Size effects in the constrained deformation of metallic foams

The constrained deformation of an aluminium alloy foam sandwiched between steel substrates has been investigated. The sandwich plates are subjected to through-thickness shear and normal loading, and it is found that the face sheets constrain the foam against plastic deformation and result in a size effect: the yield strength increases with diminishing thickness of foam layer. The strain distribution across the foam core has been measured by a visual strain mapping technique, and a boundary layer of reduced straining was observed adjacent to the face sheets. The deformation response of the aluminium foam layer was modelled by the elastic-plastic finite element analysis of regular and irregular two dimensional honeycombs, bonded to rigid face sheets; in the simulations, the rotation of the boundary nodes of the cell-wall beam elements was set to zero to simulate full constraint from the rigid face sheets. It is found that the regular honeycomb under-estimates the size effect whereas the irregular honeycomb provides a faithful representation of both the observed size effect and the observed strain profile through the foam layer. Additionally, a compressible version of the Fleck-Hutchinson strain gradient theory was used to predict the size effect; by identifying the cell edge length as the relevant microstructural length scale the strain gradient model is able to reproduce the observed strain profiles across the layer and the thickness dependence of strength. © 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Effect of imperfections on the yielding of two-dimensional foams

The influence of each of the six different types of morphological imperfection - waviness, non-uniform cell wall thickness, cell-size variations, fractured cell walls, cell-wall misalignments, and missing cells - on the yielding of 2D cellular solids has been studied systematically for biaxial loading. Emphasis is placed on quantifying the knock-down effect of these defects on the hydrostatic yield strength and upon understanding the associated deformation mechanisms. The simulations in the present study indicate that the high hydrostatic strength, characteristic of ideal honeycombs, is reduced to a level comparable with the deviatoric strength by several types of defect. The common source of this large knock-down is a switch in deformation mode from cell wall stretching to cell wall bending under hydrostatic loading. Fractured cell edges produce the largest knock-down effect on the yield strength of 2D foams, followed in order by missing cells, wavy cell edges, cell edge misalignments, Γ Voronoi cells, δ Voronoi cells, and non-uniform wall thickness. A simple elliptical yield function with two adjustable material parameters successfully fits the numerically predicted yield surfaces for the imperfect 2D foams, and shows potential as a phenomenological constitutive law to guide the design of structural components made from metallic foams.

Fracture Mechanisms And Size Effects Of Brittle Metallic Foams: In Situ Compression Tests Inside Sem

In situ compressive tests on specially designed small samples made from brittle metallic foams were accomplished in a loading device equipped in the scanning electron microscopy (SEM). Each of the small samples comprises only several cells in the effective test zone (ETZ), with one major cell in the middle. In such a system one can not only obtain sequential collapse-process images of a single cell and its cell walls with high resolution, but also correlate the detailed failure behaviour of the cell walls with the stress-strain response, therefore reveal the mechanisms of energy absorption in the mesoscopic scale. Meanwhile, the stress-strain behaviour is quite different from that of bulk foams in dimensions of enough large, indicating a strong size effect. According to the in situ observations, four failure modes in the cell-wall level were summarized, and these modes account for the mesoscopic mechanisms of energy absorption. Paralleled compression tests on bulk samples were also carried out, and it is found that both fracturing of a single cell and developing of fracture bands are defect-directed or weakness-directed processes. The mechanical properties of the brittle aluminum foams obtained from the present tests agree well with the size effect model for ductile cellular solids proposed by Onck et al. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Respuesta a la sequía de Pinus radiata D. Don y su implicación en los procesos de tolerancia

160 p. (Bibliogr. 141-160)

Estudo da virulência, adesão e características fenotípicas de isolados do complexo Sporothrix

A esporotricose é uma doença micótica, infecciosa e crônica, que envolve o tecido cutâneo e subcutâneo, e que pode afetar seres humanos e animais. Esta micose sempre foi atribuída a um único patógeno, o Sporothrix schenckii, um fungo termodimórfico, que cresce como levedura a 37 C e como micélio à temperatura ambiente. No entanto, nos últimos anos, foi demonstrado que isolados identificados como S. schenckii apresentavam grande variabilidade genética, sugerindo que este táxon consiste em um complexo de espécies. Esta doença é causada pela implantação traumática do patógeno fúngico, porém, os mecanismos de invasão e disseminação deste microorganismo, bem como as moléculas envolvidas nestes processos, ainda são pouco conhecidos. Com base nessas informações, este trabalho visa identificar moléculas de superfície deste patógeno envolvidas na interação deste fungo com proteínas matriciais, bem como analisar diferenças fenotípicas entre espécies do denominado complexo Sporothrix. Foram utilizados, neste estudo, cinco isolados de Sporothrix spp., sendo três isolados clínicos, um isolado ambiental e um isolado de gato. A virulência de cada isolado foi comparada à capacidade adesiva à proteína matricial fibronectina. Foi observado que os isolados com maior capacidade infectiva eram os que apresentavam maior capacidade adesiva à fibronectina. Verificamos então a expressão de adesinas para fibronectina na superfície de cada isolado, por Western blot, e observamos que os isolados mais virulentos e com maior capacidade adesiva expressavam mais adesinas para fibronectina. Bandas reativas com o anticorpo monoclonal contra adesina gp70 (mAb P6E7) foram reveladas nos extratos de parede celular dos isolados estudados. Análises por microscopia confocal revelaram a co-localização da gp70 com a adesina para fibronectina na superfície dos isolados. Análises filogenéticas demonstraram que os isolados estudados possuíam diferenças genotípicas capazes de agrupá-los em duas espécies, S. schenckii e S. brasiliensis. Esta análise revelou que o isolado avirulento era S. brasiliensis e não S. schenckii, como se pensava. Este dado novo nos levou a verificar se a virulência e as características fenotípicas estariam relacionadas ao genótipo. A avaliação da virulência mostrou que outro isolado de S. brasiliensis era tão virulento quanto os isolados de S. schenckii. Além disso, as características morfológicas, como tamanho, forma e perfil de crescimento, das fases miceliana e leveduriforme, e características microscópicas da parede das leveduras também foram avaliadas. Porém, não foi possível correlacionar, de forma clara, a morfologia celular com a especiação do gênero Sporothrix. A expressão da gp70 na superfície das duas espécies foi verificada e foi observado que o isolado virulento de S. brasiliensis quase não expressa a gp70 na sua superfície em contraste com o isolado avirulento de S. brasiliensis, que além de expressar esta glicoproteína em grande quantidade ainda a libera para o meio extracelular. Este estudo mostra que há uma correlação direta entre virulência e expressão de adesinas, porém, sem qualquer relação entre características fenotípicas e genótipo.

Análise proteômica comparativa dos componentes da superfície celular e do secretoma de Aspergillus fumigatus

Aspergillus fumigatus é o principal agente etiológico da aspergilose invasiva, infecção fúngica oportunista com altas taxas de mortalidade afetando, principalmente, pacientes com neutropenia profunda e prolongada. Durante o processo de invasão e disseminação características desta infecção sistêmica, os conídios do fungo inalados e não eliminados pelas células do sistema imune inato diferenciam-se em hifas que, por sua vez, são angioinvasivas. Pouco se conhece sobre as moléculas da parede celular envolvidas na patogênese do A. fumigatus e/ou secretadas por este patógeno. Neste contexto, este trabalho procura ampliar o entendimento desta doença através do estudo de proteínas diferencialmente expressas na superfície de A. fumigatus durante a morfogênese. Foi utilizada uma abordagem proteômica e foram estudados extratos de superfície de células de A. fumigatus em diferentes estágios durante o processo de filamentação. Estas células foram denominadas, de acordo com o tempo de cultivo e a morfologia, como: TG6h (tubo germinativo), H12h ou H72h (hifas). As proteínas de superfície celular foram extraídas, a partir de células intactas, por tratamento brando com o agente redutor DTT (ditiotreitol). Observou-se que o perfil funcional das proteínas expressas por H12h e H72h foi similar, com exceção de proteínas relacionadas à resposta ao estresse, enquanto o perfil para TG6h apresentou diferenças significativas para vários grupos funcionais de proteínas quando comparado às hifas. Desta forma, foram realizados experimentos de proteômica diferencial entre tubo germinativo (TG6h) e a hifa madura (H72h), pela técnica de DIGE (differential gel electrophoresis). Os resultados revelaram que entre as proteínas diferencialmente expressas, aquelas relacionadas às vias de biossíntese e outras denominadas multifuncionais encontraram-se superexpressas em TG6h. Em relação às proteínas de resposta a estresse, observou-se que algumas HSPs eram mais expressas neste morfotipo, enquanto a MnSOD, relativa à resposta ao estresse oxidativo, era mais abundante na hifa. Com exceção da PhiA, integrante da parede celular, as proteínas identificadas como diferencialmente expressas na superfície do A. fumigatus não possuem sinal para secreção identificável, enquadrando-se nas proteínas atípicas de superfície. Foi verificada a integridade da membrana celular após tratamento com DTT, bem como a marcação por biotina das proteínas extraídas, o que comprovou sua localização superficial na célula fúngica. Hipóteses de que estas proteínas sejam endereçadas à parede celular por via secretória alternativa sustentam estes dados. Estas evidências foram confirmadas pelo fato de não terem sido encontradas as mesmas proteínas da superfície na análise do secretoma do A. fumigatus. Além disso, todas as proteínas caracterizadas no secretoma apresentavam sinal de secreção determinado pelo FunSecKB (www.proteomics.ysu.edu/secretomes/fungi.php). A análise do secretoma foi realizada utilizando-se a cepa selvagem AF293 e a mutante ∆prtT, mutante para um fator de transcrição que atua na regulação da secreção de proteases. Os resultados revelam a ALP1 como expressa na cepa selvagem, assim como outras proteases importantes para virulência e desenvolvimento da célula fúngica, estando suprimidas quando o gene prtT foi deletado.

Análise da via Wnt e seu envolvimento no processo da tumorigênese do câncer colo-retal

O câncer colo-retal (CCR) representa o quarto tipo de câncer mais freqüente no Brasil entre homens e mulheres e a sobrevida para esse tipo de neoplasia é considerada boa, se a doença for diagnosticada em estádio inicial. Neste tipo de câncer a progressão do adenoma (tumor benigno) para o adenocarcinoma (tumor maligno) é dependente do acúmulo de mutações em diversos oncogenes e genes supressores de tumor. Estas mutações podem levar a alterações de importantes vias de sinalização que controlam estes eventos como, por exemplo, as vias Wnt e EGFR. No entanto, os mecanismos moleculares e celulares mediados por estas vias durante a progressão do CCR permanecem por serem definidos. Neste trabalho foi avaliada a participação da via Wnt e do EGFR durante a progressão do CCR usando células Caco-2, uma linhagem celular derivada de adenocarcinoma de cólon humano como modelo. As células foram tratadas com EGF, ativador da via EGFR, e cloreto de lítio (LiCl), um conhecido inibidor da enzima GSK-3β e conseqüentemente, ativador da via Wnt, ou alternativamente com a combinação de ambas drogas. Após os tratamentos, foi avaliada a morfologia celular, localização e expressão de proteínas juncionais, os padrões proliferativos e do ciclo celular e o potencial tumorigênico (migração e formação de colônias). Nossos resultados mostram que a localização subcelular das proteínas juncionais claudina-1 e β-catenina foi alterada após tratamento com EGF e LiCl, porém a expressão não foi afetada. A localização nuclear de β-catenina, um marcador da ativação da via Wnt, foi observada após tratamento com ambos os compostos, no entanto estes agentes modularam a enzima GSK-3β de forma diferencial. Além disso, tratamento com EGF aumentou a capacidade proliferativa e migratória da célula, mas não alterou a formação de colônias. LiCl, apesar de ser um conhecido ativador da via Wnt, inibiu o aumento da proliferação e migração causado pelo EGF, como visto pelo tratamento das células com EGF+LiCl, e reduziu a formação de colônias. Nossos resultados revelaram que LiCl possui uma atividade supressora de tumor o que pode representar um novo papel para este composto como um possível agente terapêutico para o tratamento do CCR.

Biossorção de lantânio por Sargassum sp.: ensaios em batelada e contínuos

Diante dos avanços tecnológicos, pesquisadores têm intensificado a busca por métodos de remoção de metais, que tragam bons resultados de captação a partir de efluentes contaminados, aliados a um baixo custo. A utilização de materiais biológicos como algas marinhas, fungos e bactérias vem se destacando e se tornando uma solução atrativa quando comparados com os tratamentos químicos convencionais; essa técnica é denominada biossorção. A biossorção é um processo de captação de íons metálicos de uma solução, a partir de interações entre o metal e determinados sítios ativos presentes na parede celular da biomassa. Existe também um crescente interesse pelo estudo dos elementos de terras raras (TR) por possuirem alto valor agregado, acarretado por processos caros e de alta complexidade na sua separação e purificação. Desta forma, este trabalho teve como objetivo descrever o potencial de biossorção de lantânio - um representante dos TR - pela macroalga Sargassum sp., a partir de soluções aquosas. Para isso foram realizados estudos em batelada, aplicando modelos cinéticos e de equilíbrio, e estudos em regime contínuo de biossorção dos íons de lantânio (III), além de um sistema contínuo bimetálico, no qual houve a adição do metal cério, outro TR. As determinações analíticas foram realizadas por espectrometria de emissão ótica por plasma indutivamente acoplado. Os ensaios cinéticos foram realizados nas concentrações metálicas de 10 e 100 mg.L-1 e em duas concentrações distintas de biomassa 2 e 5 g.L-1 na temperatura de 301C. Dois modelos cinéticos foram testados, pseudo-primeira ordem e segunda ordem, tendo o modelo de segunda ordem apresentado melhor ajuste dos dados, com r2 igual a 0,9697. No ensaio de equilíbrio foi construída a isoterma que apresentou um perfil crescente na captação no entanto não alcançou a remoção máxima. Os modelos de Langmuir e Freundlich foram utilizados para ajustar os dados da isoterma, sendo verificado maior correlação dos dados com o modelo de Langmuir; resultando num valor de captação máxima calculado pelo modelo de 3,55 mmol.g-1. No ensaio dinâmico foram realizados dois experimentos, 1 e 2. O Experimento 1 foi realizado com três colunas interligadas e recheadas com 20g de biomassa cada, sendo bombeada uma solução aquosa de lantânio na concentração de 1,41mmol.L-1. O Experimento 2 foi constituido de uma solução contendo lantânio e cério ambos na mesma concentração anterior de 1,41 mmol.L-1, sendo bombeada somente para uma única coluna recheada com 20g de biomassa. Os resultados demonstraram que o ponto de saturação não foi atingido dentro das 8 horas em que se deu o processo, o que indica a alta afinidade da Sargassum sp. pelo lantânio e que a presença do cério associada a redução da vazão prejudicou a captação do lantânio

Perfil de secreção de citocinas e de ativação de células endoteliais após interação com cepas selvagens e mutantes de Aspergillus fumigatus

Apesar do desenvolvimento de novas drogas antifúngicas e da sua utilização como terapia profilática visando à prevenção de infecções fúngicas invasivas, estas ainda constituem-se num problema emergente, com elevadas taxas de mortalidade. Neste contexto, destaca-se a aspergilose invasiva, uma infecção fúngica oportunista que acomete pacientes com neutropenia profunda e prolongada, principalmente os pacientes com leucemia aguda ou submetidos a transplante de medula óssea. Aspergillus fumigatus, um fungo filamentoso, é o principal agente etiológico da aspergilose invasiva, sendo um patógeno angioinvasivo. As hifas deste fungo são capazes de causar injúria e ativação endotelial, induzindo o endotélio a um fenótipo pró-trombótico, que por sua vez, é mediado pela secreção de citocinas pró-inflamatórias, em especial, o TNF-α. O presente trabalho teve como objetivo estudar a capacidade de cepas mutantes de A. fumigatus em ativar células endoteliais, avaliando o perfil de secreção de citocinas em meio condicionado e a expressão de fator tecidual. Resumidamente, monocamadas confluentes de células endoteliais isoladas da veia umbilical humana foram incubadas com conídios e tubos germinativos de cepas selvagens (Af293 e Ku80) e mutantes (Δugm1, ΔcalA, ΔcrzA, ΔprtT) de A. fumigatus. A taxa de adesão e endocitose destas cepas às monocamadas de HUVEC foi avaliada a partir de um ensaio quantitativo de imunofluorescência diferencial. O perfil cinético de secreção de citocinas foi determinado em meio condicionado das HUVECs, por ensaio de multiplex para IL-6, IL-8 e TNF-α. A ativação endotelial, por sua vez, foi determinada pela expressão de fator tecidual por RT-PCR em tempo real. Os resultados obtidos demonstraram que a mutante para o gene ugm1, responsável por codificar a enzima UDP-galactopiranose mutase, que converte resíduos de galactopiranose a galactofuranose, apresentou um fenótipo hiperaderente às células endoteliais e um estímulo 10 vezes maior à secreção de TNF-α e 2,5 vezes maior a secreção de IL-6, quando comparada a ativação observada para as cepas selvagens. A galactofuranose é um componente importante de glicoconjugados da parede celular de A. fumigatus. Dessa forma, a ausência desse monossacarídeo na célula fúngica leva a um mecanismo compensatório caracterizado por um aumento na expressão de moléculas de galactosaminogalactana na parede celular. De maneira contrária, mutantes para os genes calA e crzA, apresentaram um fenótipo hipoaderente às HUVECs e uma perda na capacidade de induzir a secreção de citocinas e ativar o endotélio. Essas mutantes apresentam deleções que interferem na via de cálcio/calcineurina, responsável por regular a morfogênese e virulência de A. fumigatus, além de apresentarem alterações no conteúdo de beta-1-3 glucana. Já a cepa ΔprtT, mutante para o fator de transcrição prtT que regula a secreção de múltiplas proteases, apresentou um fenótipo de adesão, estímulo e ativação endotelial semelhante ao observado para as cepas selvagens. A comparação entre a capacidade de conídios e tubos germinativos em ativar células endoteliais, corroborou achados anteriores da literatura que reportam que só hifas são capazes de ativar células endoteliais, independentemente da sua viabilidade. Os dados deste estudo permitiram concluir que dentre os componentes de superfície celular de A. fumigatus, os polímeros de galactose, em especial a galactosaminogalactana, parecem ser responsáveis, pelo menos em parte, pelos mecanismos de interação e ativação endotelial.

Estudo proteômico da interação do Aspergillus fumigatus com células endoteliais da veia umbilical humana (HUVECs)

O Aspergillus fumigatus é o principal agente etiológico da aspergilose invasiva, uma infecção fúngica oportunista que acomete, principalmente, pacientes de Unidades Hematológicas, como aqueles com neutropenia profunda e prolongada. Após a filamentação este fungo angioinvasivo é capaz de ativar e causar danos em células endoteliais de veia umbilical humana (HUVEC) que passam a expressar um fenótipo pró-trombótico. A ativação destas células, dependente de contato célulacélula, é mediada por TNF-α e caracterizada pela expressão de moléculas próinflamatórias, como citocinas, quimiocinas e moléculas de adesão. Recentemente, nosso grupo comparou a ativação endotelial de HUVECs desafiadas com cepas selvagens e uma cepa mutante para o gene UGM1. Nestes experimentos a cepa mutante Δugm1, que apresenta um fenótipo de maior produção de galactosaminogalactana (GAG) na parede celular, mostrou um fenótipo hiperadesivo e uma capacidade maior de ativar células endoteliais. Entretanto, os receptores e as vias de sinalização envolvidos nesta ativação permanecem desconhecidos. Assim, o objetivo deste trabalho foi verificar as proteínas envolvidas nestes processos através do estudo das proteínas diferencialmente expressas nas HUVECs após a interação com A. fumigatus, usando a técnica proteômica 2D-DIGE. Brevemente, as HUVECs foram infectadas com tubos germinativos da cepa selvagem (AF293) e da cepa Δugm1 de A. fumigatus. Em seguida, as proteínas foram marcadas com diferentes fluorocromos e separadas por eletroforese bidimensional. A análise quantitativa foi realizada utilizando o software DeCyder. Foram identificadas por MS/MS cinco proteínas diferencialmente expressas, incluindo a galectina-1 e a anexina A2, ambas mais expressas após a interação, sendo a primeira ~25% mais expressa após a interação com a mutante Δugm1. Este trabalho propõe que a galectina-1 poderia ser o receptor endotelial para polímeros de galactose presentes na parede celular do A. fumigatus, e que a Anexina A2 poderia estar envolvida na sinalização intracelular em resposta a este patógeno. No entanto, experimentos complementares, em curso, são necessários para comprovar esta hipótese.

植物细胞壁富含羟脯氨酸糖蛋白生化特性及基因克隆的研究

植物细胞壁富含羟脯氨酸糖蛋白生化特性及基因克隆的研究分成三部分： 第一部分，首先从胡萝卜愈伤组织的细胞壁中获得0.2M氯气钙可溶性蛋白质组分, 经10% TCA沉淀及羧甲基纤维素层析，分离得到一个伸展蛋白，并以SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳，氨基酸组成分析，分子电镜观察对所得的伸展蛋白进行了鉴定，结果表明，在胡萝卜愈伤组织中只存在一种伸展蛋白;SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳的考马斯蓝染色和PAS反应均为阳性，表明伸展蛋白除蛋白质组分还含有糖基;氨基酸组成分析表明，羟脯氨酸的克分子含量约占全部氨基酸的40%，丝氨酸的克分子含量约为羟脯氨酸的四分之一，含有大量的碱性和中性氨基酸，而只含有非常少量的酸性氨基酸，并且这些氨基酸克分子百分数也接近于胡萝卜富含羟脯氨酸糖蚤白基因推测出的克分子百分数。这些结果表明已经得到了一个电泳纯的伸展蛋白。伸展蛋白分子电镜观察证明它是一个棒状分子，长度为87纳米。 第二部分，用得到的伸展蛋白免疫家兔和大鼠，得到的抗体的免疫双扩散效价分别为1:2和1:1，用酶联免疫吸附分析测定的兔抗体效价为1:12，800，同时还建立了竞争性酶联免疫吸附分析测定伸展蛋白含量的标准曲线，线性范围为10-0.00001微克。利用得到的抗体对大豆下胚轴伸展蛋白的合成进行了研究。免疫荧光定位表明，大豆下胚轴表皮细胞及表皮下几层薄壁细胞有大量的荧光标记，并且这些荧光标记大部分分布在细胞质内。大豆下胚轴O.lM Tris-HCl pH7.4和0.2M氯化钙的提取物Western Blotting分析证明0.2M氯化钙提取物有与胡萝卜伸展蛋白电流性质相似的组分，并且这个组分在真菌诱导物处理的大豆下胚轴中的积累明显高于受伤处理的下胚轴。受伤和真菌诱导物处理大豆下胚轴中伸展蛋白积累的变化已经用Western Blotting分析和斑点酶联免疫吸附分析来观察，发现真菌诱导物处理的对灰斑病抗性的大豆下胚轴能够较快地积累伸展蛋白（24 - 48小时），而敏感品系的大豆下胚轴则合成伸展蛋白较晚（43-72小时）。在观察大豆下胚轴免疫荧光定位也发现类似的结果。对伸展蛋白基因的转录活性的初步研究认为抗性品系的大豆下胚轴同源mRNA转录可能早于24小时，而敏感品系大豆下胚轴同源mRNA转录可能在24小时后。以上结果认为大豆下胚轴含同源的mRNA和蛋白质组分，因此推测大豆基因组DNA有伸展蛋白基因。 第三部分，根据第二部分得到的结果，用已经得到的编码胡萝卜伸展蛋白的基因（克隆于pUC8质粒载体中）作探针，与大豆基因组DNA的EcoRI部分酶解片段杂交寻找大豆伸展蛋白基因，已经发现四个片段与探针DNA有同源性。它们的分子量分别约为23kb，8kb，5kb和2.8kb，并且23kb片段可能有更高的同源性。将23kb片段插入pUC9质粒载体上进行可隆，并用菌落原位杂交筛选获得5个克隆，对其中两个克隆用ECoRI酶解并进行分子杂交分析，重组质粒被EcoRI切成四个片段。2.8kb片段为pUC9栽体，2kb片段为与pDC5AI质粒伸展蛋白同源性较好的片段。对于23kb片段的重组质粒有待于进一步的分析。

白皮松花粉管发育过程中RNA、蛋白质和多糖类物质的合成及其动态变化

花粉管是有花植物受精过程中雄性生殖单位的载体，它同根毛、真菌菌丝一样，具有典型的极性顶端生长模式。裸子植物花粉与被子植物相比，具有萌发时间较长，生长缓慢等特点。但是目前人们对于裸子植物花粉萌发和花粉管生长的机理还不清楚。本文以裸子植物白皮松（Pinus bungeana）的花粉为材料，采用细胞学和生理生化方法，包括应用普通光学显微镜、荧光显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、显微红外光谱（FTIR）和透射电镜（TEM）等技术，对其花粉萌发和花粉管生长过程进行了较为系统的研究，旨在进一步揭示裸子植物花粉管发育的调控机制。 本论文首先研究了外源Ca2+ 和3种调钙药物（A23187、EGTA、TMB8）对白皮松花粉萌发和花粉管生长的影响。结果表明，在离体培养条件下，高浓度的Ca2+（1%）能完全抑制白皮松花粉的萌发，低浓度的Ca2+ 则影响不大，而花粉萌发和花粉管生长的最适Ca2+ 浓度为0.01%。用Ca2+ 载体A23187、Ca2+ 螯合剂EGTA和钙通道阻滞剂TMB8分别处理花粉后，花粉萌发和花粉管生长均受到抑制。另外，用 Ca2+ 荧光探针 Fluo-3AM标记，对Ca2+ 的分布变化进行了观察，发现在花粉萌发的初期，Ca2+ 向萌发孔聚集。在正常生长的花粉管中Ca2+ 呈梯度分布，顶端荧光最强。与对照相比，A23187处理后花粉粒中荧光增强，而EGTA和TMB8处理的花粉粒中荧光强度均减弱。并且这3种调钙药物还破坏了花粉管顶端的Ca2+ 浓度梯度，最终导致花粉管的生长受阻。 花粉萌发和花粉管的生长依赖于RNA和蛋白质的不断合成。在放线菌素D的存在下，花粉萌发基本不受影响，但花粉管的生长速度下降，花粉管中RNA含量也减少。而经过放线菌酮处理后，花粉萌发和花粉管生长均受到抑制，花粉管中蛋白质含量降低，同时花粉管顶端显著膨大。通过SDS-PAGE的结果表明，花粉粒萌发前后蛋白质图谱有明显差异。FTIR光谱分析表明，两种抑制剂处理均导致花粉管壁的化学组成发生了变化，例如蛋白质和饱和酯含量减少，而羧酸的含量增加。此外，由放线菌酮和放线菌素D处理后，花粉管的超微结构也发生了明显变化，其中特别是花粉管顶端的分泌系统遭到严重破坏。 纤维素的正常合成对于白皮松花粉管的生长是必需的。在正常培养基中添加纤维素生物合成抑制剂2，6-二氯苯腈（DCB）后，花粉萌发几乎不受影响，但是花粉管的形态发生异常，生长速率降低。DCB处理还导致花粉管壁中纤维素含量下降，而胼胝质在花粉管顶端积累。用识别酯化果胶的JIM7和识别酸性果胶的JIM5对离体培养的白皮松花粉管进行标记后，发现果胶成分呈异常分布图式。FTIR光谱分析结果表明花粉管细胞壁中蛋白质、羧酸以及饱和酯含量增加。同时，在电镜下观察发现，花粉管细胞壁顶端呈现不均匀加厚，其中主要的细胞器，如高尔基体和线粒体等膜结构均遭到破坏。 上述结果说明，白皮松成熟花粉粒中已含有花粉萌发和花粉管早期生长所必需的Ca2+ 和RNA，但是在花粉管的后续伸长过程中仍需要外源Ca2+ 的参与以及新RNA、蛋白质的不断合成。与被子植物不同，裸子植物花粉萌发的启动也需要新蛋白的合成。尽管在花粉管中纤维素的含量很低，但是对于细胞壁的构建、花粉管的正常形态的维持起着关键作用。

白杄花粉管胞吞/胞吐动态及其与细胞壁构建的关系

在有花植物受精过程中，具有顶端极性生长特性的花粉管是雄性生殖单位的载体，同时也是研究细胞生长分子调控机理的理想体系。与被子植物相比，裸子植物花粉具有萌发时间长、花粉管生长缓慢等特点。对于裸子植物花粉萌发和花粉管生长的机理，目前人们尚不十分清楚。本文将以裸子植物白杄（Picea meyeri）花粉为材料，应用不同浓度的分泌系统干扰剂Brefeldin A处理，并通过细胞学和生理生化方法，其中包括普通光学显微镜、荧光显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、显微红外光谱（FTIR）和透射电镜（TEM）等技术，对其花粉萌发和花粉管生长过程中胞吞胞吐的调控，以及与细胞壁建成的关系等进行较为系统的研究，旨在为进一步揭示裸子植物花粉管发育的调控机理提供参考。 首先比较观察了各种细胞器在白杄与被子植物花粉管中的分布差异。经FM4-64探针标记结果表明，在正常生长的白杄花粉管顶端存在分泌小泡积累的透明区，但与被子植物比较起来，此透明区在花粉管中所占比例较小，且不呈倒“V”字型。在透射电镜下观察发现，其花粉管顶端透明区内分泌小泡的分布密度远低于被子植物。另外，在白杄花粉管中，线粒体的分布一般靠近细胞壁的地方，高尔基体分布较为分散，而内质网的分布则不具方向性。 其次，研究了BFA对白杄花粉萌发和花粉管生长的影响，特别是对其花粉管生长过程中的胞吐/胞吞作用。通常在正常生长的白杄花粉管中，用FM4-64标记后发现，在其顶端形成与透明区对应的荧光亮区;超微结构显示，在花粉管顶端进行旺盛的胞吐作用，许多分泌小泡正与质膜融合，以及分布有大量显示高分泌活性的壁旁体（PB）等。而经过BFA处理后，花粉的萌发和花粉管的生长均受到严重抑制，花粉管出现了弯曲（波状生长）或顶端膨大等异常形态，同时还干扰了FM4-64在花粉管顶端的标记模式。另外，花粉管顶端分泌小泡数量减少，透明区内充满线粒体、高尔基体和空泡等一些大的细胞器，壁旁体也随之消失，其中高尔基体呈现解体或弯曲的异常形态，在其周围的分泌小泡数量大大减少，内质网出现膨胀和核糖体脱落等;同时胞吐活性标志性酶——酸性磷酸酶的活性也随之降低。通过对FM4-64的染料吸收实验表明，BFA对胞吞有明显的促进作用。由上可见，BFA对白杄花粉管生长过程中的胞吐和胞吞作用起了相反的影响， BFA正是通过扰乱花粉管生长过程中的分泌途径来抑制其花粉管的生长。 最后，检测了白杄花粉管分泌途径紊乱后，管壁物质合成的变化情况。通过FTIR光谱分析表明，BFA处理后花粉管壁化学组分发生了变化，例如蛋白质和多糖含量明显减少，而且与蛋白比较起来，多糖的含量下降更为明显，尤其是在顶端。蛋白和多糖含量的下降导致花粉管壁的组成结构不够致密。由SDS-PAGE的结果显示， BFA抑制后，花粉管壁中糖蛋白的含量下降了60%，同时很多壁蛋白条带在BFA处理后不表达或含量减少。通过对花粉管壁多糖成分的研究表明，BFA处理还导致纤维素含量下降，而胼胝质在花粉管顶端积累。用识别AGPs的LM6和识别酸性果胶的JIM5对花粉管进行标记，发现BFA处理后AGPs的环状分布消失，酸性果胶质在顶端的含量也明显减少，但在胞质内却形成一些小的分隔亮点（compartments）。 综上所述，导致裸子植物白杄花粉管生长缓慢的原因，可能与其顶端透明区较小、分泌小泡数量少等有关。另外，从白杄花粉管的细胞质状态和细胞器分布上看，虽然与被子植物相比差异较大，但在其正常生长中仍能进行旺盛地胞吐和胞吞过程。经BFA处理后引起花粉管内分泌系统的紊乱，致使管壁物质不能正常合成，从而导致花粉管的停滞生长。

Nifedipine调节白皮松(Pinus bungeana)花粉管蛋白质表达及其对细胞壁构建的影响

花粉管是种子植物受精过程中的雄性生殖单位的载体，由于其生长依赖于胞内Ca2+梯度，并具有典型的顶端极性生长的特点，因而成为近年来研究植物细胞相互识别、胞内和胞外信号传导理想的模式系统。裸子植物花粉与被子植物相比具有萌发时间长、生长缓慢等特点。Ca2+在裸子植物花粉萌发和花粉管生长中的作用机制目前尚不明确。本研究以裸子植物白皮松(Pinus bungeana)的花粉为材料，运用不同浓度钙通道抑制剂Nifedipine（Nif）处理，对其花粉萌发和花粉管生长进行了细胞学研究和蛋白质组学分析，以探讨Ca2+对白皮松花粉生长的调控机制，为进一步揭示裸子植物花粉萌发和花粉管生长机理提供参考。 本论文首先研究了钙通道抑制剂Nif和Ca2+螯合剂EGTA对白皮松花粉萌发和花粉管生长的影响。结果表明，用Nif处理花粉后，花粉萌发和花粉管生长均受到明显抑制。经Ca2+荧光探针Fluo-3AM标记，对Nif处理后Ca2+在花粉管中的分布模式进行了观察，发现Ca2+在正常生长的花粉管中呈梯度分布，并在其顶端的荧光最强。与对照相比，处理后的花粉管荧光强度明显减弱，且顶端Ca2+梯度消失。通过EGTA漂洗后的花粉粒，在正常培养基上萌发率较高，但其生长速率受到抑制。由此说明了细胞壁钙库对花粉管生长的抑制效应显著高于对花粉萌发的影响，是花粉管生长的限速因子。同时外加钙调素还可逆转EGTA对其花粉萌发和花粉管生长的抑制。上述结果表明，白皮松花粉萌发及花粉管生长需要外源Ca2+的内流，以及胞内形成的Ca2+浓度梯度。 用FM4-64探针标记结果发现，正常花粉管中的胞吞作用主要发生在顶端和亚顶端区域，胞吞的小泡也集中分布在这两个区域。经Nif处理后，既不影响花粉管的胞吞过程，同时胞吞发生的位置也与对照相似，只是胞吞的小泡分散于整个花粉管中。电子显微镜观察表明，各种细胞器在白皮松正常生长的花粉管中分布与被子植物存在较大差异，例如前者无明显地分区现象，不具胼胝质塞。白皮松花粉管顶端和亚顶端的壁旁体与质膜融合现象频繁发生。花粉管经Nif处理后，线粒体出现不同程度的解体和液泡化，内质网液泡化和核糖体脱落，液泡大量聚集在花粉管顶端，壁旁体与膜融合现象减少，以及花粉管壁明显变薄等。此外，通过微丝特异性探针鬼笔环肽标记结果表明，正常生长花粉管的微丝呈长轴向排列， Nif处理后微丝断裂，其断裂程度与处理浓度有关。由此可见，外源Ca2+对花粉管的胞吞无明显抑制或促进作用，但对胞吞小泡重回收可能有影响。当胞内Ca2+梯度消失后，则明显抑制了微丝骨架的聚合，进而使胞吐作用减缓，高尔基体分泌小泡聚集，多种细胞器液泡化，引起花粉管顶端膨大，细胞壁变薄，继而抑制花粉管的正常生长。 运用免疫荧光标记技术显示，正常生长的花粉管壁含有纤维素、胼胝质、果胶质和阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGPs），其中纤维素和胼胝质在细胞壁上呈均匀分布，而酸性果胶质只存在花粉管两侧壁上，酯化果胶分布于花粉管顶端。经过Nif处理后，胼胝质和酸性果胶质均在花粉管顶端累积，而AGPs和纤维素的分布却无明显变化。另外，傅里叶红外光谱分析结果也同样支持上述结论。通过花粉管壁蛋白的SDS-PAGE分析表明，Nif对细胞壁蛋白的合成也有较大的影响。 在花粉管的钙通道受到抑制后，应用蛋白质组学技术分析其蛋白质的表达图谱，通过双向电泳已分离出约1000个蛋白质斑点，经软件分析发现，除其中50个蛋白斑点外，大部分蛋白质的表达量均未发生变化。上述50个发生变化的蛋白斑点酶切后，再经过ESI－MS/MS鉴定和质谱数据库的搜索，共鉴定出28个蛋白，其中12个为上调蛋白，16个下调蛋白，根据其主要功能分为与代谢、细胞扩展、翻译后修饰以及信号相关的蛋白。经过Nif处理后，花粉管中碳水化合物代谢能力下降，ATP的产生受到抑制，参与细胞壁多糖合成及小泡运输的蛋白，如valosin containing protein（VCP）、reversibly glycolsylated polypeptide(RGP)、UDP-glucose dehydrogenase (UDPGDH)和α-tubulin表达下调。另外，通过上述方法还鉴定出与丝氨酸/苏氨酸激酶保守结构域同源的受体蛋白激酶等。 综上所述，白皮松花粉管钙通道受到抑制后，通过影响花粉管蛋白的表达，抑制微丝微管骨架的组装，致使胞吐速度变慢，花粉管壁酸性果胶质、胼胝质等多糖分布的变化及总多糖含量的减少，最终抑制了花粉管的正常生长。

水稻中一个编码富含脯氨酸蛋白基因家族的表达和功能研究

OsPRP1是水稻中特有的，编码一类富含脯氨酸蛋白（proline-rich protein, PRP）的基因家族，该家族有4个成员。在GenBank中，仅找到了一个结构相对接近的玉米PRP蛋白，但是对它的研究仅限于序列上的某些描述，而且在序列上，仍然与这4个OsPRP1蛋白有明显的差别。OsPRP1蛋白明显有别于前人（1999）所描述的4类PRP蛋白。它们是植物中一类新的小分子量的PRP蛋白，仅有一个保守结构域而属于DUF1210蛋白超家族的成员。 四个OsPRP1基因在基因组中紧密串联排列，而且编码区高度保守，基因结构也高度一致，证明它们来源于同一个祖先基因，是通过基因复制的方式产生的。PAML分析也证明它们在进化时间上的相互距离并不远。而在进化过程中由于执行生理功能上的某种重要性，在编码区表现出很的保守性，因而很难在RNA水平和蛋白水平上研究四个OsPRP1基因的表达差异。但是它们在表达调节区（如启动子区）显示出明显的差异。在克隆启动子的基础上，用GUS报告基因的策略，没有检测到它们在拟南芥中的表达活性，说明它们具有一定的种属特异性。而在水稻中，这四个基因的表达显示出了明显的时序和空间差异，既表现出在组织器官及其发育阶段上的特异性和变化，又在一定程度上表现出交叉，出现了功能上的分化和重叠。根据启动子区上的顺式元件，检测了这些基因对6种植物生长调节物质和3种非生物胁迫因子的应答反应，证明它们的表达调节也表现出显著的差异和分化。因此，四个基因的进化出现了功能退化、亚功能化和产生新功能等多种命运，比理论模型预期的要复杂得多，可能在执行生理功能和对环境反应上具有各自的生物学意义。 植物细胞壁是多种碳水化合物和蛋白质相互交织在一起的亲水性网络。在保护和支撑原生质、细胞通信、细胞分化、细胞对生物的和非生物胁迫的抗性等方面发挥着重要作用。目前已知的大多数植物PRP蛋白被描述成细胞壁结构性蛋白。OsPRP1基因家族编码的蛋白质都有一个N-端信号肽，暗示它们可能是一类分泌蛋白。我们用OsPRP1.1::GFP融合蛋白进行了亚细胞定位，证明了OsPRP1蛋白的确也是细胞壁相关蛋白。用原核表达体系表达了GST-融合蛋白，制备抗体，通过免疫印迹证明这些蛋白不溶于温和的提取缓冲溶液中，但可以被高盐和强碱溶液溶解，且分子量增加了三倍。证明在体内可能出现修饰、与细胞壁其它组分相交联的现象。 在这四个基因中，只有OsPRP1.2能够在水稻根中特异表达。根的原位杂交实验证明，OsPRP1在分化成熟程度低的细胞中大量表达，而在分化成熟程度高的细胞中几乎不表达。GUS染色的结果同样发现，基因在维管柱特别是中柱鞘附近的薄壁细胞的表达比别的细胞要强得多，而且在根的生长方向上表现出与发育相关的表达特征。说明OsPRP1基因可能参与了这些细胞的分化、发育过程。而基因表达的组织器官特异性的差异和对不同刺激因素的不同反应意味着它们可能参与了多种生理过程。为此构建了一个RNAi的表达载体，转化水稻，Southern杂交实验得到9个单位点插入的T2代独立株系，其中有6个株系与野生型对照相比，主根的早期伸长受到显著抑制，主根的一级侧根地数量减少，根尖分生区的细胞在轴向上的伸长受到了抑制。结合表达定位和原位杂交的结果，我们对它们在植物生长发育中的功能进行了深入探讨。