【摘要】：植物激素及活性氧在植物体整个生命周期中发挥着非常重要的生理功能，调控植株从种子发芽、生长、开花结果直至衰老死亡的全过程。植物激素在植物体内含量极微，且其含量与组成在时间和空间上都具有高度的动态性，因此在植物在体、组织微区以及单个植物细胞水平上建立植物激素原位、实时探测方法，对于植物激素含量及其分布的准确测定具有重要意义，可为植物激素功能、代谢、信号转导及调控研究提供有效手段。基于超微电极的电化学方法因其快速、灵敏、高时空分辨等特点，在单个哺乳动物细胞信号分子实时原位探测以及胞吐机制研究等领域取得了重要进展。然而超微电极电化学用于单个植物细胞植物激素的实时探测尚未取得突破，其中发展用于植物激素高灵敏检测的新型电化学传感器则是实现该突破的基础。近年来，纳米材料因具有比表面积大、表面自由能高、电子传质速率快等特点，在提高电化学检测灵敏度、选择性、稳定性等方面优势显著，在高性能电化学传感器构建方面发挥了重要作用。基于植物激素实时原位探测的迫切需求以及纳米材料在电化学传感器构建方面的独特优势，本文采用金属纳米颗粒、纳米线、石墨烯及其复合纳米材料，通过在超微电极表面构建高性能电化学传感器，建立了单细胞水平植物激素实时监测方法，并在此基础上对活性氧爆发以及生长素胞吐外流的机制进行了初步探索。


主要内容如下：


1.以碳纤维微盘电极(CFMDE)为基底电极，利用Nafion的模板效应，采用电化学沉积研制了纳米铂颗粒修饰的NPt/Nafion/CFMDE;同时采用基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的软光刻技术，制备了一种高效固定植物悬浮细胞的琼脂糖阵列微孔芯片。使用NPt/Nafion/CFMDE实时监测单个拟南芥原生质体活性氧爆发，并证明电化学监测活性氧的主要成份为过氧化氢。在此基础上，采用浅层培养法培养原生质体，再生了植物细胞壁。实时电化学监测结果表明，与单个原生质体相比，植物细胞在受到苯并噻二唑刺激时，释放的过氧化氢量显著降低；然而当采用过氧化物酶抑制剂抑制植物细胞壁上过氧化物酶活性后，植物细胞释放过氧化氢量显著回升。结果表明，细胞壁在活性氧爆发过程具有很好的调控功能，这种过氧化物酶参与的调控可在一定程度上保护植物组织免受高浓度活性氧伤害。


2.以钛合金丝(Ti6Al4V)为基底材料，制作了碳包碳化钛纳米线阵歹(C/TiC NWA)微电极，并以此为基底电极，采用化学还原法在电极表面均匀负载粒径约为3-6nm的铂颗粒，研制了竖直排列的TiC C/Pt核壳结构纳米纤维阵列电极(TiC C/Pt-QANFAS)。并通过使用AZ5214光刻胶绝缘并暴露尖端盘面，有效的减小了微电极的活性面积，显著降低了信噪比，该电极对植物激素生长素具有较高的检测灵敏度，检出限可达1nmol/L。采用该电极，首次实现了单个油菜单个原生质体生长素释放的实时动态监测，并在此基础上对其释放动力学进行了研究。结果表明生长素通过胞吐方式释放到胞外环境中，且胞吐释放存在全衰竭融合(Full collapse fusion，FCF)模式以及“kiss and run”(KR)模式。这种兼具高灵敏度和快速响应的传感器可望用于生长素极性运输机制研究。


3.以碳纤维盘电极为基底电极，通过恒电位法在电极表面沉积了均匀分散的金纳米颗粒，构建了NAu/CFMDE，结果表明该电极在2×10-7-7.5×104mol/L范围内对水杨酸测定具有良好的线性关系，检测限为1.5×10。mol/L，且选择性较好，抗坏血酸(AA)不干扰测定。该技术有望用于水杨酸诱导植物建立系统获得性抗性(SAR)的机理研究中。


4.以碳纤维柱电极为基底电极，通过循环扫描伏安法在电极表面沉积石墨烯和纳米铂颗粒的复合纳米材料，构建了纳米铂颗粒/石墨烯/碳纤维盘电极(NPt/rGO/CFMCE)。与基底电极相比，NPt/rGO/CFMCE对植物激素脱落酸的的响应灵敏度提高了约7倍，检测限为1.5×10-9]mnol/L，。在此基础上实现了玉兰叶片中脱落酸含量测定。