[论文解读] Biogenic magnetic nanoparticles in plants

Svitlana Gorobets, Oksana Gorobets+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2019

Magnetic and Electromagnetic Effects参考文献 42被引用 3

一句话总结

本研究利用扫描探针显微镜技术，在烟草、马铃薯和豌豆等植物中鉴定出生物源磁性纳米颗粒（BMNs），发现其在韧皮部筛管壁中呈链状结构分布。作者提出，这些BMNs可产生约数千奥斯特（Oe）的漏磁场，从而增强细胞膜附近的物质传输，外源添加磁铁矿可进一步强化该效应，表明其在植物维管系统中具有保守的代谢功能。

ABSTRACT

The genetic programming of biosynthesis of biogenic magnetic nanoparticles (BMNs) in plants was revealed by methods of comparative genomics. The samples of leaves and the root of Nicotiana tabacum, the stems and tubers of Solanum tuberosum and the stems of pea Pisum sativum were examined by scanning probe microscopy (in atomic force and magnetic power modes), and it was found that the BMNs are located in the form of chains in the wall of the phloem sieve tubes (ie, the vascular tissue of plants). Such a localization of BMNs supports the idea that the chains of BMNs in different organs of plants have common metabolic functions. Stray gradient magnetic fields about several thousand Oe, which are created by chains of BMNs, can significantly affect the processes of mass transfer near the membrane of vesicles, granules, organelles, structural elements of the membrane, and others. This process is enhanced in plants when artificial magnetite is added to the soil.

研究动机与目标

• 研究多种植物物种中生物源磁性纳米颗粒（BMNs）的存在及其结构特征。
• 利用先进显微技术确定BMNs在植物维管组织中的亚细胞定位。
• 探讨BMNs的潜在代谢功能，特别是其在植物细胞物质传输过程中的作用。
• 评估外源磁铁矿对植物细胞运输机制的影响。
• 通过比较基因组学建立植物中BMN生物合成的遗传基础。

提出的方法

• 采用原子力与磁力模式的扫描探针显微镜对植物组织中的BMNs进行成像。
• 应用比较基因组学以识别植物中BMN生物合成相关的遗传编程。
• 对烟草（Nicotiana tabacum）、马铃薯（Solanum tuberosum）和豌豆（Pisum sativum）的样本进行BMN存在与分布分析。
• 基于观察到的结构排列估算BMN链产生的磁场强度。
• 通过向土壤中添加人工磁铁矿开展实验，以评估其对物质传输过程的影响。
• 汇总并分析多个植物器官中BMN分布及磁场效应的数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 生物源磁性纳米颗粒在植物维管组织中的具体亚细胞定位为何？
• RQ2 BMNs在植物细胞中呈链状排列的生理功能是什么？
• RQ3 BMN链产生的磁场如何影响细胞膜附近的物质传输？
• RQ4 外源磁铁矿是否能增强植物中的物质传输过程，若能，其作用机制如何？
• RQ5 植物中BMN生物合成的遗传机制是什么？

主要发现

• 在烟草（Nicotiana tabacum）、马铃薯（Solanum tuberosum）和豌豆（Pisum sativum）的韧皮部筛管壁中检测到生物源磁性纳米颗粒（BMNs）。
• BMNs被发现在韧皮部维管组织的细胞壁内形成链状结构。
• BMN链产生的漏磁场强度约为数千奥斯特（Oe）。
• 这些磁场被预测可增强囊泡、细胞器及膜结构附近的物质传输过程。
• 外源添加磁铁矿至土壤可进一步增强植物中的物质传输。
• 比较基因组学揭示了植物中BMN生物合成的遗传编程基础。