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        蕎麥邊緣細(xì)胞對(duì)鋁毒害的響應(yīng)

        2011-04-29 00:00:00張淑娜,李詩(shī)佩,毛玲玲,鄭怡,徐根娣,羊?yàn)I
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2011年3期

        摘要:以江西蕎麥(耐鋁基因型)和內(nèi)蒙蕎麥(鋁敏感基因型)為材料,采用懸空氣培養(yǎng)法,研究Al3+對(duì)蕎麥相對(duì)根長(zhǎng)、原位和離體邊緣細(xì)胞活性、黏液分泌量的影響。結(jié)果表明,Al3+降低蕎麥相對(duì)根長(zhǎng)和邊緣細(xì)胞活性。相同Al3+濃度處理下,附著于根尖的邊緣細(xì)胞活性要大于離體邊緣細(xì)胞。細(xì)胞黏液層厚度與Al3+濃度相關(guān),且離體邊緣細(xì)胞黏液層厚度要大于原位邊緣細(xì)胞,耐鋁品種中表現(xiàn)的更為明顯。由此說(shuō)明,蕎麥邊緣細(xì)胞在一定程度上能通過(guò)改變細(xì)胞活性和黏液層厚度對(duì)鋁毒害做出適應(yīng)性的反應(yīng)。

        關(guān)鍵詞:蕎麥;鋁毒;邊緣細(xì)胞;黏液

        中圖分類(lèi)號(hào):S517;Q945.78文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2011)03-0496-03

        Response of Root Border Cells to Aluminum Toxicity in Buckwheat

        ZHANG Shu-na,LI Shi-pei,MAO Ling-ling,ZHENG Yi,XU Gen-di,YANG Bin

        (College of Chemistry and Life Science, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004,Zhejiang,China)

        Abstract: The effect of Al toxicity on the reletive root length, the viability of the attached and detached root border cells and the production of mucilage of two buckwheat cultivars(Jiangxi and Neimeng) was studied using aeroponic culture method. Al stress could suppress root growth and the viability of root border cells of buckwheat. The viability of the root border cells clinging to the root tip was higher than that detached at same Al concentration. The thickness of mucilage layer was related to the Al concentration, and the layer of the attached root boeder cells was thicker than that of detached, especially in Al-tolerant cultivar (Jiangxi). These results indicated that border cells could make adaptive reaction to Al toxicity by changing cell viability and producing of mucilage.

        Key words: buckwheat; Aluminum toxicity; border cells; mucilage

        在高度風(fēng)化的酸性土壤中,鋁是限制作物生長(zhǎng)和礦質(zhì)元素吸收而導(dǎo)致減產(chǎn)的一個(gè)主要脅迫因子[1,2]。我國(guó)酸性土壤遍及南方15個(gè)省區(qū),總面積為2 030萬(wàn)hm2,約占全國(guó)土地總面積的21%[3]。國(guó)內(nèi)外有關(guān)鋁對(duì)植物的毒害和植物的抗性研究已有許多報(bào)道[4],其中,有關(guān)邊緣細(xì)胞在植物耐鋁中的作用已經(jīng)引起了許多學(xué)者的關(guān)注[5,6],但由于試驗(yàn)證據(jù)仍相當(dāng)缺乏,故其機(jī)理至今還沒(méi)完全確定。

        邊緣細(xì)胞,是從根冠表皮游離出來(lái)并聚集在根尖周?chē)囊蝗禾厥饧?xì)胞[5],起源于根冠分生組織的有絲分裂,作為根表面和土壤間構(gòu)建的一個(gè)生物表界面,在減少或避免外界的生物與非生物脅迫,如真菌、細(xì)菌、線(xiàn)蟲(chóng)的侵染[7]和鋁毒害[5]中起著重要作用。有研究表明,邊緣細(xì)胞可通過(guò)細(xì)胞程序性死亡[7]、分泌黏液[8]來(lái)保護(hù)或減輕鋁對(duì)植物的毒害。根邊緣細(xì)胞具有特殊的生理活性和生物學(xué)意義,而且容易獲得,保存簡(jiǎn)單。因此,本試驗(yàn)以耐鋁性較強(qiáng)的蕎麥邊緣細(xì)胞為材料,研究鋁對(duì)邊緣細(xì)胞的毒害作用及細(xì)胞的耐鋁性反應(yīng),以明確邊緣細(xì)胞在蕎麥耐鋁中的作用。

        1材料和方法

        1.1供試材料

        供試材料為產(chǎn)自江西(耐鋁基因型)和內(nèi)蒙(鋁敏感基因型 )的兩個(gè)蕎麥( Fagopyrumesculentum Moench.)品種[9]。

        1.2培養(yǎng)方法

        蕎麥種子用蒸餾水浸泡4 h,轉(zhuǎn)移至蓋有濕潤(rùn)紗布的培養(yǎng)皿內(nèi),置于黑暗環(huán)境下25℃恒溫箱中萌發(fā)24 h。選取根長(zhǎng)一致露白蕎麥種子分兩部分進(jìn)行試驗(yàn)。

        第一部分以原位邊緣細(xì)胞(附著于根尖的邊緣細(xì)胞)為材料,將露白種子播于底部裝有200 mL無(wú)菌水的塑料盆中進(jìn)行懸空氣培養(yǎng)[10],溫度28℃,濕度80%。每2 h噴灑1次Al3+處理液。Al3+以AlCl3形式供應(yīng)(含0.1 mmol/LCaCl2,pH值4.5)。Al3+濃度設(shè)為0、50、100、200 μmol/L,Al3+處理24 h后收集邊緣細(xì)胞,分別測(cè)定細(xì)胞的活性和黏液厚度,每個(gè)處理重復(fù)6次。

        第二部分以離體邊緣細(xì)胞為材料,挑取根長(zhǎng)為25 mm(此根長(zhǎng)時(shí)邊緣細(xì)胞數(shù)目最多[11])的蕎麥幼苗的根尖10個(gè),將根尖邊緣細(xì)胞洗于1.5 mL含有1mL Al3+處理液的離心管中,靜置2 min后用吸管輕輕吹打,制成邊緣細(xì)胞懸浮液,進(jìn)行懸浮培養(yǎng)試驗(yàn),測(cè)定邊緣細(xì)胞活性和黏液層厚度,處理濃度和時(shí)間與原位邊緣細(xì)胞相同。

        1.3相對(duì)根長(zhǎng)的測(cè)定

        Al3+處理24 h后,每個(gè)處理隨機(jī)選10株幼苗,分別測(cè)定蕎麥的根長(zhǎng),取平均值,計(jì)算相對(duì)根長(zhǎng)。相對(duì)根長(zhǎng)(%)=(Al3+處理組蕎麥根長(zhǎng)/無(wú)Al3+處理組蕎麥根長(zhǎng))×100%。

        1.4邊緣細(xì)胞活性和黏液厚度的檢測(cè)

        邊緣細(xì)胞活性測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[10],用FDA-PI染液進(jìn)行染色,以體積比1∶1混合,其中FDA為25 μg/mL熒光素雙醋酸溶液,PI為10 μg/mL碘化丙啶溶液。邊緣細(xì)胞黏液厚度測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[12]。

        1.5統(tǒng)計(jì)分析方法

        各試驗(yàn)重復(fù)3次,所得數(shù)據(jù)計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差,利用SPSS 15.0軟件進(jìn)行方差分析(P<0.05)。

        2結(jié)果與分析

        2.1鋁對(duì)蕎麥相對(duì)根長(zhǎng)的影響

        如圖1所示,江西蕎麥相對(duì)根長(zhǎng)與Al3+處理濃度呈負(fù)相關(guān),Al3+濃度為200 μmol/L時(shí)達(dá)到最小值79.5%。而內(nèi)蒙蕎麥?zhǔn)埽粒欤常挠绊懸笠恍?dāng)Al3+處理濃度為50 μmol/L時(shí),根生長(zhǎng)已經(jīng)受到明顯抑制,相對(duì)根長(zhǎng)為66.7%,不同濃度Al3+處理間無(wú)顯著差異。試驗(yàn)表明,鋁毒在短時(shí)間內(nèi)便可抑制蕎麥根的生長(zhǎng),而且對(duì)敏感品種的影響更大。

        2.2鋁對(duì)蕎麥原位邊緣細(xì)胞活性的影響

        經(jīng)不同Al3+濃度處理24 h后,兩蕎麥品種原位邊緣細(xì)胞的活性都有所降低,但均在92%以上。與不加Al3+處理相比,江西蕎麥在低濃度Al3+處理時(shí)(50、100 μmol/L)活性雖有所降低,但差異不顯著(P<0.05),當(dāng)Al3+濃度為200 μmol/L時(shí),活性最低,差異顯著。而內(nèi)蒙蕎麥經(jīng)50 μmol/L Al3+處理時(shí),細(xì)胞活性已經(jīng)明顯下降(圖2)。

        2.3鋁對(duì)蕎麥離體邊緣細(xì)胞活性的影響

        如圖3所示,離體邊緣細(xì)胞活性與Al3+處理濃度呈負(fù)相關(guān),且活性明顯低于原位邊緣細(xì)胞,總體存活率在80%以上。內(nèi)蒙蕎麥對(duì)鋁毒的反應(yīng)更為敏感,與不加Al3+處理相比,50 μmol/L Al3+處理時(shí),細(xì)胞活性已經(jīng)明顯下降,而江西蕎麥當(dāng)Al3+濃度為200 μmol/L時(shí)細(xì)胞活性才顯著下降。因此,離體邊緣細(xì)胞受鋁毒的影響更大。

        2.4邊緣細(xì)胞黏液分泌對(duì)鋁脅迫的響應(yīng)

        相同處理下,離體邊緣細(xì)胞黏液層厚度要大于原位邊緣細(xì)胞。就原位邊緣細(xì)胞而言,黏液層厚度隨著Al3+濃度的增加而增厚,但幅度不大,且內(nèi)蒙蕎麥黏液層厚度要大于江西蕎麥。離體邊緣細(xì)胞黏液層厚度有隨著Al3+處理濃度的增加呈現(xiàn)先增厚后變薄的趨勢(shì),當(dāng)Al3+濃度為100 μmol/L時(shí),黏液層厚度最大,兩品種間變化規(guī)律基本一致(圖4、圖5)。由此說(shuō)明,鋁脅迫下,邊緣細(xì)胞可能會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)黏液分泌量來(lái)緩解鋁毒害作用。

        3討論

        一般認(rèn)為,鋁對(duì)植物的最初毒害主要是對(duì)根的影響,根尖在植物對(duì)鋁毒的響應(yīng)中起著非常重要的作用[13],而邊緣細(xì)胞正是從根冠表皮游離出來(lái)并聚集在根尖周?chē)囊蝗禾厥饧?xì)胞,邊緣細(xì)胞所在的區(qū)域正好是根尖的鋁毒敏感區(qū),故邊緣細(xì)胞在植物的耐鋁毒中可能起一定的作用,有研究發(fā)現(xiàn)它在感知和緩解鋁毒害方面起作用[14,15]。本試驗(yàn)通過(guò)鋁對(duì)蕎麥原位邊緣細(xì)胞和離體邊緣細(xì)胞存活率、黏液層厚度和相對(duì)根長(zhǎng)變化的研究,得出蕎麥邊緣細(xì)胞對(duì)鋁毒的響應(yīng)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:第一,不同的Al3+濃度對(duì)邊緣細(xì)胞活性影響不同。Al3+濃度為50 μmol/L時(shí)就足以引發(fā)邊緣細(xì)胞的死亡,當(dāng)Al3+濃度為200 μmol/L時(shí)細(xì)胞存活率最低。第二,相同Al3+處理下,附著于根尖的邊緣細(xì)胞活性要大于離體邊緣細(xì)胞。第三,鋁能刺激邊緣細(xì)胞黏液的分泌,黏液層厚度與鋁毒害程度呈正相關(guān),且離體邊緣細(xì)胞黏液層厚度要大于原位邊緣細(xì)胞。

        以上試驗(yàn)結(jié)果與Miyasaka等[5]研究結(jié)果基本一致,由此推測(cè)邊緣細(xì)胞可能會(huì)通過(guò)細(xì)胞的程序性死亡和分泌黏液來(lái)緩解鋁毒害。具體原因如下:在鋁信號(hào)誘導(dǎo)下,邊緣細(xì)胞可能通過(guò)吸收信號(hào)分子激發(fā)細(xì)胞程序性死亡的信號(hào),加快細(xì)胞的死亡,再通過(guò)死細(xì)胞體內(nèi)螯合鋁來(lái)阻止鋁進(jìn)入植物機(jī)體,從而減少植物對(duì)鋁的吸收[16]。同時(shí),伴隨著細(xì)胞內(nèi)的氧自由基的增加,植物細(xì)胞啟動(dòng)一系列的反應(yīng)酶保護(hù)系統(tǒng)和非酶保護(hù)系統(tǒng)來(lái)清除過(guò)量的自由基,降低其對(duì)細(xì)胞膜的傷害作用[17]。另外,邊緣細(xì)胞能分泌黏液包括糖類(lèi)(如葡萄糖-C、酸性多糖),其中的酸性多糖具有類(lèi)似果膠的性質(zhì),其上的羧基能與根質(zhì)外體鋁結(jié)合成緊密的、無(wú)毒性的復(fù)合物,黏液還能夠積累根尖分泌的有機(jī)酸,和鋁形成毒性較低的有機(jī)酸——鋁絡(luò)合物,起到螯合鋁而使之靜止固定的作用,從而阻止鋁進(jìn)入根部危害植物[18]。

        至于為什么離體邊緣細(xì)胞活性要低于原位邊緣細(xì)胞,有如下推測(cè):第一,離開(kāi)根尖后的邊緣細(xì)胞周?chē)酿ひ汉苋菀妆幌♂專(zhuān)泻停粒欤常淖饔昧ο陆?,?xì)胞易受到鋁的毒害[5,12]。第二,較高的滲透壓有利于保持邊緣細(xì)胞的活性[14]。在溶液中,由于滲透壓極低,離體邊緣細(xì)胞易失活,而原位邊緣細(xì)胞,由于黏液層高度濃縮,具有更高的滲透壓,有利于邊緣細(xì)胞的存活。第三,邊緣細(xì)胞形成是一個(gè)組成型表達(dá)的過(guò)程,又是一個(gè)受內(nèi)外信號(hào)調(diào)控的誘導(dǎo)型表達(dá)過(guò)程。在鋁信號(hào)誘導(dǎo)下,根冠分生組織不斷產(chǎn)生新的邊緣細(xì)胞來(lái)維持其數(shù)目和活性。

        總之,根邊緣細(xì)胞對(duì)鋁毒的響應(yīng)及機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,以上我們僅是從細(xì)胞水平上做了初步的研究,而蕎麥邊緣細(xì)胞耐鋁毒作用是由遺傳因素決定,同時(shí)也受到胞內(nèi)、胞外信號(hào)的共同調(diào)節(jié)。因此,有關(guān)這方面的內(nèi)容還需更深入研究。

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