邢承華　張淑娜　盧建挺

摘要 以耐鋁性有明顯差異的2個水稻品種Ⅱ優(yōu)3027（耐鋁基因型）和紅良優(yōu)166（鋁敏感基因型）為材料，研究了不同鋁濃度下根冠黏液、根尖（懸空培養(yǎng)、振蕩培養(yǎng)）中總鋁、單核鋁含量以及鋁形態(tài)變化。結(jié)果表明，在鋁脅迫下，振蕩培養(yǎng)組中2個品種總鋁、單核鋁含量隨著鋁濃度的上升而上升；懸空培養(yǎng)組根尖和黏液中，Ⅱ優(yōu)3027總鋁、單核鋁含量在0～200 μmol/L鋁濃度范圍時隨著鋁濃度的上升而上升，在200～400 μmol/L鋁濃度范圍時，呈下降趨勢，而紅良優(yōu)166變化規(guī)律與振蕩培養(yǎng)組基本一致。耐鋁品種和敏感品種在0～200 μmol/L鋁濃度范圍時鋁含量相近，但在400 μmol/L鋁處理濃度時差異顯著。振蕩培養(yǎng)和懸空培養(yǎng)條件下鋁形態(tài)變化規(guī)律也大致同上，并發(fā)現(xiàn)對水稻起毒害作用的鋁形態(tài)主要是交換態(tài)鋁和吸附態(tài)鋁，有機態(tài)鋁毒性很小。

關(guān)鍵詞 水稻；鋁毒；黏液；鋁形態(tài)；根冠

中圖分類號 S511 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）16-0005-03

Abstract Two rice varieties ′Ⅱyou 3027′（patient）and ′Hongliangyou 166′（sensitive）with obvious difference in aluminium sensitivity were used as test material to study the change of total aluminium，monocyte aluminium content and form at different aluminum concentration.The results showed that two rice varieties′ total aluminium，monocyte aluminium content was increased with aluminum concentrations under oscillation cultivation and the same to′Hongliangyou 166′ under submerged cultivation. ′Ⅱyou 3027′ total aluminium，monocyte aluminium content was increased with aluminum concentrations in 0～200 μmol/L and declined with aluminum concentrations in 200～400 μmol/L under submerged cultivation. The aluminum content of the resistant aluminum varieties and sensitive varieties is similar in the range of 0～200μmol/L aluminum concentration，but the aluminum treatment concentration was significantly different in 400 μmol/L aluminum concentration. The main forms of aluminum toxicity to rice were exchangeable aluminum and adsorbed aluminum，while organic aluminum is very toxic.

Key words rice；aluminum toxicity；mucilage；aluminum speciation；root cap

鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，又是植物的非必需元素，隨著酸雨作用越來越突出，土壤酸化問題日益嚴重，使得鋁溶出量與日俱增，而鋁毒害總是與土壤酸化相伴。我國酸性沉降的日益嚴重及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中酸性肥料的不合理使用，使得當前土壤酸化問題進一步加劇，加重植物的受害程度，由此被認為是酸性土壤限制作物生長的最主要因素[1]。根邊緣細胞（root border cells）是從根尖脫落下來并聚集在根尖周圍的一群特殊的細胞[2-3]。具有新陳代謝能力的根邊緣細胞和一系列從根冠細胞分離而被降解的細胞壁碎片，以及有機酸、糖和其他高分子有機物組成了根尖周圍的根冠黏膠層，其在感受和響應(yīng)逆境脅迫，保護根尖免受不利環(huán)境因素的脅迫起重要作用[4]。近年來，已經(jīng)被證明擬南芥（Arabidopsis thaliana）根尖能產(chǎn)生和釋放有序的多細胞層的類邊緣細胞[5]。根冠邊緣細胞的分離是一個不斷變化著的調(diào)控過程和不依賴于根生長的動態(tài)過程[6]。越來越多的證據(jù)表明，邊緣細胞及其相關(guān)的黏液層在植物生長過程中起到多重功能，例如可以減少根在土壤中生長的阻力[7]、分泌黏液抵抗鋁毒[8]、調(diào)節(jié)根冠的有絲分裂、平衡根際周圍的微環(huán)境；并在抗生物（細菌、真菌、病毒、線蟲）與非生物（鋁毒）脅迫中起作用[9-10]。關(guān)于邊緣細胞形成和釋放的調(diào)控機制以及在提高植物抗逆性，尤其是抗鋁毒方面的研究，已成為目前植物學(xué)研究領(lǐng)域的新熱點之一[11-12]。根邊緣細胞或者根冠黏膠層對于鋁毒害有怎樣的抗逆機制以及效果如何，目前的研究主要集中于鋁脅迫下大豆等作物根相對伸長率、根尖和黏液中鋁含量、鋁形態(tài)[1]分析、蛋白質(zhì)含量、無機磷含量、酸性磷酸酶、呼吸酶[13]和保護酶[14]活性等方面的變化。除此之外，在大豆、豌豆[4]、牛豆[15]、綠豆[16]、紅豇豆[17]、豇豆[18]、黃瓜[19]、大麥[3，20]、小麥[21-22]、蕎麥[23-24]、油菜、水稻[25-26]等作物上也有鋁毒或鐵毒[27]脅迫的相關(guān)研究。

目前，研究我國南方在酸雨危害下鋁毒對主要經(jīng)濟作物水稻的影響尤為重要，水稻對鋁毒的響應(yīng)和邊緣細胞或黏液在其中所起作用的探討，已成為當前研究領(lǐng)域的新熱點之一[28-30]。根冠黏膠層在感受和響應(yīng)逆境脅迫，保護根尖免受不利環(huán)境因素的脅迫起重要作用。本試驗以水稻為試驗材料，研究了在不同濃度鋁毒環(huán)境下不同水稻品種的毒害情況，以探討鋁毒的規(guī)律性、毒害的主要鋁形態(tài)、品種間的差異以及邊緣細胞或根冠黏膠層的作用等。endprint

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗以耐性品種Ⅱ優(yōu)3027和敏感品種紅良優(yōu)166為材料，研究鋁脅迫對水稻根冠黏液和根尖鋁形態(tài)的影響。

1.2 試驗設(shè)計

選取優(yōu)質(zhì)水稻種子，在1‰過氧化氫溶液中消毒20 min，然后進行浸種、催芽和育苗。待長出試驗所需長度的幼根后，進行不同鋁濃度處理。試驗采用懸空培養(yǎng)法，即保留根尖邊緣細胞和黏液。設(shè)4個鋁濃度處理，分別為0 μmol/L Al3+（CK）、100 μmol/L Al3+、200 μmol/L Al3+、400 μmol/L Al3+，Al3+以AlCl3形式供應(yīng)，含0.5 mmol/L CaCl2，pH值4.5。每隔2 h定量噴灑不同濃度Al3+溶液，不同處理每次所噴的Al3+液量都相同。Al處理4 h后用毛細管吸取黏液于試管中，每隔4 h收集1次，當根長大于3 cm時停止該樣品的吸取。

1.3 測定方內(nèi)容與法

1.3.1 水稻根相對伸長率的測定。在Al處理前后分別測定水稻根長，各個處理前、后根系的長度差為根系伸長量。按下列公式計算：根相對伸長率（%）=Al處理組根伸長量/對照組根伸長量×100。每個處理隨機選30個根，取平均值。

1.3.2 黏液總Al和單核Al含量測定。黏液總Al含量采用ICP-OES法測定。黏液單核Al含量桑色素絡(luò)合熒光光度法。取一定量標準品或待測液（黏液取0.5 mL）于5 mL離心管中，先加入400 μL 1.0 mol/L NH4OAc-HOAc緩沖液（pH值4.0），再加入800 μL1.0×10-4 mol/L Morin，最后加入乙醇使總體積達4 mL。振蕩30 min（或者超聲波振蕩5 min冷卻到室溫）后在Ex=404.6 nm、Em=498 nm處測量熒光強度，同時做試劑空白。

2 結(jié)果與分析

2.1 根相對伸長率分析

根相對伸長率是反應(yīng)鋁毒害最直觀的指標。從圖1可以看出，隨著鋁處理濃度的增大，振蕩培養(yǎng)組（去除黏液）根相對伸長率呈現(xiàn)出下降趨勢，差異顯著（P<0.05），而懸空培養(yǎng)組（保留黏液）中Ⅱ優(yōu)3027差異不顯著，紅良優(yōu)166規(guī)律類似振蕩培養(yǎng)。而且同一處理濃度下懸空培養(yǎng)組的根相對伸長率明顯大于振蕩培養(yǎng)，這表明黏液對鋁毒確實具有緩解作用。在相同處理條件下Ⅱ優(yōu)3027較紅良優(yōu)166具有稍大的相對伸長率，反映出耐鋁品種和敏感品種間的差異。

2.2 黏液中總Al含量分析

不同鋁處理濃度下，Ⅱ優(yōu)3027和紅良優(yōu)166的根冠黏液總鋁含量表現(xiàn)出相近的規(guī)律，即均隨著鋁處理濃度的增大，黏液中總鋁含量也小幅度增加，并在200 μmol/L鋁處理濃度下達最大值后出現(xiàn)下降趨勢。敏感品種紅良優(yōu)166較耐性品種Ⅱ優(yōu)3027有更大的黏液總鋁，反映出品種間的差異（圖2）。

2.3 黏液中單核Al分析

在0～200 μmol/L的鋁濃度范圍時，Ⅱ優(yōu)3027和紅良優(yōu)166的單核鋁含量隨著鋁處理濃度的增大而增加，但隨著鋁處理濃度的進一步增大，Ⅱ優(yōu)3027單核鋁含量出現(xiàn)顯著下降，而紅良優(yōu)166在400 μmol/L的鋁處理時達到最大（圖3）。

3 結(jié)論與討論

3.1 根冠黏膠層分泌黏液抵抗鋁毒

根尖周圍的根冠黏膠層，在感受和響應(yīng)逆境脅迫，保護根尖免受不利環(huán)境因素的脅迫中起著重要作用。潘建偉等[3]研究發(fā)現(xiàn)，邊緣細胞的耐鋁性與個體水平的耐鋁性相一致，其中黏液層在鋁毒保護作用中起著重要作用。在同一鋁處理濃度下，有黏液保護的懸空培養(yǎng)組根尖鋁含量遠遠小于無黏液保護的振蕩培養(yǎng)組根尖鋁含量，表明根冠黏液在保護根尖緩解鋁脅迫上確實起著重要作用。有黏液作用的懸空培養(yǎng)組在200～400 μmol/L鋁處理濃度時出現(xiàn)下降趨勢，而無黏液作用的振蕩培養(yǎng)組則保持上升趨勢，更加突出地說明在一定鋁濃度下，黏液的保護作用會高強度的發(fā)揮。

振蕩培養(yǎng)組隨著鋁處理濃度的上升，根尖總鋁含量呈顯著的遞增趨勢，根尖相對伸長率則呈現(xiàn)出相反的趨勢；懸空培養(yǎng)組中隨著鋁處理濃度的上升，根尖總鋁含量呈現(xiàn)出先增后降的趨勢，根相對伸長率出現(xiàn)下降趨勢，但耐鋁品種較為緩和。并且在同一鋁處理濃度下，懸空培養(yǎng)組較振蕩培養(yǎng)組根相對伸長率大。

從懸空培養(yǎng)和振蕩培養(yǎng)根尖鋁含量上的差異、變化規(guī)律以及根相對伸長率綜合分析，結(jié)果表明，有黏液作用的水稻根尖鋁含量低、長勢好，而無黏液作用下則相反，表明根冠黏液能有效地降低根尖鋁含量，從而使得根相對伸長率呈現(xiàn)出上述變化，驗證了根冠黏液在保護根尖組織和抵抗鋁毒上起著重要作用。

3.2 鋁脅迫下黏液鋁含量與根尖鋁含量的變化

黏液中鋁含量規(guī)律與根尖懸空培養(yǎng)組中鋁含量規(guī)律基本一致，即在一定范圍內(nèi)都是隨著鋁處理液濃度的上升而上升，達到一定濃度后，均出現(xiàn)下降趨勢或僅Ⅱ優(yōu)3027品種出現(xiàn)下降趨勢。懸空培養(yǎng)下根尖鋁含量的變化趨勢，可能是由于根系吸收的鋁很少重新排放，一般通過形成螯合或絡(luò)合物等形式降低鋁的毒性，由此保護根尖抵抗鋁毒。

但黏液中也出現(xiàn)下降，這可以從蔡妙珍等[8]在大豆中發(fā)現(xiàn)邊緣細胞活性有先下降后上升的趨勢，同時不同品種在不同鋁處理濃度下黏液分泌量是有差異的中得到啟示?？梢酝茰y懸空培養(yǎng)條件下Ⅱ優(yōu)3027之所以出現(xiàn)根相對伸長率先下降后平穩(wěn)的趨勢，是由于黏液分泌量多，對根尖的保護作用大，BC活性強，并因此引起根伸長率的變化。因此，隨著邊緣細胞活性的上升，該條件下黏液又大量分泌，致使黏液中的鋁被稀釋或被轉(zhuǎn)化成無毒的鋁形態(tài)而出現(xiàn)濃度的下降，從而達到緩解鋁毒的作用。

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