李舟陽 陸文玲 錢 旺 黃奕孜 林二培 黃華宏 童再康

(浙江農(nóng)林大學(xué) 亞熱帶森林培育國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 311300)

根邊緣細(xì)胞(root border cells, RBCs)是指在植物根生長(zhǎng)過程中從根冠游離下來的一類具有生物學(xué)活性的細(xì)胞，存在于根際水溶性的黏液層中(Hawesetal., 2000, Driouichetal., 2007)。根邊緣細(xì)胞來源于根冠分生組織細(xì)胞，具有特有基因表達(dá)和代謝模式，其發(fā)育過程受到嚴(yán)格的遺傳調(diào)控(Driouichetal., 2007, Watsonetal., 2015)，能夠分泌含有多糖、小分子蛋白、過氧化氫酶、類黃酮抗生素等活性物質(zhì)的黏液，在根尖受到土壤中非生物和生物脅迫時(shí)起到重要的保護(hù)作用。果膠甲基酯酶(pectin methylesterase, PME)可以使果膠去甲基化和果膠酸分解，它的活性與邊緣細(xì)胞從根冠分離有密切的關(guān)系，在根邊緣細(xì)胞的產(chǎn)生和發(fā)育中有重要作用(Wenetal., 1999,Stephensonetal., 1994)。目前，已在3種植物中發(fā)現(xiàn)邊緣細(xì)胞，并研究了其數(shù)量、活性等生物學(xué)特性，但多數(shù)研究集中在大豆(Glycinemax)、玉米(Zeamays)和小麥(Triticunaestvum)等作物(Panetal., 2002, Hamamotoetal., 2006, Curlango-Riveraetal., 2013)，而對(duì)杉木等裸子植物則少有報(bào)道。

鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素。在正常環(huán)境下，鋁以Al(OH)4的形式存在，其形態(tài)會(huì)隨pH值降低轉(zhuǎn)變?yōu)锳l(OH)3、Al(OH)2、Al(OH)2+。在pH<5的酸性土壤中，部分鋁元素以Al3+方式存在，這種形態(tài)的鋁離子對(duì)植物生長(zhǎng)的毒害最強(qiáng)，會(huì)嚴(yán)重影響植物根的伸長(zhǎng)和水分養(yǎng)分吸收，最終導(dǎo)致作物減產(chǎn)(Sadeetal.， 2016)。植物響應(yīng)鋁脅迫的機(jī)制非常復(fù)雜，且內(nèi)在調(diào)控機(jī)制尚不明確(Brunneretal., 2013, Liuetal., 2014)。已有研究表明，根邊緣細(xì)胞和根冠分泌的黏液會(huì)吸附鋁離子，降低鋁離子在根尖的積累，從而提高植物的耐鋁性(Barceletal., 2002, 蔡妙珍等， 2012, Caietal., 2013)。

杉木(Cunninghamialanceolata)是優(yōu)良速生針葉樹種，也是我國南方最重要的用材樹種之一，主要分布在南方富鐵鋁化酸性土壤中。近年來，隨著全球酸沉降的加劇，我國土壤的酸化程度和面積都在不斷加大，導(dǎo)致土壤中鋁含量顯著增加，從而進(jìn)一步加劇了鋁對(duì)杉木等森林植物的毒害(張玲玉等， 2019，俞飛等， 2014)。杉木人工純林多代連栽也會(huì)導(dǎo)致土壤酸化，進(jìn)而誘發(fā)鋁毒害，是造成杉木連栽障礙、生產(chǎn)力下降的主要因素之一(羅承德等， 2000，雷波等， 2014)。本研究以杉木幼苗為材料，觀測(cè)杉木根邊緣細(xì)胞的數(shù)量、活性和形態(tài)等生物學(xué)特性，分析邊緣細(xì)胞的產(chǎn)生和游離與果膠甲基酯酶(PME)活性的關(guān)系，研究杉木根邊緣細(xì)胞對(duì)鋁脅迫的響應(yīng)，以期為闡明杉木根邊緣細(xì)胞發(fā)育調(diào)控規(guī)律及其鋁脅迫響應(yīng)機(jī)制提供基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料處理

選用由浙江省種苗管理總站提供杉木無性系‘龍15’和‘閩33’雙系雜交種子園種子為試驗(yàn)材料。選取健壯飽滿的種子，用水清洗干凈后在無菌水中浸泡24 h，然后依次用75%酒精滅菌30 s后無菌水洗3次，5% 安替福明溶液滅菌10～15 min后無菌水洗3次，1%多菌靈浸泡10～15 min后無菌水洗3次； 最后將種子置于鋪有濕潤(rùn)雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，于培養(yǎng)箱中24 ℃萌發(fā)10～15天。待種子萌發(fā)后，采用懸空氣培法培養(yǎng)萌發(fā)的種子，具體過程如下： 用皮筋將濕潤(rùn)的紗網(wǎng)固定在黑色塑料營(yíng)養(yǎng)缽上，將營(yíng)養(yǎng)缽放入帶有200 mL無菌水的燒杯中，然后將露白種子播于網(wǎng)孔中，燒杯用塑料薄膜封住，根在濕潤(rùn)空氣中生長(zhǎng)，每杯播20粒露白種子，置于24 ℃培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 邊緣細(xì)胞數(shù)量統(tǒng)計(jì)與活性檢測(cè) 取相同根長(zhǎng)的幼苗5株，將根浸入500 μL 無菌水中1～2 min，用移液槍頭輕輕吹打，使邊緣細(xì)胞充分釋放到水中，用于細(xì)胞數(shù)量統(tǒng)計(jì)和活性檢測(cè)。利用二乙酰熒光素(flurescein diacetate, FDA)-碘化丙啶(propidium iodide, PI )雙染色劑染色檢測(cè)細(xì)胞活性和統(tǒng)計(jì)細(xì)胞數(shù)量，主要步驟： 加FDA-PI染色液于細(xì)胞懸液至終濃度1 g·L-1(w/v)，混勻后避光染色10 min，然后輕輕反復(fù)吹打混勻，每次吸取50 μL細(xì)胞懸液于單孔載玻片上，置于熒光顯微鏡(Leica DM4000)下觀察細(xì)胞形態(tài)及活性(活細(xì)胞呈綠色，死細(xì)胞呈紅色)； 因邊緣細(xì)胞形狀不規(guī)則且易黏連，需對(duì)細(xì)胞懸液中的所有細(xì)胞觀察統(tǒng)計(jì)，最后統(tǒng)計(jì)活細(xì)胞和死細(xì)胞個(gè)數(shù)，計(jì)算每個(gè)根的邊緣細(xì)胞數(shù)和活性，細(xì)胞活性=活細(xì)胞數(shù)量/細(xì)胞總量×100%。試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.2 根冠PME活性檢測(cè) 在懸空氣培過程中，分別剪取20 個(gè)初生根長(zhǎng)度為<0.5、0.5、1.0、1.5、2.0 和2.5 cm的幼苗根尖，用于PME活性檢測(cè)。將根尖置于組織勻漿器中，加入150 μL PME提取液(0.1 mol·L-1citric acid，0.2 mol·L-1Na2HPO4，1mol· L-1NaCl，pH 5.8)充分研磨； 將充分研磨的勻漿轉(zhuǎn)移至1.5 mL離心管中，冰浴1 h，期間每隔20min震蕩1次； 12 000 r·min-14 ℃條件下離心10min，取上清液，即為PME酶液。參考Pan等(2004)的方法進(jìn)行PME酶活性檢測(cè)。取20 μL上述PME酶液加到4 mL底物溶液[5 g·L-1(w/v)果膠，0.2 mol·L-1氯化鈉，1.5 g·L-1(w/v)甲基紅，pH6.8]中混合均勻，37 ℃水浴2 h，然后用分光光度計(jì)測(cè)525 nm的吸光度。分別取15、30、45、60、75、90、105和120 μL 0.01 mol·L-1HCl加入4 mL底物溶液中混合均勻，用分光光度計(jì)測(cè)525 nm的吸光度，重復(fù)3次。以吸光度為橫坐標(biāo)，H+的量為縱坐標(biāo)，繪出吸光度與H+的量之間的標(biāo)準(zhǔn)曲線，并計(jì)算回歸方程。利用標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程計(jì)算PME活性[μmol H+(root cap)-1h-1]，重復(fù)3次。

1.2.3 表沒食子兒茶素沒食子酸酯(EGCG)處理 EGCG是PME酶的抑制劑，可用于分析PME酶被抑制后的邊緣細(xì)胞發(fā)育情況(Mravec,2017)。取根長(zhǎng)1.5 cm的幼苗，用干燥的濾紙輕輕擦去根尖上的粘液與細(xì)胞(在體視鏡下檢查邊緣細(xì)胞是否已完全擦除)，將根尖置于單孔載玻片上，分別加清水25 μmol·L-1濃度的EGCG，蓋上蓋玻片后培養(yǎng)48 h，在體視鏡下定時(shí)觀察根尖邊緣細(xì)胞形成與游離情況。

1.2.4 鋁脅迫處理及幼苗根長(zhǎng)的測(cè)量 取根長(zhǎng)約1.5 cm左右的種子苗，分別保留黏液層(邊緣細(xì)胞)和擦除黏液層(邊緣細(xì)胞)(按1.2.3的方法擦除黏液層)，測(cè)量每株種子苗的根長(zhǎng)，置于0、50、100和200 μmol·L-1AlCl3溶液中，處理24 h后測(cè)量根的絕對(duì)生長(zhǎng)量。在配制不同濃度的AlCl3溶液時(shí)，加入0.5 mmol·L-1CaCl2以避免單鹽毒害，pH值調(diào)至4.5。每個(gè)處理10株種子苗，重復(fù)3次。

1.2.5 桑色素染色檢測(cè)鋁離子的分布與吸收 桑色素(Morin)能與鋁離子形成絡(luò)合物，可以檢測(cè)鋁離子在根尖的分布和吸收情況(Ohetal.， 2014)。取鋁脅迫處理后的幼苗，用無菌水清洗2次去除殘留的AlCl3溶液，加100 μmol·L-1的桑色素避光染色1 h，在熒光顯微鏡觀察記錄染色情況，并利用ImageJ軟件對(duì)熒光值定量。

1.2.6 邊緣細(xì)胞黏液層面積測(cè)定 取根長(zhǎng)約1.5 cm的種子苗，按1.2.1的方法收集邊緣細(xì)胞，分別置于0、100、200、300和500 μmol·L-1AlCl3溶液進(jìn)行處理。利用墨水染色的方法測(cè)定黏液層面積 (Caietal.， 2013； Ropitauxetal.， 2020)，取50 μL細(xì)胞懸浮液加黑色墨水(用水稀釋5倍)染色，在體視顯微鏡觀察拍照并用ImageJ軟件計(jì)算黏液層面積，每個(gè)處理至少測(cè)量15個(gè)邊緣細(xì)胞，重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS軟件中的獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)進(jìn)行方差和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 杉木根邊緣細(xì)胞的生物學(xué)特性

邊緣細(xì)胞的產(chǎn)生與游離與根生長(zhǎng)發(fā)育過程密切相關(guān)。杉木種子萌發(fā)過程中，當(dāng)胚根被種皮包裹時(shí)，邊緣細(xì)胞并未產(chǎn)生(圖1A)； 而當(dāng)胚根從種皮露出時(shí)(露白)，就可觀察到邊緣細(xì)胞已經(jīng)產(chǎn)生并游離在根尖周圍(圖1B)； 隨著根的伸長(zhǎng)，根邊緣細(xì)胞數(shù)量逐漸變多，且游離到了根際的黏液層中 (圖1C—H)。杉木根邊緣細(xì)胞具有3種形態(tài)： 橢圓形、中間形、長(zhǎng)條形，且這3種形態(tài)的細(xì)胞主要分布區(qū)域不同，其中橢圓形細(xì)胞一般游離在根冠的尖端部位，中間形細(xì)胞主要分布在分生區(qū)的位置，長(zhǎng)條形細(xì)胞則大部分分布在根的伸長(zhǎng)區(qū)部位(圖2)。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)表明，根際的邊緣細(xì)胞數(shù)量隨著根的伸長(zhǎng)先逐漸增多后下降，根長(zhǎng)1.0 cm時(shí)平均3 678 個(gè)左右； 根長(zhǎng)1.5 cm時(shí)最多，平均達(dá) 7 497個(gè)； 隨后呈下降趨勢(shì)，根長(zhǎng)2.5 cm時(shí)平均 5 731個(gè)，并保持基本穩(wěn)定 (圖3A)。邊緣細(xì)胞活性在根長(zhǎng)小于0.5 cm時(shí)可達(dá)95%，以后隨著根的伸長(zhǎng)會(huì)逐漸降低，但保持在80%以上，在根長(zhǎng)2.0 cm時(shí)趨于穩(wěn)定，基本在80%左右 (圖3B)； 不同形態(tài)的邊緣細(xì)胞活性不同，橢圓形細(xì)胞活性最高，可達(dá)95%； 中間形細(xì)胞活性次之，平均92%左右； 長(zhǎng)條形細(xì)胞活性最低，平均僅78%左右(圖3C)。

圖1 不同根長(zhǎng)杉木幼苗的邊緣細(xì)胞Fig. 1 Development of root border cells during root growth of C. lanceolata seedlingsA.胚根； B.根長(zhǎng)<0.5 mm； C.根長(zhǎng)0.5 mm； D.根長(zhǎng)1 mm； E.根長(zhǎng)10 mm； F.根長(zhǎng)15 mm； G.根長(zhǎng)20 mm； H.根長(zhǎng)25 mm. Bar=100 μm. A. Radicle; B.Root length <0.5 mm; C. Root length 0.5 mm; D. Root length 1 mm; E. Root length 10 mm; F. Root length 15 mm; G. Root length 20 mm; H. Root length 25 mm. Bar=100 μm.

圖2 杉木根邊緣細(xì)胞的形態(tài)(右)及其在根部的分布區(qū)域(左)Fig. 2 Root border cells’ morphotypes (right) and their distribution (left) in different root zones ofA:橢圓形； B:中間形； C:長(zhǎng)條形。Bar=100 μm.A:Elliptical; B:Intermediate; C:Elongated. Bar=100 μm

圖3 杉木根邊緣細(xì)胞的數(shù)量和活性的變化Fig. 3 The number and viability of root border cells during root growth in C. lanceolataA：不同根長(zhǎng)杉木幼苗邊緣細(xì)胞數(shù)量； B：不同根長(zhǎng)杉木幼苗邊緣細(xì)胞活性； C：不同形態(tài)的杉木根邊緣細(xì)胞活性。 A： The number of root border cells during root growth; B： The viability of root border cells during root growth; C： The viability of root border cells with different morphotypes.

2.2 PME酶活性對(duì)杉木根邊緣細(xì)胞發(fā)育的影響

PME酶活性高低與根邊緣細(xì)胞的發(fā)育及其從根冠的游離有直接聯(lián)系(Wenetal., 1999, 張?jiān)３康龋?2008)。本研究對(duì)不同根長(zhǎng)杉木幼苗根冠的PME酶活性的測(cè)定結(jié)果表明，在剛露白(<0.5 cm)時(shí)，根冠PME相對(duì)活性最高，達(dá)到1.3 μmol·L-1H+(root cap)-1h-1； 根長(zhǎng)為0.5～1.5 cm時(shí)PME酶活明顯下降，但穩(wěn)定在0.7 μmol·L-1H+(root cap)-1h-1左右； 而隨根伸長(zhǎng)至2.0 cm以上時(shí)，PME酶活則進(jìn)一步降低至0.4 μmol·L-1H+(root cap)-1h-1。

圖4 不同根長(zhǎng)杉木幼苗根冠PME活性變化Fig. 4 Changes in PME activity of root caps during root growth in C. lanceolata

為進(jìn)一步分析PME酶活性與邊緣細(xì)胞發(fā)育的相關(guān)性，將杉木幼苗根尖的邊緣細(xì)胞擦去后用PME酶的抑制劑EGCG進(jìn)行處理，觀察邊緣細(xì)胞發(fā)育和游離情況。如圖5所示，在對(duì)照組(0 μmol·L-1EGCG)中，擦除邊緣細(xì)胞的根尖會(huì)逐漸再生出邊緣細(xì)胞，至36～48 h時(shí)，可看到有大量邊緣細(xì)胞游離至根際環(huán)境中； 而經(jīng)25 μmol·L-1EGCG處理后，根尖也會(huì)再生出邊緣細(xì)胞，但36～48 h后僅有少量邊緣細(xì)胞游離至根際，大量邊緣細(xì)胞呈片狀且黏連在根冠處。以上結(jié)果表明，PME酶被抑制后并不影響邊緣細(xì)胞產(chǎn)生，但明顯抑制了邊緣細(xì)胞從根冠游離至根際的過程。

圖5 EGCG處理對(duì)杉木根邊緣細(xì)胞發(fā)育和游離的影響Fig. 5 Effect of EGCG on root border cells release (Bar=100 μm)

為分析鋁脅迫對(duì)杉木幼苗根生長(zhǎng)的影響以及邊緣細(xì)胞在鋁脅迫中可能的作用，對(duì)保留和擦去邊緣細(xì)胞的杉木幼苗根進(jìn)行鋁脅迫處理。由圖6可知，在保留邊緣細(xì)胞時(shí)，低濃度(50 μmol·L-1)的Al3+處理不會(huì)明顯影響幼苗根生長(zhǎng)； 隨Al3+濃度提高到100 μmol·L-1，杉木幼苗根伸長(zhǎng)受到顯著抑制，24 h的平均根生長(zhǎng)量為0.232 8 cm，而對(duì)照(0 μmol·L-1)為0.292 cm； 當(dāng)Al3+濃度提高至200 μmol·L-1時(shí)，24 h的平均根伸長(zhǎng)量?jī)H為0.169 6 cm，與對(duì)照差異極顯著(P<0.001)。以上結(jié)果表明，較高濃度的Al3+對(duì)杉木幼苗根有明顯毒害。而擦除邊緣細(xì)胞后，低濃度(50 μmol·L-1)的Al3+明顯抑制根生長(zhǎng)，且抑制作用隨Al3+濃度提高更明顯； 如當(dāng)Al3+為200 μmol·L-1時(shí)，去除邊緣細(xì)胞的根24 h平均生長(zhǎng)量?jī)H0.130 4 cm，與對(duì)照和保留邊緣細(xì)胞的根生長(zhǎng)量均差異極顯著(P<0.001)(圖6)。以上結(jié)果表明，擦除邊緣細(xì)胞的杉木幼苗根對(duì)Al3+表現(xiàn)出了更強(qiáng)敏感性，而邊緣細(xì)胞的存在可緩解Al3+對(duì)根的毒害，起到保護(hù)根尖作用。

圖6 Al3+ 對(duì)杉木幼苗根生長(zhǎng)的影響Fig. 6 Effect of Al3+ on root growth of C. lanceolata seedlings*表示與對(duì)照(0 μmol·L-1)相比差異顯著(P<0.05).**表示與對(duì)照(0 μmol·L-1)相比差異極顯著(P<0.01).* indicates a significant difference at P<0.05 level.** indicates a significant difference at P<0.01 level.

2.3 鋁脅迫對(duì)杉木幼苗根生長(zhǎng)的影響

利用桑色素(morin)染色對(duì)鋁脅迫處理后的Al3+在根尖分布結(jié)果的檢測(cè)表明，在保留邊緣細(xì)胞情況下，在根尖檢測(cè)到較弱的熒光信號(hào)，且可觀察到熒光信號(hào)出現(xiàn)在根際邊緣細(xì)胞處(圖7A-C)； 而在擦除邊緣細(xì)胞后，無論低濃度和高濃度的Al3+處理后，均在杉木幼苗根尖檢測(cè)到明顯的熒光信號(hào)(圖7D-F)。進(jìn)一步利用ImageJ軟件對(duì)根尖的熒光信號(hào)進(jìn)行定量，結(jié)果如圖7G所示，25 μmol·L-1Al3+處理，擦除邊緣細(xì)胞的根尖熒光信號(hào)強(qiáng)度為81.15×105，比對(duì)照(保留邊緣細(xì)胞)高58.43%； 100 μmol·L-1Al3+處理，擦除邊緣細(xì)胞的根尖熒光信號(hào)強(qiáng)度為121.79×105，比對(duì)照高137.78%，呈極顯著差異。以上結(jié)果表明，邊緣細(xì)胞的存在能抑制根尖對(duì)Al3+的直接吸收，從而起到保護(hù)根尖減緩鋁毒害的作用。

圖7 桑色素染色檢測(cè)Al3+在杉木幼苗根尖的分布Fig. 7 Detection of Al3+ distribution in root tips of C. lanceolata seedlings by morin stainingA～C： 保留邊緣細(xì)胞的杉木幼苗根尖，分別受0、25和100 μmol·L-1 Al3+處理后的桑色素染色情況； D～F： 擦除邊緣細(xì)胞的杉木幼苗根尖，分別受0、25和100 μmol·L-1 Al3+處理后的桑色素染色情況； Bar=100 μm； G： 不同Al3+濃度處理后的根尖熒光強(qiáng)度定量。 A-C： Morin staining of the root tips with border cells from treatment by 0, 25 and 100 μmol·L-1 Al3+, respectively; D-F： Morin staining of the root tips without border cells from treatment by 0, 25 and 100 μmol·L-1Al3+, respectively; Bar=100 μm； G： Quantitation of fluorescence intensity of the root tips from different treatments. *表示與對(duì)照相比差異顯著(P<0.05).**表示與對(duì)照相比差異極顯著(P<0.01).* indicates a significant difference at P<0.05 level.** indicates a significant difference at P<0.01 level.

2.4 Al3+對(duì)邊緣細(xì)胞黏液分泌的影響

利用墨水染色對(duì)Al3+處理后的邊緣細(xì)胞黏液層的檢測(cè)結(jié)果見圖8。較低濃度的Al3+會(huì)誘導(dǎo)邊緣細(xì)胞分泌更多黏液。測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Al3+濃度100和200 μmol·L-1時(shí)，邊緣細(xì)胞黏液平均面積為7 014和8 960 μm2，顯著大于對(duì)照的5 015 μm2； 而當(dāng)Al3+濃度達(dá)到300和500 μmol·L-1時(shí)，黏液平均面積為4 888和4 685 μm2，與對(duì)照無顯著差異。以上結(jié)果表明，低濃度的Al3+會(huì)誘導(dǎo)邊緣細(xì)胞分泌更多黏液，這可能是邊緣細(xì)胞保護(hù)根尖免受Al3+毒害的主要原因之一。

圖8 不同濃度Al3+對(duì)根邊緣細(xì)胞黏液分泌的影響Fig. 8 Effect of Al3+ on mucilage exudation of root border cellsA-E：Al3+濃度0、100、200、300和500 μmol·L-1處理后邊緣細(xì)胞黏液層； F：不同Al3+濃度處理后黏液層的面積； *表示與0 μmol·L-1相比差異顯著(P<0.05).A-E，the mucilage layer of root border cells from treatment by 0, 100, 200, 300 and 500 μmol·L-1 Al3+, respectively. Bar = 50 μm. F： the area of mucilage layer of root border cells under different Al3+ concentrations； * indicates a significant difference at P<0.05 level.

3 討論

植物根邊緣細(xì)胞廣泛存在于植物根際，有生物學(xué)活性，通過分泌多糖、小分子多肽甚至DNA等物質(zhì)，在植物根系生長(zhǎng)及抗逆中起著重要作用(Baetzetal., 2014, Hawesetal., 2016)。根邊緣細(xì)胞的發(fā)育產(chǎn)生與根生長(zhǎng)有密切關(guān)系，不同植物根邊緣細(xì)胞的數(shù)量和活性存在一定差異。豌豆(Pisumsativum)邊緣細(xì)胞在根長(zhǎng)5 mm時(shí)開始出現(xiàn)，根長(zhǎng)大于25 mm時(shí)達(dá)到最大值約4 000(Hawesetal., 1990; Zhaoetal.， 2000)； 而大麥(Hordeumvulgare)、大豆和花生(Arachishypogaea)等植物的根邊緣細(xì)胞幾乎與根同時(shí)出現(xiàn)，大麥邊緣細(xì)胞在根長(zhǎng)20～25 mm時(shí)達(dá)到最大值約1 400，活性最高可達(dá)95%； 大豆邊緣細(xì)胞在根長(zhǎng)10～15 mm時(shí)達(dá)到最大值約5 300，在根長(zhǎng)15 mm時(shí)活性可高達(dá)94%； 花生邊緣細(xì)胞在根長(zhǎng)15 mm左右時(shí)數(shù)量最大，約10 000個(gè)左右，其活性可維持在90%(Panetal., 2004, 張?jiān)３康龋?2008, 馬伯軍等， 2003, 馬伯軍等， 2005)。本研究中，杉木根邊緣細(xì)胞也是幾乎與根同時(shí)出現(xiàn)，數(shù)量隨根的伸長(zhǎng)逐漸增加，當(dāng)根長(zhǎng)為15 mm時(shí)達(dá)到最大值約7 500； 根邊緣細(xì)胞的活性隨根的伸長(zhǎng)逐漸降低，但可維持在80%以上。這些研究結(jié)果表明，不同植物根邊緣細(xì)胞的數(shù)量和活性存在差異，但其發(fā)育規(guī)律相似。

在植物根邊緣細(xì)胞的發(fā)育和游離至根際環(huán)境的過程中，涉及到細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜動(dòng)態(tài)變化，PME酶是該過程的重要調(diào)控因子(Kumaretal., 2020, Mravec, 2017)。PME酶是一種果膠修飾酶，其活性高低會(huì)直接決定細(xì)胞壁的剛性，與花粉管萌發(fā)、果實(shí)成熟、雄性不育和種子萌發(fā)等重要生物學(xué)過程密切相關(guān)(Xueetal., 2020, Zhangetal., 2018, Tangetal., 2020)。在根邊緣細(xì)胞的發(fā)育和游離至根際的過程中，PME酶也是一個(gè)重要調(diào)控因子(Stephensonetal., 1994)。在多數(shù)植物中，PME酶的活性一般在根長(zhǎng)較短(即邊緣細(xì)胞開始產(chǎn)生)時(shí)較高，隨著根的伸長(zhǎng)(即邊緣細(xì)胞增多)會(huì)逐漸降低(梁劍等， 2011, Panetal., 2004, 張?jiān)３康龋?2008, 馬伯軍等， 2005, 周楠等， 2006)。如麻瘋樹(Jatrophacurcas)的PME酶活性在根長(zhǎng)5 mm時(shí)最高，隨根的伸長(zhǎng)逐漸降低(梁劍等， 2011)。用PME酶的抑制劑EGCG對(duì)豌豆根尖進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)根冠PME酶的活性被抑制后并不會(huì)影響邊緣細(xì)胞的產(chǎn)生，但會(huì)使邊緣細(xì)胞相互黏連而無法游離至根際環(huán)境中，且游離下來的邊緣細(xì)胞長(zhǎng)度變小和彎曲角度變小(Mravecetal., 2017)。而本研究顯示，杉木根冠PME的活性在根長(zhǎng)小于0.5 cm時(shí)最高，隨根的伸長(zhǎng)降低，與邊緣細(xì)胞的產(chǎn)生呈一定相關(guān)性； 而利用EGCG處理杉木根尖后，也出現(xiàn)了邊緣細(xì)胞黏連在根冠處而不能游離到根際環(huán)境的現(xiàn)象。這些研究結(jié)果表明，PME酶可能與邊緣細(xì)胞產(chǎn)生沒有關(guān)系，但與邊緣細(xì)胞游離到根際環(huán)境中有緊密關(guān)系。

在南方酸性土壤中，Al3+是限制植物生長(zhǎng)和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)吸收的主要脅迫因子之一(Magalhaesetal., 2018)。作為植物根際的屏障，根邊緣細(xì)胞及其分泌的黏液層被認(rèn)為在植物拮抗鋁脅迫中發(fā)揮重要作用。如發(fā)現(xiàn)200 μmol·L-1Al3+處理可明顯抑制黃瓜(Cucumissativa)根伸長(zhǎng)，且高濃度(100～200 μmol·L-1)的Al3+會(huì)使邊緣細(xì)胞的黏液層明顯增厚(喬永旭， 2016)。對(duì)大豆研究發(fā)現(xiàn)，400 μmol·L-1Al3+也會(huì)明顯抑制根伸長(zhǎng)，且隨Al3+濃度增加和處理時(shí)間延長(zhǎng)，邊緣細(xì)胞分泌的黏液顯著增加； 如將黏液層(包括邊緣細(xì)胞)去除后，Al3+對(duì)大豆根生長(zhǎng)的抑制作用會(huì)更明顯(Caietal., 2013)。本研究中，杉木幼苗根的伸長(zhǎng)也受到Al3+抑制，且這種抑制作用在去除邊緣細(xì)胞后更明顯； 同時(shí)Al3+也會(huì)誘導(dǎo)杉木根邊緣細(xì)胞分泌更多黏液。類似的，在菜豆(Phaseolusvulgaris)中也存在Al3+抑制根伸長(zhǎng)和誘導(dǎo)邊緣細(xì)胞分泌更多黏液的現(xiàn)象(Miyasakaetal., 2001)。而且在大豆中，相比鋁敏感品種，耐鋁的品種能通過根邊緣細(xì)胞分泌的黏液固定更多Al3+，從而減緩Al3+對(duì)根尖毒害(Caietal., 2013)。本研究結(jié)果也顯示杉木擦除根邊緣細(xì)胞及黏液層后會(huì)有更多Al3+積累在根尖，Al3+對(duì)根的毒害也更明顯。根邊緣細(xì)胞及其黏液層具有固定Al3+的功能，邊緣細(xì)胞會(huì)對(duì)Al3+作出響應(yīng)，分泌更多黏液，從而起到減輕鋁毒害或保護(hù)植物根尖免受鋁毒害的作用。

4 結(jié)論

杉木幼苗在根生長(zhǎng)過程中，會(huì)在根尖處產(chǎn)生大量邊緣細(xì)胞，其數(shù)量最多可達(dá)7 497個(gè)，活性最高可達(dá)95%； 且這些邊緣細(xì)胞游離至根際環(huán)境的過程可能主要受到PME酶調(diào)控。在一定濃度的鋁離子脅迫下，杉木根邊緣細(xì)胞會(huì)分泌更多黏液，形成更厚黏液層，從而起到減輕鋁毒害或保護(hù)根尖免受鋁毒害的作用。