留下了不同植物区域精细的硅“骨架”。这些二氧化硅悬浮液保持在pH为7的缓冲溶液中，其中含有荧光探针PDMPO，可以通过荧光显微镜观察它们的详细结构(图)gydF4y2Ba1克ydF4y2Ba）.值得注意的是，马尾草在完全不添加硅酸的情况下水栽生长10周，但在组织消化后没有留下任何硅的痕迹。虽然没有直接的证据表明,马尾正常生长所需要的硅后观察到10周的水培没有添加硅酸有些植物萎蔫和变黑的远端分支提示“silicon-deficiency”观察到的症状类似陈和列文(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba]．然而，这里的这些症状同时出现在植物的部分中，其中有粉状霉菌真菌感染的证据，因此他们是否是硅缺乏或真菌感染的结果[gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]．在添加的硅酸存在下生长的植物中没有发现真菌感染。虽然在本地收集的马尾内清楚或在硅 - 填充水培介质中被种植的，但是在整个茎中广泛沉积二氧化硅，并且叶片某些结构显示出强烈的荧光，其在这些区域中提出了显着的二氧化硅沉积物。气孔通常是漂亮的荧光（图gydF4y2Ba1克ydF4y2Ba)，并发现马尾蕨气孔的硅化作用与相关蕨类植物气孔形成和保卫细胞分化过程中半纤维素、胼胝质的沉积相似。gydF4y2BaAsplenium nidus.gydF4y2Ba［gydF4y2Ba19gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]．胼胝质气孔结构沉积的相似性gydF4y2BaA. NIDUS.gydF4y2Ba和硅gydF4y2Ba大肠arvensegydF4y2Ba是显著的。例如，在早期的细胞动力学后保卫细胞中，新生的腹壁被硅化(图gydF4y2Ba4AgydF4y2Ba）.在后来的例子中，腹壁、背壁和周壁以及壁增厚均被硅化(图)gydF4y2Ba4B.gydF4y2Ba）.在一些气孔中，当气孔形成时，腹壁中心的硅化作用减少(图)gydF4y2Ba4C.gydF4y2Ba）.随后，在进一步分化的气孔例子中，在气孔形成的周壁观察到硅纤维放射状排列(图)gydF4y2Ba4D.gydF4y2Ba）.最后，在更成熟的气孔中，壁增厚被硅化，并观察到与细胞壁相关的点状硅沉积(图)gydF4y2Ba4EgydF4y2Ba）.在更成熟的气孔中，还观察到石英孔隙的环形环（图gydF4y2Ba1我gydF4y2Ba）.所有这些关于硅沉积的观察gydF4y2Ba大肠arvensegydF4y2Ba已被确定为胼胝质沉积的位置gydF4y2BaA. NIDUS.gydF4y2Ba(图gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)，在Apostolakos及其同事最近的开创性和详细研究中[gydF4y2Ba19gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]．在气孔分化过程中已知的胼胝质沉积与二氧化硅的存在之间的这些非常密切的联系，现在强烈地暗示了胼胝质，或者可能是胼胝质与底层微管阵列一起，在指导马尾植物气孔的硅化过程中。进一步有力的证据表明胼胝质参与了马尾其他部位硅质沉积的模板化，在细胞分裂的硅骨架中观察到(图)gydF4y2Ba5gydF4y2Ba）.二氧化硅沉积在膜层，并最终沉积在细胞板和分裂子细胞的年轻细胞壁，与细胞分裂过程中已知的胼胝质的沉积相一致[gydF4y2Ba22gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba24gydF4y2Ba]．在一些分裂早期的细胞中，在某些情况下，在硅胶沉积于phragmoplasm之前，出现的子细胞的胞质(可能还有核)片段被发现严重硅化(图)gydF4y2Ba1 cgydF4y2Ba）.这些二氧化硅的核/囊泡'的身份是一种谜，尽管它们可以在细胞分裂期间为细胞溶质和核材料分配给予胼ise的作用提供证据？细胞壁内二氧化硅的显着沉积是通过马尾细胞壁的已知存在的已知存在[gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba15gydF4y2Ba，gydF4y2Ba25gydF4y2Ba，gydF4y2Ba26gydF4y2Ba]．此外，与细胞壁相关联的等距离点状二氧化硅沉积可能再次表明了胞间连丝中已知的胼胝质的沉积(图)gydF4y2Ba1B，DgydF4y2Ba)[gydF4y2Ba27gydF4y2Ba，gydF4y2Ba28gydF4y2Ba]．最后，严重硅化的孢子(图gydF4y2Ba1 jgydF4y2Ba)也可能是已知胼胝质沉积在植物繁殖过程中所起作用的证据[gydF4y2Ba24gydF4y2Ba，gydF4y2Ba29gydF4y2Ba]．在马尾中观察到的其他二氧化硅沉积也可能与胼胝质沉积有关。例如，点状二氧化硅沉积物，有时是单一的，有时有组织成莲座状结构，可以在茎和叶组织中发现，它们与成熟气孔中发现的相同，在成熟气孔中它们被认为模仿胼胝质沉积[gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba]．此外，在叶片组织中还发现了内径为3 ~ 5 μm的硅化孔(图3)gydF4y2Ba1 fgydF4y2Ba)与胼胝质筛孔没有什么不同，例如，在gydF4y2Ba答:芥gydF4y2Ba［gydF4y2Ba31gydF4y2Ba]．我们已经成功地应用了氟PDMPO来证明马尾中二氧化硅的沉积，在此过程中，我们确定了马尾生物硅化的几个新方面，特别是我们强调了胼胝质在模板沉积二氧化硅中的潜在作用。胼胝质生物化学，当然，是必不可少的马尾[gydF4y2Ba15gydF4y2Ba，gydF4y2Ba25gydF4y2Ba]，如在蕨类植物等其他植物中[gydF4y2Ba19gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba21gydF4y2Ba[所以它没有立即明显测试如何测试胼段是否需要胼u沉积。例如，如果胼ins合酶基因被敲出，马尾不太可能生长和/或繁荣。然而，我们已经能够通过证明Si（OH）的不饱和溶液来支持链接二氧化硅和呼应沉积的显微镜证据。gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba(即含[Si(OH)]的溶液gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba≤2mm）可以在核糖存在下诱导形成二氧化硅。通过荧光显微镜确认二氧化硅的形成（图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba）和荧光法（图gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba)，在这种原始结果的通常约束下，我们相信这是第一次硅(OH)的欠饱和溶液gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba在室温和压力下，仅仅通过添加生物分子就诱导形成了二氧化硅。当从马尾中提取的二氧化硅添加到pH为7、含有0.125 μM PDMPO的20 mM管道缓冲溶液中时，发射光谱变化为一个单一的发射最大值在gydF4y2BacagydF4y2Ba510海里。这一阳性对照证实了已知的硅诱导的荧光PDMPO发射光谱的位移。在相同条件下，但含5%的溶液也出现了类似的变化gydF4y2BawgydF4y2Ba/ v召唤和2或4 mm si（oh）gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba(图gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba）.前者是Si(OH)的欠饱和溶液。gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba并首次证明胼胝质可以诱导Si(OH)gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba自动密封和形成二氧化硅。然而gydF4y2Ba在体外gydF4y2Ba证据是含有仅1 mm Si的制剂中最引人注目的（哦）gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba通过荧光显微镜观察（图gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba）.在没有胼胝质的情况下，荧光显微镜无法在这种制备中识别硅质，而在有胼胝质的情况下，有清晰且大量的硅质沉积，其中一些是球形的，直径约为0.5 - 1.0 μm。有趣的是，二氧化硅体与胼胝质聚合物网络密切相关，被鉴定为蓝色荧光，这表明凝胶状胼胝质产生的约束环境为Si(OH)的欠饱和溶液提供了条件。gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba(1 mM)可以被“诱骗”进行自动缩合，随后向稳定的二氧化硅聚集体生长。胼胝质是一种线性均聚物，主要由β-1,3-连接的葡萄糖残基组成，在这里使用的浓度，gydF4y2BacagydF4y2Ba5％gydF4y2Baw / vgydF4y2Ba，将形成粘弹性凝胶[gydF4y2Ba32gydF4y2Ba当硅酸在胼胝质基质中缓慢扩散时，葡萄糖单体上羟基的取向可能会引发硅酸自动缩合的第一步。胼胝质聚合物网络上的羟基在某种程度上成为Si(OH)自缩合的能量垒。gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba一旦第一个Si-O-Si键形成，进一步的缩合反应可以更容易地进行，最终形成观察到的硅聚集体，如图中所示gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba．虽然需要进一步的实验来描绘核糖的条件范围，但在Si（OH）的不饱和溶液中诱导二氧化硅形成gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba而这一点的确切机制我们现在具有长期追捧的生物分子，其可以作为二氧化硅形成和沉积的模板gydF4y2Ba在体外gydF4y2Ba．如果这也是马尾藻中二氧化硅沉积机制的基础，那么它也可能在其他产生胼胝质的生物硅化剂(如硅藻)中具有重要意义[gydF4y2Ba33gydF4y2Ba]．如果召唤是键，那么相关的生物化学，包括诸如核糖合酶（潜在催化的Si-O-Si键形成）和β-1,3-葡聚糖酶（潜在地切割Si-O-Si键）的酶[gydF4y2Ba25gydF4y2Ba将在硅骨架的建模和重塑中发挥关键作用。硅石在马尾植物中的沉积已经被研究了几十年，现在我们有了硅石在马尾植物中沉积的可能机制，也可能是生物硅化的一般机制。gydF4y2Ba

气孔分化过程中胼胝质(图解)和硅质(荧光图像)的沉积gydF4y2Ba大肠arvensegydF4y2Ba．gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba．细胞动力学后保卫细胞新生腹壁(VW)胼胝质(黄色)和硅质(箭头)沉积;gydF4y2BabgydF4y2Ba．周壁和背壁(DW)有胼胝质(黄色)和硅质(箭头)的沉积，腹壁有胼胝质/硅质残留;gydF4y2BacgydF4y2Ba．孔启动时，胼胝质(黄色)和硅质(箭头)从腹壁中心消失;gydF4y2BadgydF4y2Ba．气孔形成时胼胝质(黄色)和硅质(箭头)呈放射状纤维排列;gydF4y2BaegydF4y2Ba．气孔形成时，胼胝质(黄色)和硅质(箭头)以点状沉积在保卫细胞壁上。所有气孔gydF4y2BacagydF4y2Ba直径40 μm。从[gydF4y2Ba19gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]．gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

A，B pdmpo标记细胞板和幼细胞壁（箭头）在细胞内细胞中形成的二氧化硅沉积gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

氟PDMPO已被用于识别马尾中的硅沉积，并为该工厂的硅化提供了新的见解。我们观察到，马尾草中的硅质沉积与蕨类和其他植物中已知的胼胝质沉积完全一致。胼胝质被证明在硅酸的欠饱和溶液中诱导二氧化硅的形成和沉淀。这是第一次对任何生物分子进行证明，它表明胼胝质和其他类似的碳水化合物可能是生物硅化的关键分子。gydF4y2Ba

马尾水培gydF4y2Ba

马尾(gydF4y2Ba木贼属arvensegydF4y2Ba)局部采集根茎，用超纯水(电导率< 0.067 μS/cm)冲洗，1/6水培培养gydF4y2Ba^thgydF4y2BaMS培养基中有(2mm)或没有添加硅酸。后一种媒体包括额外的8mm NagydF4y2Ba^+gydF4y2Ba以钠来解释Si的加入gydF4y2Ba_4gydF4y2BaSiOgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba．在25°C条件下，经过14 h光照/10 h暗循环10-12周后，健康的马尾植物在两种条件下都生长了。gydF4y2Ba

马尾物质的消化gydF4y2Ba

马尾草，无论是本地收集或水田栽培，洗涤在超纯水，让风干，切成离散的1厘米的根茎/根，基部茎，远端茎，节区域和叶和gydF4y2BacagydF4y2Ba每个0.5 g放入酸洗20ml PFA特氟隆gydF4y2Ba^©gydF4y2Ba血管。然后将样品在15.8M HNO的1:1混合物中消化gydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba和18.4 HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba所以gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba使用Mars Xpress微波炉(CEM微波科技有限公司)。酸消化液是清晰的，用8毫升超纯水稀释后，过滤残留物，再用更多体积的超纯水洗涤几次。然后将过滤器放置在37°C的培养箱中的塑料培养皿中，以达到几天的干燥。然后将每个过滤器上的干残留物收集到Bijoux管中，并储存在一个干燥、密封的有机玻璃橱柜中。gydF4y2Ba

马尾硅胶的PDMPO标签gydF4y2Ba

从过滤器中收集的二氧化硅残留物悬浮在20 mM PIPES中，pH为7，含0.125 μM 2-(4-吡啶)-5-((4-(2-二甲氨基乙胺氨基甲酰)-甲氧基)苯基)恶唑(PDMPO;LysoSensor黄色/蓝色DND-160, 1 mM in DMSO)。这种细胞内pH探针[gydF4y2Ba34gydF4y2Ba]已被证明与二氧化硅(而非硅酸)结合，并在338 nm激发时发出“绿色”荧光[gydF4y2Ba35gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba38gydF4y2Ba]．悬浮液放置24小时，使二氧化硅表面和PDMPO之间的反应完成，之后将50 μL样品转移到空腔载玻片上，使用带BXFLA荧光附件的奥林巴斯BX50进行观察，使用U-MWU过滤器立方体(例如:333-385 nm;新兴市场:400 - 700 nm)。使用ColourView III数码相机(OSIS FireWire camera 3.0数字化仪)与CELL*成像软件(Olympus CELL* family, Olympus Soft Imaging solutions GmbH 3.0)进行图像采集。gydF4y2Ba

胼胝质和硅酸的体外制备gydF4y2Ba

胼胝质(β-D葡聚糖，大麦，西格玛，英国)溶于5%gydF4y2Baw / vgydF4y2BapH值7，含0,1,2,4和7 mM Si(OH)的20mm PIPES缓冲溶液gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba通过将每种制剂加热在100℃的水浴中60秒。冷却至室温后，将PDMPO加入0.125μm的浓度。没有添加核糖的等效控制解决方案以相同的方式处理。然后将所有溶液在暗中在室温下在荧光显微镜检查前5天，见清膜，或者通过荧光测定法测定它们的发射光谱; ex; ex; 338 nm; em：400-650nm）如前所述[gydF4y2Ba35gydF4y2Ba]．gydF4y2Ba

CL获得了NERC的学生奖学金。gydF4y2Ba

从属关系gydF4y2Ba

1. Birchall中心，Lennard-Jones Laboratories，Keele大学，斯塔福德郡，ST5 5BG，英国gydF4y2Ba

   Chinnoi Law和Christopher ExleygydF4y2Ba

相应的作者gydF4y2Ba

对应于gydF4y2Ba克里斯托弗·埃克斯利gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

相互竞争的利益gydF4y2Ba

提交人声明他们没有竞争利益。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

CE设计了这项研究，并提供了实验方法方面的培训和指导。CE撰写并准备了手稿的初稿。CL进行了大部分的实验工作，并帮助撰写了手稿。gydF4y2Ba

两位作者均已阅读并批准本手稿。gydF4y2Ba

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再版和权限gydF4y2Ba