周汐婕,肖云星,謝雨思,馬丹煒
(四川師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,成都 610101)
【研究意義】青藏高原獨(dú)特的“高”“寒”自然環(huán)境,形成了高寒草甸敏感脆弱的生態(tài)系統(tǒng)[1]。受到全球氣候變化、人類干擾以及過度放牧等因素的影響,青藏高原草地逐漸退化,毒雜草擴(kuò)張,嚴(yán)重威脅了青藏高原農(nóng)作物的生長(zhǎng)[2]。青稞(HordeumvulgareL.)因具有適應(yīng)性廣、耐寒、抗逆能力強(qiáng)等特點(diǎn),常被種植在海拔1400~4100 m的地方[3],是青藏高原地區(qū)極為重要的農(nóng)作物[4]。探究青稞面對(duì)毒雜草擴(kuò)張采取的防御響應(yīng)機(jī)制為青藏高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)農(nóng)作物的保產(chǎn)增產(chǎn)提供理論依據(jù)?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】化感作用是指植物通過淋溶、揮發(fā)、殘株分解等途徑向周圍環(huán)境釋放化感物質(zhì),從而對(duì)周圍植物或微生物造成有利或有害影響[5],其中負(fù)面影響被稱為化感脅迫[6]。類似于入侵植物的“新武器假說”,除了爭(zhēng)奪光照、水分、養(yǎng)分等資源競(jìng)爭(zhēng)外,毒雜草例如黃花棘豆(Oxytropisochrocephala)、瑞香狼毒(Stellerachamaejasme)、黃帚橐吾(Ligulariavirgaurea)等會(huì)利用化感作用提高自身的競(jìng)爭(zhēng)力[7]。根邊緣細(xì)胞(Root border cells, RBCs)由根冠分生組織發(fā)育形成,被程序化分離后聚集在根冠周圍,并與其分泌的粘液共同組成根胞外陷阱(Root extracellular traps,BETs)[8]。當(dāng)受到包括化感作用在內(nèi)的外界脅迫時(shí),BETs能吸附、中和土壤中的有毒物質(zhì),調(diào)節(jié)根際環(huán)境,保護(hù)根尖免遭傷害,是植物抵御土壤環(huán)境脅迫的的重要屏障[9]。植物產(chǎn)生的RBCs對(duì)外界刺激十分敏感,其數(shù)量因種類而異,大多數(shù)植物每天都會(huì)產(chǎn)生數(shù)千個(gè)具有特殊基因表達(dá)模式、代謝活躍的RBCs[10]。以往研究更關(guān)注化感物質(zhì)對(duì)受體植物RBCs防御功能以及周圍環(huán)境的干擾作用,而忽略受體植物RBCs對(duì)化感脅迫的防御響應(yīng)[6, 11]。密花香薷(ElsholtziadensaBenth.)是唇形科(Labiatae)香薷屬(Elsholtzia)芳香類的多年生草本植物,含有豐富的揮發(fā)油[12],是青藏高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)常見的優(yōu)勢(shì)毒雜草[13],其水浸提液對(duì)受體植物具有顯著的化感抑制效應(yīng)[14]。在密花香薷不斷擴(kuò)張的同時(shí),其揮發(fā)性化感物質(zhì)必定會(huì)通過土壤吸附、殘株腐解等途徑不斷進(jìn)入土壤作用鄰近植物的根系[15]。而青稞RBCs為了保護(hù)根尖會(huì)作出怎樣的響應(yīng)并未得到解決。【本研究切入點(diǎn)】以密花香薷揮發(fā)油為供體,采用純瓊脂懸空氣培養(yǎng)法,在研究青稞RBCs發(fā)育特性的基礎(chǔ)上,探討青稞RBCs從細(xì)胞活性、粘膠層厚度、胞內(nèi)ROS水平變化以及細(xì)胞死亡類型等方面對(duì)不同濃度密花香薷揮發(fā)油的響應(yīng)。【擬解決的關(guān)鍵問題】探討農(nóng)作物青稞RBCs面對(duì)密花香薷揮發(fā)油化感脅迫的響應(yīng)機(jī)制,為青藏高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)農(nóng)作物的保產(chǎn)增產(chǎn)提供理論依據(jù)。
供體植株密花香薷,2019年7月采于四川省阿壩藏族羌族自治州紅原縣阿西鄉(xiāng)(102°55.944′ E, 33°41.023′ N)的高寒草甸。該地海拔3470 m,屬高原寒溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,常年無夏,無絕對(duì)無霜期[16]。青稞種子購(gòu)于四川省甘孜藏族自治州道孚縣。泛Caspase抑制劑Z-VAD-FMK(20 mmol/L×0.02 mL)和活性氧檢測(cè)試劑盒購(gòu)于上海碧云天生物科技有限公司。
將采集的成熟期密花香薷全株陰干后剪成1~2 cm的小段,采用水蒸氣蒸餾法提取密花香薷揮發(fā)油[17],經(jīng)無水 Na2SO4除水后置于棕色試劑瓶-20 ℃保存。取揮發(fā)油10 μL,用體積分?jǐn)?shù)為25%的二甲基亞砜(DMSO)稀釋至100 μL得到0.1 μL/μL揮發(fā)油處理母液。
1.3.1 材料培養(yǎng) 挑選顆粒飽滿、大小均一的青稞種子,用0.5% KMnO4溶液消毒10 min,蒸餾水清洗6次后置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱浸種12 h,轉(zhuǎn)移至鋪有濕潤(rùn)雙層無菌紗布的瓷盤中繼續(xù)在25 ℃環(huán)境中無光照催芽24 h。待種子露白后,胚根朝外插入裝有0.8%質(zhì)量分?jǐn)?shù)純瓊脂的培養(yǎng)瓶(容積200 mL、直徑9 cm、高8.5 cm)中無光照倒置培養(yǎng)[15]。
1.3.2 RBCs的收集 待青稞根長(zhǎng)達(dá)到5、10、15、20、25、30、35、40、45和50 mm時(shí),分別隨機(jī)剪取5 mm根尖10個(gè),置于裝有100 μL ddH2O的離心管中,漩渦振蕩30 s,吸出細(xì)胞懸液,再用50 μL ddH2O沖洗根尖2次,收集細(xì)胞懸浮液并用微量進(jìn)樣器(規(guī)格1000 μL)吸打3~4次,使成團(tuán)的RBCs分離,制得細(xì)胞懸液[15]。
1.3.3 試驗(yàn)處理 A組:分別吸取揮發(fā)油母液1、2、3、4和5 μL,用DMSO補(bǔ)充至5 μL配置成濃度為0.02、0.04、0.06、0.08 和0.10 μL/μL的處理液(記為T1、T2、T3、T4和T5,T5與揮發(fā)油處理母液的濃度一致)。加入200 μL根長(zhǎng)為40 mm時(shí)制得的細(xì)胞懸液(此時(shí)RBCs數(shù)量達(dá)到峰值,活性較高)并混勻。以5 μL 25%體積分?jǐn)?shù)的 DMSO為溶劑對(duì)照,以5 μL PBS溶液為陰性對(duì)照(記為Control),所有處理均置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)30 min,每個(gè)處理重復(fù)6次。B組:分別將5 μL PBS溶液(Control)、5 μL揮發(fā)油處理母液、5 μL揮發(fā)油處理母液+泛Caspase抑制劑Z-VAD-FMK(終濃度為10 μmol/L)(記為Mixture)加入裝有200 μL細(xì)胞懸液的離心管中,混勻并置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)30 min,每處理重復(fù)6次。處理結(jié)束后,用蒸餾水漂洗 2 次進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。
1.4.1 RBCs原位觀察 隨機(jī)取1個(gè)長(zhǎng)度約為4.0 cm的根尖置于載玻片上,在根尖上滴1滴蒸餾水,將根冠浸入水中數(shù)秒后滴1滴吖啶橙/溴化乙錠(AO/EB)染液,室溫下避光染色3 min,用Nikon ECLIPSE 55i熒光顯微鏡觀察并拍照。
1.4.2 RBCs形態(tài)觀察和數(shù)量測(cè)定 在載玻片上滴1滴細(xì)胞懸液,用0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的番紅溶液染色,再用測(cè)微尺測(cè)定細(xì)胞大小,每個(gè)細(xì)胞長(zhǎng)度和寬度各測(cè)定3次,測(cè)定每種形態(tài)的細(xì)胞各10個(gè)。參考Kubo等[18]的方法,取10 μL細(xì)胞懸液于細(xì)胞計(jì)數(shù)板上,滴加5 μL 1%體積分?jǐn)?shù)的臺(tái)盼藍(lán)染液,均勻混合后室溫避光染色5 min,立即在Nikon ECLIPSE 55i顯微鏡下計(jì)數(shù)觀察并統(tǒng)計(jì)細(xì)胞存活率,染成藍(lán)色的為死細(xì)胞,未著色的為活細(xì)胞。每個(gè)處理重復(fù)8次。計(jì)算細(xì)胞數(shù)量:
細(xì)胞個(gè)數(shù)/mL=N/4×104×稀釋倍數(shù)
式中,N為4個(gè)16格細(xì)胞總數(shù)。
1.4.3 RBCs粘膠層厚度測(cè)定 參考Ropitaux等[19]的方法,取細(xì)胞懸液8 μL,加入8 μL印度墨水均勻混合后染10 min,用Nikon ECLIPSE 55i顯微鏡在明場(chǎng)下40 ×觀察并拍照測(cè)量粘膠層厚度。每處理測(cè)5個(gè)細(xì)胞,每個(gè)細(xì)胞測(cè)6個(gè)不同位置。
1.4.4 RBCs活性測(cè)定 參考Singh等[20]的方法,取細(xì)胞懸液20 μL加入離心管中,滴加8 μL AO/EB混合染液并混勻,染色2 min。LEICA DM300熒光顯微鏡下觀察并拍照。每個(gè)處理重復(fù)5次。橘紅色為死細(xì)胞,綠色為活細(xì)胞。統(tǒng)計(jì)死亡細(xì)胞的數(shù)量和細(xì)胞總數(shù),計(jì)算RBCs存活率:
RBCs存活率=活細(xì)胞數(shù)/總細(xì)胞數(shù)×100%
1.4.5 RBCs內(nèi)ROS含量測(cè)定 按照上海碧云天生物科技有限公司的ROS檢測(cè)試劑盒操作說明,用多功能細(xì)胞分析儀(SpectraMax M2,Molecular Devices,美國(guó))在激發(fā)波長(zhǎng)為488 nm、發(fā)射波長(zhǎng)為525 nm下測(cè)定ROS相對(duì)熒光值[15]。
用 SPSS 20.0對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA) 和Tukey 檢驗(yàn)多重比較(LSD)。數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。
2.1.1 青稞RBCs的形態(tài)特征 青稞RBCs圍繞根尖釋放,形成RBCs群保護(hù)層(圖1-A);青稞的RBCs呈弧形(圖1-B)、橢圓形(圖1-C)和桿形(圖1-D),其中橢圓形細(xì)胞長(zhǎng)30~50 μm,寬16~30 μm;弧形細(xì)胞長(zhǎng)40~90 μm,寬15~30 μm,桿形細(xì)胞長(zhǎng)40~120 μm,寬10~30 μm。
每組處理進(jìn)行8個(gè)重復(fù)。圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。不同小寫字母表示Tukey 檢驗(yàn)多重比較(LSD)下不同處理組之間在 95%水平上差異顯著。下同。
2.1.2 青稞RBCs的數(shù)量特征 從圖2可知,在根長(zhǎng)5~50 mm,隨著根長(zhǎng)增加,青稞RBCs數(shù)量逐漸增加;當(dāng)青稞根長(zhǎng)為40 mm時(shí),RBCs數(shù)量達(dá)到最高,約為1263個(gè),此時(shí)RBCs數(shù)量為根長(zhǎng)5 mm時(shí)的2.37倍。隨著根長(zhǎng)增加,RBCs數(shù)量逐漸下降。不同根長(zhǎng)之間的RBCs存活率無顯著差異(P>0.05),存活率均維持在90%以上。
2.2.1 密花香薷揮發(fā)性油處理下青稞RBCs粘膠層厚度的變化 本研究的溶劑對(duì)照組和陰性對(duì)照組的粘膠層厚度等各種指標(biāo)均無顯著差異(P>0.05),排除溶劑DMSO對(duì)RBCs的影響。與對(duì)照相比,除最低濃度T1(0.02 μL/μL)之外,其余揮發(fā)油處理組均存在顯著差異(P<0.05)。隨著密花香薷揮發(fā)油濃度增大,RBCs粘膠層逐漸增厚(圖3)。在最大處理濃度T5(0.1 μL/μL)下,密花香薷揮發(fā)油處理后的RBCs粘膠層厚度為對(duì)照組的2.64倍。密花香薷揮發(fā)性物質(zhì)對(duì)青稞粘膠層RBCs有增厚效應(yīng)。
2.2.2 密花香薷揮發(fā)油處理下青稞RBCs活性的變化 經(jīng) AO/EB 染色后,與對(duì)照組相比,經(jīng)過密花香薷揮發(fā)油處理的青稞RBCs呈現(xiàn)淺橘紅色熒光,細(xì)胞核呈現(xiàn)橘紅色熒光亮斑,甚至部分細(xì)胞核已經(jīng)裂解(圖4-A),表明RBCs活性喪失,揮發(fā)油誘導(dǎo)了RBCs凋亡。不同揮發(fā)油處理組的細(xì)胞活性均與對(duì)照組呈顯著差異(P<0.05),在最大濃度T5(0.1 μL/μL)處理下,細(xì)胞活性僅為對(duì)照組的40.17%,這說明密花香薷揮發(fā)油處理下,青稞RBCs活性下降且表現(xiàn)出明顯的濃度依賴(圖4-B)。
2.2.3 密花香薷揮發(fā)性物質(zhì)處理下青稞RBCs內(nèi)ROS含量的變化 隨著密花香薷揮發(fā)油濃度增高,青稞RBCs內(nèi)ROS含量呈上升—下降—上升趨勢(shì),均與對(duì)照組呈顯著差異(P<0.05,圖5)。ROS相對(duì)熒光值在T3濃度(0.06 μL/μL)處理下達(dá)到峰值(2.23)。隨著揮發(fā)油濃度增高,細(xì)胞活性不斷減低可以推斷,青稞RBCs在密花香薷揮發(fā)油誘導(dǎo)下發(fā)生了氧化損傷,進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。
A為揮發(fā)油作用下青稞RBCs及其粘膠層顯微圖;B為RBCs粘膠層厚度變化趨勢(shì)圖。圖A中白色箭頭所指的包裹在細(xì)胞周圍的膠狀物質(zhì)為粘膠層。每組處理進(jìn)行5個(gè)重復(fù)。
A為揮發(fā)油作用下的青稞RBCs的熒光顯微圖,綠色代表活細(xì)胞,橙紅色表示細(xì)胞出現(xiàn)死亡特征;B表示RBCs活性的變化。每組處理進(jìn)行5個(gè)重復(fù)。
每組處理進(jìn)行6個(gè)重復(fù)。
當(dāng)揮發(fā)油與泛Caspase抑制劑Z-VAD-FMK共同處理RBCs時(shí),揮發(fā)油對(duì)RBCs的致死效應(yīng)有所緩解(圖6),與未使用Z-VAD-FMK相比,細(xì)胞活性升高17.3%,進(jìn)一步證實(shí)了密花香薷化感作用誘導(dǎo)的青稞RBCs死亡類型為凋亡。
高等植物RBCs的形狀、數(shù)量、活性受到植物種類、根尖分生組織類型等多種因素影響[21]。姜華等[22]發(fā)現(xiàn)綠豆(Vignaradiata)RBCs在發(fā)育初期呈球形,后隨著根伸長(zhǎng)在根的不同位置出現(xiàn)3種不同形態(tài):橢圓形、長(zhǎng)橢圓形和長(zhǎng)條形。亞麻(Linumusitatissimum)釋放的RBCs呈球形、絲狀和細(xì)長(zhǎng)型[23],豌豆(Pisumsativum)的RBCs除部分為圓形外,大多數(shù)適度彎曲呈弧形[24]。本研究中,青稞RBCs的形態(tài)呈圓形、弧形以及桿形。煙草(Nicotianatabacum)每天產(chǎn)生十幾個(gè)RBCs[21],茄科植物約為100個(gè)[25],棉花 (Gossypiumhirsutum)則高達(dá)上萬個(gè)[26]。本研究中,青稞RBCs在根長(zhǎng)5~40 mm,隨著根長(zhǎng)增加,其數(shù)量逐漸增加,當(dāng)根長(zhǎng)為40 mm時(shí),RBCs的數(shù)量達(dá)到最高,約為1263個(gè),之后隨著根長(zhǎng)增加,RBCs數(shù)量逐漸下降,這些差異可能與RBCs發(fā)育相關(guān)的基因特異性表達(dá)有關(guān)[27]。
每組處理進(jìn)行5個(gè)重復(fù)。
目前,有關(guān)化感作用對(duì)受體植物生長(zhǎng)發(fā)育的形態(tài)指標(biāo)觀測(cè)以及生理過程變化的研究大多屬于表觀現(xiàn)象,而一切生命關(guān)鍵問題都要從細(xì)胞中尋找[6]?;凶饔檬菑?fù)雜的自然現(xiàn)象,受體植物對(duì)化感脅迫所表現(xiàn)的敏感性和耐受性也涉及復(fù)雜的反應(yīng)過程[11]。由多細(xì)胞構(gòu)成的高等植物,其生命活動(dòng)受不同細(xì)胞協(xié)調(diào)和制約。因此以單細(xì)胞模式系統(tǒng)作為化感作用的靶標(biāo),更能夠直觀地洞察到化感作用這一自然現(xiàn)象的本質(zhì)[6]。自然條件下,植物揮發(fā)性化感物質(zhì)既可以通過空氣直接作用于受體植物,也可以借雨霧淋溶進(jìn)入土壤作用于鄰近受體植物[28]。雖然土壤能在一定程度上削弱化感物質(zhì)的影響,以土壤為基質(zhì)的試驗(yàn)更能貼近自然狀況,但有研究表明苘麻(Abutilontheophrasti)揮發(fā)油通過空氣、浸水濾紙和土壤3種載體都能在不同程度下抑制小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)和大豆(Glycinemax)種子的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)[29]。同時(shí),植物RBCs代謝旺盛,可在體外保持活力數(shù)月,甚至可以進(jìn)行細(xì)胞分裂。將豆類、谷物和棉花(G.herbaceum)等植物的根尖浸入蒸餾水后,RBCs便可自動(dòng)釋放到水體中,取材方便、經(jīng)濟(jì)且RBCs對(duì)外界刺激十分敏感[10]。因此,RBCs逐漸被作為一種方便的模式系統(tǒng)應(yīng)用到植物逆境脅迫的研究中。本研究中,青稞不同根長(zhǎng)的RBCs存活率仍維持在90%以上,存活率高于水稻(Oryzasativa)、綠豆等其他植物的RBCs[22],適合作為受體繼續(xù)開展植物RBCs化感脅迫的研究。
RBCs及其BETs是根系與土壤之間的一道生物屏障[15]。當(dāng)植物受到化感脅迫時(shí),在早期時(shí)會(huì)激活體內(nèi)防御相關(guān)的反應(yīng),包括對(duì)化感物質(zhì)的直接防御[30]和吸引有益微生物的間接防御[31]。許多植物的RBCs都能直接對(duì)外來的化感脅迫做出差異性響應(yīng)。葡萄(VitisviniferaL.)根產(chǎn)生的自毒物質(zhì)ρ-對(duì)羥基苯甲酸可增加RBCs數(shù)量,促進(jìn)次生代謝物質(zhì)和水楊酸積累,以激活葡萄抗氧化系統(tǒng)來緩解脅迫[32]。在土荊芥(ChenopodiumambrosioidesL.)等3種入侵雜草水浸提液的作用下,苦蕎麥(FagopyrumtataricumL.)RBCs粘膠層厚度增加,細(xì)胞內(nèi)ROS、NO水平升高,線粒體膜電位下降,細(xì)胞活性降低甚至死亡[33]。本研究中,在密花香薷揮發(fā)油脅迫下,青稞RBCs粘膠層隨濃度升高而增厚,細(xì)胞活性持續(xù)降低,細(xì)胞內(nèi)ROS水平顯著升高。當(dāng)植物遭受逆境脅迫時(shí),因線粒體功能失調(diào)而產(chǎn)生過量的ROS,一旦ROS超過細(xì)胞清除ROS的限度,就會(huì)發(fā)生氧化損傷,產(chǎn)生過量的氧化蛋白,細(xì)胞器受損[34]。另一方面,ROS可作為信號(hào)分子啟動(dòng)自噬過程,通過吞噬和降解氧化物和受損細(xì)胞器,緩解由ROS帶來的氧化損傷[35]。除此以外,ROS 還可作為信號(hào)分子刺激、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,再由死亡的細(xì)胞及其周圍粘液吸附化感物質(zhì),并通過BETs阻滯化感物質(zhì)進(jìn)入根尖分生區(qū),抵御其毒害效應(yīng),保護(hù)根系健康生長(zhǎng)[15, 36]。本研究中的青稞在面對(duì)密花香薷揮發(fā)油的脅迫處理時(shí)可能采取了類似的應(yīng)對(duì)策略。
當(dāng)揮發(fā)油與泛Caspase抑制劑共同作用時(shí),由揮發(fā)油引起的細(xì)胞活性降低的現(xiàn)象得以緩解,表明密花香薷化感揮發(fā)物質(zhì)誘導(dǎo)了青稞RBCs的氧化損傷,最終引起RBCs發(fā)生Caspase依賴性的細(xì)胞凋亡。熒光染色的細(xì)胞結(jié)構(gòu)特征也證明了這一論斷。由此可見,青稞RBCs為應(yīng)對(duì)密花香薷揮發(fā)油的脅迫,通過分泌粘液物質(zhì)增厚粘膠層,并釋放ROS以促進(jìn)細(xì)胞凋亡,增強(qiáng)由RBCs及其BETs形成的生物屏障,從而進(jìn)一步阻滯化感物質(zhì)侵入根尖分生區(qū)。除此以外,RBCs還可以通過增加RBCs數(shù)量,降低根細(xì)胞中ROS水平和MDA含量來緩解化感脅迫對(duì)植物的傷害[37]。已有研究表明,水稻[38]、萵苣(Erodiumcicutarium)[39]等植物釋放的具有化感作用的揮發(fā)物絕大多數(shù)是萜類化合物,而密花香薷揮發(fā)油的化感主效成分則需要進(jìn)一步研究確定。
青稞RBCs呈圓形、弧形以及桿形,且數(shù)量大、活性高,適合作為受體繼續(xù)開展植物RBCs化感脅迫研究。隨著揮發(fā)油濃度增加,青稞RBCs粘膠層顯著增厚,細(xì)胞活性逐漸下降,細(xì)胞內(nèi)ROS水平顯著升高,當(dāng)揮發(fā)油和泛Caspase抑制劑Z-VAD-FMK共同作用時(shí),由揮發(fā)油引起的細(xì)胞活性降低現(xiàn)象得以緩解。由此推測(cè),青稞RBCs受到密花香薷揮發(fā)油脅迫后,通過增厚粘膠層抵御外界脅迫侵害,接著產(chǎn)生 ROS誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,從而緩解化感毒性。