植物表皮毛细胞响应声波刺激的力-电转导及动力学机制

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11902155
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    28.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A1002.多尺度力学生物学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Plants survive in various stress due to their smart defense system. That is because the plant cells adaptively response to the stresses. The signal transduction is the key process to understand the relationship between multi-scales structures and functions. The model plant Arabidopsis thaliana has recently been shown to accumulate noxious substances caused by caterpillars chewing leaves in response to sound waves. However, the mechanisms for the mechano-electrical transduction remains a mystery. We will characterize the modal shape and frequency spectrum of a trichome in response to acoustic stimulation by a laser Doppler vibrometry system. We will then determine if acoustic vibrations promote the release of protective toxins from papillae of the trichome via an electrochemical testing system. Finally, we will reveal how the Insect chewing sound enhance the synthesis and secretion of defensive toxins in the trichome wall or the migration of toxins through it. This project will help to further understand the mechano-electrical coupling properties of plant cells and plant ears.
植物适应胁迫而生存得益于其巧妙的防御体系。拟南芥能够特异性响应昆虫咀嚼声波刺激并分泌防御性毒素。拟南芥表皮毛细胞具有力敏感特性和捕获声波的能力,然而其触发毒素分泌的力-电转导及动力学响应机制不清楚。本项目拟搭建双轴激光测振实验平台、建立有限元仿真和理论力学模型,分析表皮毛细胞固有频率、模态振型和频谱响应等特征,揭示声波刺激拟南芥表皮毛细胞的动力学响应规律;搭建声波发射与显微电化学检测联合实验平台,检测不同频率声波刺激下pH、钙离子、防御性毒素浓度,揭示声波刺激对表皮毛细胞防御性毒素分泌的影响规律;分析昆虫咀嚼声波的频谱特征与防御性毒素分泌之间的关系,阐明植物对昆虫咀嚼声波刺激的特异性防御响应的动力学机制。本项目有助于理解植物“听觉”产生机理和促进农作物虫害的声波防治应用。

结项摘要

本研究搭建表皮毛细胞的激光多普勒测振实验平台,观测表皮毛细胞的振动响应,并通过快速傅里叶变换(FFT)得到表皮毛细胞的频谱曲线;搭建高速显微成像系统,观测拟南芥表皮毛细胞共振模态振型。发现了拟南芥表皮毛低阶模态固有频率为~10kHz量级,低阶模态振型表现为主干扭转和摇摆振动。根据对拟南芥表皮毛细胞显微三维成像及力学性能表征结果,建立仿真计算模型,并建立了表皮毛细胞振动的简化理论模型,理论分析与有限元仿真、实验结果进行特征可比。发现拟南芥表皮毛细胞前5阶模态振型分别为表皮毛细胞的主干扭转、主干摇摆、主干俯仰、分支横向振动(第四、五阶)。对表皮毛细胞进行振动频谱分析,发现拟南芥表皮毛细胞在可闻声波频率(如Pieris毛虫的声发射频率)范围内可发生共振,且共振频率与表皮毛细胞的大小成反比。发现拟南芥表皮毛细胞的第一阶模态与其他高阶模态形成了两个频率带,Pieris毛虫的声发射频率穿越了这两个频率带,这可能有助于拟南芥对声学信号的选择性转导。研究结果有助于理解植物“听觉”产生机理和促进农作物虫害的声波防治应用。以上研究成果发表Journal of the Mechanics and Physics of Solids、Extreme Mechanics Letters、Physics of Fluids等论文13篇,申请发明专利3项,作学术会议报告6次。培养研究生5人。

项目成果

期刊论文数量(13)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(3)
Critical size of kidney stone through ureter: A mechanical analysis
通过输尿管肾结石的临界尺寸:机械分析
  • DOI:
    10.1016/j.jmbbm.2022.105432
  • 发表时间:
    2022-11-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF BIOMEDICAL MATERIALS
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Liu,Yonggang;Li,Moxiao;Lu,Tian Jian
  • 通讯作者:
    Lu,Tian Jian
Ensembles of the leaf trichomes of Arabidopsis thaliana selectively vibrate in the frequency range of its primary insect herbivore
拟南芥叶毛群选择性地在其主要食草昆虫的频率范围内振动
  • DOI:
    10.1016/j.eml.2021.101377
  • 发表时间:
    2021-10
  • 期刊:
    Extreme Mechanics Letters
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Yin Jun;Liu Han;Jiao Jiaojiao;Peng Xiangjun;Pickard Barbara G.;Genin Guy M.;Lu Tian Jian;Liu Shaobao
  • 通讯作者:
    Liu Shaobao
Hydrostatic pressure and interfacial tension induce mode instability in wave propagation along a liquid-filled microtubule
静水压力和界面张力导致波沿着充满液体的微管传播时的模式不稳定
  • DOI:
    10.1063/1.5144442
  • 发表时间:
    2020-03
  • 期刊:
    Physics of Fluids
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Wu Yufei;Li Moxiao;Yin Jun;Liu Shaobao;Lu Tian Jian
  • 通讯作者:
    Lu Tian Jian
充液弹性毛细管低温相变的力学分析
  • DOI:
    10.21656/1000-0887.420301
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    应用数学和力学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陶泽;李墨筱;提飞;刘勇岗;刘少宝;卢天健
  • 通讯作者:
    卢天健
Cylindrical compressible liquid inclusion with surface effects
具有表面效应的圆柱形可压缩液体包裹体
  • DOI:
    10.1016/j.jmps.2022.104813
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Journal of the Mechanics and Physics of Solids
  • 影响因子:
    5.3
  • 作者:
    Fei Ti;Xin Chen;Moxiao Li;Xuechao Sun;Shaobao Liu;Tian Jian Lu
  • 通讯作者:
    Tian Jian Lu

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其他文献

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  • 通讯作者:
    吴莹

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刘少宝的其他基金

干旱诱导植物细胞阿拉伯半乳糖蛋白相转换及力-电调控机制
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
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    55 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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