硅藻硅化

硅藻是最丰富的微藻群,几乎抑制了地球上所有的生态位。从淡水湖泊和溪流到开阔的海洋,这些单细胞光合生物表现出对各种环境条件的显著适应能力。

硅藻的特点是它们能够产生二氧化硅构成的细胞壁。二氧化硅的形成是受细胞周期调节的细胞内过程。硅酸分子,水生环境中二氧化硅的生物可利用来源,被细胞吸收,然后通过一个神秘的过程转化为成熟细胞壁的错综复杂的形状。硅沉积发生在一个特殊的细胞器-硅沉积囊泡(SDVs)内,并由大分子的协调活动控制。

从少数硅藻种类的细胞壁二氧化硅中分离和表征了几种蛋白质。然而,它们在二氧化硅形成过程中的作用尚不清楚。一种可能的功能是催化硅单体缩合成成熟矿物,其他可能的功能包括矿物相的形态发生和形状控制,以及结构块的细胞内运输。

我们的目标是通过应用一系列技术,从高分辨率电子显微镜和断层摄影到参与硅形成的中间相的化学阐明,获得对硅藻硅化作用的事件顺序的机械理解。

硅藻的细胞壁这种pseudonana

实验室正在进行的一些项目:

1.利用三维透射电镜成像技术研究硅藻矿化

尽管经过多年的研究,SDV内部微环境的结构和化学性质仍不清楚,而SDV控制着生物二氧化硅的形态和化学性质。在这里,我们使用最先进的样品制备程序来保存细胞的超微结构。由于SDV的宽度只有几十纳米,我们使用电子层析成像技术对纳米级矿化过程进行高分辨率三维重建。

硅藻细胞分裂时SDV的重建断层摄影快照。可见叶绿体(Chl.)、高尔基体(Gol.)、硅细胞壁(粉红色箭头)、SDV(黄色箭头)和细胞膜(蓝色箭头)。比例尺,200nm。

2.通过CRISPR/Cas9基因编辑探索拟南芥硅吸收机制

硅藻硅化过程的第一步是将硅酸从环境中运输出来,穿过质膜并逆浓度梯度进入细胞。硅酸转运体(sit)被认为介导了这一过程,但一些观察,如硅酸通过膜的扩散,使硅吸收机制不清楚。利用CRISPR\Cas9基因编辑技术的最新进展,我们对sit基因进行了突变,以研究其在体内硅化过程中的功能作用。sit突变细胞的特性可以让我们分析sit蛋白在原位的表型可塑性,并将为sit蛋白在硅化过程中的调控作用提供直接证据。

离开-wt sit DNA的基因组方案和诱导CRISPR事件后突变sit的可能选择。外显子是绿色的粗条,内含子是黑色的线,3 '和5 ' utr是灰色的粗条,点突变是红色的虚线。对的,显示wt-sit1 PCR片段和sit1缺失片段的DNA凝胶示意图。

3.硅藻模型中的硅池这种pseudonana

硅藻是一种丰富的海洋微藻,其进化的成功通常归因于它们能够形成由二氧化硅构成的细胞壁。然而,由于海水中的硅水平在μ M范围内,尚不清楚硅藻如何为细胞内的快速硅化过程提供所需的可溶性硅通量。在这里,我们使用三维低温电子显微镜和光谱学来定量分析,在亚微米的空间分辨率和mM范围内的灵敏度,硅藻细胞内的硅池。我们的结果显示,内部硅浓度为~150 mM,比外部环境高4个数量级。细胞内的硅含量分布在整个细胞内,这是构成性代谢物的指示,即使在硅缺乏的情况下也不会耗尽。我们的单细胞成像和分析硅池的方法为从机械上理解硅藻这种独特的生理特性开辟了道路。

图像显示这种pseudonana分别在带带视图和阀门视图中的细胞壁。

高压冻结,随后冻结破裂这种pseudonana显示其内部细胞器处于原始状态的细胞。标记细胞核、叶绿体、液泡和高尔基体。

4.硅藻中形成的硅细胞壁Stephanopyxis turris

细胞约50µm长Stephanopyxis turris是一种比较大的硅藻,细胞呈圆柱形,并通过连接过程形成链状。我们使用不同的显微镜方法来研究其细胞壁的特征是如何形成的以及是什么控制着它。

扫描电镜图像美国turris多边形细胞壁图案。

通过在ZEISS Lightsheet Z.1中实时成像,我们能够确定细胞壁形成的顺序和时间。