（植物营养学专业论文）不同硼水平豌豆根边缘细胞对铝毒的反应.pdf

论文独创性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川农业大学 或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签秘 少靠彳撕 关于论文使用授权的声明 本人完全了解四川农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意四川农业大学可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名 搋 导师签名：三嬲 妊 珈柚 矶 一 辩堆辜盘点学硅士考攮论文第i 菱共4 7 更 摘要 根边缘细胞( r o o tb o r d e rc e l l s ) 是从根冠游离并聚集在根尖周围的一群特殊细胞，这群细胞 在保护根尖免受不利环境冈素的胁迫起重要作用，国内外研究表明铝毒对植物影响最快的地方是 根尖，而根边缘细胞在根尖产生并聚集根尖周围。因此推测根边缘细胞在铝毒中起重要作用。硼 可以减轻铝毒已经被最近的研究证实，但是具体作用机理不清楚，而细胞骨架一细胞膜细胞外基 质连续体被认为是缺硼和铝毒作用的主要位点，因此研究根边缘细胞对不同水平硼铝的反应可以 更直接阐明缺硼和铝毒机理及硼减轻铝毒程度和作用机理。 通过自行设计的根边缘细胞培养装置代替培养基培养，研究不同浓度硼铝对豌豆根及根边缘 细胞生长的影响，硼对细胞吸收铝离子的抑制作用，揭示硼减轻铝毒z 的边缘细胞学机理：硼能 够稳定根边缘细胞数量和提高细胞存活率：硼促进钙与细胞壁的牢固结合，减少细胞壁离子的外 渗，抑制铝交换钙，保持细胞壁的稳定性；硼可减少边缘细胞对铝的吸收。具体研究成果分述如 下： 1 建立和完善了一整套适用于边缘细胞的研究方法，实现了方法学上的突破，设计制作了 根边缘细胞简易超声波自动喷雾培养箱，该设计已经获得了国家专利( 专利号： z l 2 0 0 4 2 0 0 4 2 - 5 4 5 2 ) ，通过用嚷雾培养代替原有的培养皿培养，在培养过程中可向喷雾培养液加 入不同浓度硼及铝进行处理，提高实验的可行性和实验结果的可靠性。 2 通过不同硼浓度浸种后测定根长及边缘细胞数量和活性，已经摸索出最佳硼浸种浓度 ( 0 1 m m o l l ) 。证实硼可以提高边缘细胞存活率，而铝则抑制边缘细胞的产生，降低边缘细胞的 存活率，而加入硼后可减轻这种作用。同时对根长及细胞数的研究表明铝对边缘细胞的抑制作用 大于根尖。 3 通过不同铝浓度处理根边缘细胞，边缘细胞的存活率和数量随着时间的延氏明显下降，且 铝浓度越高，细胞数量越少，但是在6h 后高浓度铝( 2 5 0 、5 0 0 um o l l ) 边缘细胞存活率显著高 于对照( oum o l l ) ；粘胶层相对面积随处理时间延跃和铝浓度升高而逐渐增加，铝浓度5 0 0 和2 5 0 um o l l 时粘胶层相对面积增加尤为明显。表明铝毒对根边缘细胞具有致死效应，这种致死效应在 一定浓度范围符台剂量依数性关系，而高浓度时边缘细胞存活率反而升高，这与根边缘细胞对铝毒 作出的适应性响应一粘胶层的增厚和细胞降解增强有关。 4 通过不同硼铝浓度处理豌豆根边缘细胞活性和数量的变化，证实加入外源硼( 不同硼水平 1 - 吨意盎土学顾士学位论文 第2 页共4 7 页 溶液浸种获得的边缘细胞) 可以有效提高铝毒时根边缘细胞的活性( 0 1 、0 5 m m o l l ) 和根边缘细 胞数量( 0 1 m m o l l ) ；而细胞硼( 不同硼水平土壤收获的种子获得的边缘细胞) ( 0 2 5m g k g ) 同样可以在豌豆遭受铝毒时提高根边缘细胞活性和稳定细胞数量，表明硼可以通过促进细胞活性 和稳定数量来抵抗铝毒。 5 通过不同硼铝浓度处理豌豆根边缘细胞，随着铝浓度的上升，交换下来的钙含量显著增加， 此时向溶液中, 自n k 适最删上清液钙含量有下降趋势，表明加硼可减弱铝钙交换：而细胞中离2 ( m g 、m n ) 的外渗量均有随着硼浓度的增加而减少的趋势，k 离子在铝浓度超过1 0 0um o l l 时， 也有同样的趋势，表明硼可以维持细胞稳定性。 关键词；豌豆( p i s u ms a t i v u m ) ；根边缘细胞；雾培；硼；铝毒；粘胶层 2 ：茎兰兰查! 墨主妻璺竺兰量! 茎茎! ! 墨 i n d u c e dr e s p o n s e so fr o o tb o r d e rc e l lo fp e at oa l u m i n u m t o x i c i t ya td i f f e r e n tb o r o nl e v e l s a b a s t m c t ：r o o tb o r d e rc e l l sa r er e c e n t l yd e f i n e da l i v ep o p u l a t i o ns l o u g h e df r o mr o o tt i p sa n dl o o s e l 7 a d h e r e di nt h ew a t e rs o l u b l em u c i l a g e ，a n dt h er o o tt i pi sj u s tt h et a 曙越o fa lt o x i c i t y , t h u si tw b s g u e s s e dt h a tb o r d e rc e l l sm i g h tf u n c t i o nc r u c i a l l yi nt h er e s p o n s et o a it o x i c i t y s n c t u r es t a b i l i t yo f c e l lw a l ls e e m sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n ta b o u tk e e p i n gc e l lv i g o ra n df u n c t i o n b o r o ni sr e g a r d e da st h e i m p o r t a n tc o m p o n e n to f c e l lw a l l ，a n da ii sr e g a r d e da sh a v i n gs t r o n gc a t i o ne x c h a n g ec a p a c i t y , t h et w o e l e m e n ta r ei m p o r t a n tt oc e l lw a l l i th a sb e e np r o v e dt h a tbc o u l da l l e v i a t ea 1t o x i c i t y , b u tt h e m e c h a n i s mi sn o tc l e a r a l u m i n u mt o x i c i t yi n d u c e dr o o tb o r d e rc e l lr e s p o n s e so fp e aa td i f f e r e n tb l e v e l sw a ss t u d i e dt o p r o b em e c h a n i s mo f ba l l e v i a t e a it o x i c i t y f o gc u l t u r ed e s i g n e d a n d m a d e b yo u r s e l f w a sa d o p t e d i n t h e d e v e l o p i n g o f r o o t b o r d e r c e l l s i n s t e a d o fp e t r id i s ht os t u d ye f f e c to fs e e dba n ds o l u t i o nbo na l l e v i a t i n ga 1t o x i c i t ya td i f f e r e n tba n da 1 l e v e l sv i aa d d i n gba n da ii nt h es o a k i n gw a t e ra n df o gd u r i n gt h ec u l t u r ep r o c e s s t h er e s u l t sa r e ：b p r e v e n t st h ed r o po fb o r d e rc e l lv i a b i l i t ya n dt h ec e l ln u m b e rc a u s e db ya it r e a t m e n t ，d e c r e a s e st h e a b s o r bo f a lb yb o r d e rc e l l sa n dp r o h i b i t st h ee x c h a n g eo f c e l lc ab ya i ，t h u sa l l e a v i a t e st h ea it o x i c i t y o f b o r d e rc e l l s s o m eo t h e rc e l lw a l lc h a r a c t e r i s t i c sa r ea l s op r o m i s i n gt ob ei m p o r t a n tf a c t o r si nba n d a ir e l a t i o n s h i p 1 f o gc u l t u r ew a sd e v e l o p e df o rb o r d e rc e l lr e s e a r c h i tc o n s p i c o u s l yi n c r e a s e d t h ef e a s i b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo f t h ee x p e r i m e n t o n en a t i o n a lp a t e n t ( n o 2 0 0 4 2 0 0 4 3 5 4 5 2 ) o nf o gc u l t u r ed e v i c ew a s o b t a i n e d 2 o p t i m a lbl e v e li ns e e ds o a k i n gw a sf o u n d ( 0 i m m o f l ) a n di tw a sp r o v e dt h a tbc o u l dp r e v e n t t h ed r o po fb o r d e rc e l lv i a b i l i t yi n d u c e db ya 1 i ta l s of o u n dt h a ta it o x i c i t yt ob o r d e rc e l l si sg r e a t e r t h a nr o o tt i p 3 c e l lv i a b i l i t yr e d u c e db yt h ei n c r e a s ea ic o n c e n t r a t i o nf r o m0t o1 0 0l am o l lw i t ht i m ec o u r s e ，t h e s a r f l ea st h ec e l ln u m b e r , b u tt h ec e l lv i a b i l i t y ( 2 5 0 、5 0 0ut o o l l ) i sh i g h e rt h a nc o n t r a s t ( oum o v l ) s i g n i f i c a n t t h er e l a t i v ea r e ao f m u c i l a g ee x t e n d e db yt h ei n c r e a s eo f a lc o n c e n t r a t i o na n dt i m ec o u r s e 霄川丧业土学硕士学位论文 第4 页共4 7 页 a n di tw a so b v i o u s l yh i g h e ra t5 0 0a n d2 5 0l am o l l ，w h i c hs h o w e dt h a ta 1c a u s e dc e l ld e a t ha td o s a g e d e p e n d e n tm a l n l e ra tl o w e ra 1c o n c e n t r a t i o nb a tn o ta th i g h e rc o n c e n t r a t i o nw h i c hm i g h tr e l a t et ot h e r e s p o n s eo f b o r d e r c e l l s t o a i t o x i c i 订_ t b e t h i c k e n i n go f m u c i l a g ea n d t h e d e c o m p o s i n go f b o r d e r c e l l s 4 e x t o m a ib ( s e e ds o a k i n gb y0 1a n d0 5 m m o l lb ) ) a n de n d o g e n o u sb ( s e e d so b t a i n e db yp l a n t i n g p e ai ns o i lw i t hbo f 0 2 5m g k g ) i m p r o v e dc e l lv i a b i l i t ye f f e c t i v e l yw h e ne x p o s e dt oa 1t o x i c i t y ，w h i c h i n d i c a t e dt h a tbc o u l da i l e v i a t ea it o x i c i t yt h r o u g hp r o m o t i n gc e l lv i b i l i t y 5 c e l lc ar e l e a s ef r o mb o r d e rc e l l si n c r e a s e d 训t ht h ei n c r e a s ea lc o n c e n t r a t i o nf r o m0t o5 0 0u m o l ls i g n i f i c a n t ，a n dc e l lc ar e l e a s ew a si n h i b i t e db y b o r o n r e l e a s eo fm g m na n dk ) w a sa l s o d e c r e a s e db yb t h u si n d i c a t e dt h a tb o r o nc a nm a i n t a i nc e l ls t a b i l i t y k e yw o r d s ：p e a ( e s uns a t i v u m ) ，r o o tb o r d e rc e l l s ，f o gc u l t u r e ，b o r o n ，a l u m i n u mt o x i c i t y , m u c i l a g e 4 甘琏袁毒虫学磺士学馕静文 第5 页共4 7 夏 裁言 1 。1 研究目的与立题意义 铝毒是酸性土壤限制作物生长的主要原因，许多作物对微摩尔浓度的铝就发生毒害反应。目 前世界上超过4 0 农用耕地受到铝毒的危害( k o c h i a n ，1 9 9 5 ) ，特别是热带地区。近几年来，由丁 二 业的迅速发展，环境污染越来越严重。我国的酸雨覆盖率已占国土的3 0 9 6 左右。酸雨降低了土壤 的p h 值，导致有毒性的铝逐渐外渗出来，严重危害农作物的产最和品质，引起了许多学者睁广 泛关注。有报道指出硼可以减轻铝毒( p a w e l ，2 0 0 3 ；b l e v i n sa n dl u k a c v i a t e ，t 9 9 8 ；l e n o b l ee ta 1 ，1 9 9 6 ) ，但是 其具体的作用机理并不是很清楚。 根尖是植物缺硼和铝毒最先受伤害部位，细胞壁被认为是缺硼和铝毒共同作用位点，由此根 尖细胞壁的研究可能是解开硼减轻铝毒之谜的关键。而关于硼减轻铝毒的程度还有争议，需要进 一步的研究证明。而最近的研究发现，在根冠外周，还有一群趋于离开根尖，在酸碱条件下能存 活较长时间的活细胞一根边缘细胞，他们来源于根冠分生组织( f e l d m a n 1 9 8 4 ) ，是一类新近发现的 区别于根冠细胞的有特殊生理活性和生物学意义的活细胞群。这群细胞可能在保护根尖免受不利 环境因素的胁迫起重要作用，细胞壁结构稳定性对保持边缘细胞活力和其所担负的功能显得尤为 重要，而硼作为细胞壁重要组分，铝作为交换能力较强的阳离子，对细胞壁物理化学性质及细胞 特性有重要影响。因此根边缘细胞可能在硼减轻铝毒中扮演重要角色。通过对根边缘细胞硼铝吸 收特性及其数量和活性的研究，可咀揭示硼减轻铝毒的潜在作用机理。 1 2 文献综述 1 2 1 植物铝毒害机制 1 2 1 - 1 铝毒害的形态 在湿热气候条件下，铝硅酸盐强烈脱硅富铝化，在酸性土易形成对植物有毒害的a 1 ”( m o f f a t ， 1 9 9 9 ) ，浓度较高时，铝迅速抑制根系伸长，随后阻碍植物生长中的基本环节一根系分枝的形成发 展( k o e h i a n ，1 9 9 5 ) ，这是酸性士作物产量的主要限制因子。铝在p h 4 时a i 3 + 浓度急剧下降，铝的形态也发生变化，形成羟基铝类，如a i ( o h ) ”和a 1 ( 0 h ) 2 + ； 当p h 5 5 以上时，a 1 3 + 量就微乎其微了。在p h 5 5 的酸性土壤中，粘粒阳离子交换位置上的铝比 例增加，它主要代换其它其它多价阳离子如c a 2 + ，m 9 2 + 等，同时起着磷酸盐强吸附剂的作用( 磷 酸盐崮定) 。目前，通常认为a r + 对植物的毒性最大，在对小麦根实验证实了了这一点。但对不 同的作物却有不同的形式，近年来的研究发现，无机铝单体中以羟基铝离子a i ( o h ) 2 + 和a i ( o h ) 2 + 对大豆等_ 双子叶植物产生毒害的最主要_ 形式，其中又以a 1 ( o h ) 2 + 的毒性最大( 张福锁，1 9 8 3 ) 。 w a g a t s u m a 等人通过对燕麦的研究，也认为羟基铝毒性最大。在铝的水溶液中，随着铝浓度的上 升，尤其是溶液被部分中和时，除形成a i ( h o ) 3 外，还会形成一种毒性较大的铝毒形式a l l 3 ( a 1 0 4 a l l 2 ( o h ) 2 4 ( h 2 0 ) 1 2 ”) ( k i n r a i d ea n d p a r k e r ，1 9 8 9 ) ，但在自然条件下的酸性土壤溶液中， 是否会产生a 1 m 目前仍无报道。 5 辑唾囊虫太葶硬士李枉整文第8 爽共4 7 页 i 2 1 2 铝毒害的作用位点 铝毒害的征兆首先出现在根系，主根和侧根的伸长受到抑制，使根变的短粗。水培试验也汪 明，铝的毒害是酸性土壤上大麦( 1 f e e r n e y ) 根系之所以损伤的原因( f o y ，1 9 6 7 ) 。通常，抑制根 系生长的严重程度是耐铝基因差异的比较适宜的指标。d e l h a i z e 等人( 1 9 9 5 ) 的研究结果表明， 根尖积累的铝及其所产生的物理损伤远远超过根的其他部位。因此，植物根尖是铝诱导根生长抑 制的作用靶。b e m l 等人( 1 9 9 1 ) 根据铝处理前后的玉米根冠细胞的超微结构的变化，认为铝毒由 根冠来感受，并通过信号传递间接抑制根的生长。但r y a n 等人( 1 9 9 3 ) 的实验推翻了这一结论， 因为他们发现a 1 毒对完整的根和去根冠的根的生长抑制是完全相同的。推测在a 1 毒害过程中， 根尖分生组织和伸氏区很可能起了重要作用。最近的研究表明，在玉米敏感品种中，根尖过渡区 的远端( d i s t a lp a r to f t h et r a n s i t i o nz o n e s d t z s ) ，即离根顶端约2 3 是铝毒最初的作用靶， 这一区域的细胞处于快速伸长的前期阶段，在铝胁迫f ，这一区域比其他区域积累更多的铝和b 葡聚糖( s i v a g u m a n d h o i s t ，1 9 9 8 ；s i v a g u r ue ta l ，1 9 9 9 ) 。铝毒的早期反应是细胞骨架的有序组织遭到破 坏和稳定性降低( b i 。c a r l o r ha i ，1 9 9 8 ，s i v a g u me ta i , 1 9 9 9 ：s e h w a r z a r o v a e ta 1 , 2 0 0 2 ) 。因此细胞骨架一细胞膜一细胞外 基质连续体被认为是铝毒的主要饨点( h o r s t 吐a t ，1 9 9 9 ；s e b w z e r o v ae t “，2 0 0 2 ) 。 12 1 3 铝毒机理和植物抗铝毒机制 因为铝毒害的晟迅速，最明显的症状是在根系，而对茎生长的抑制较晚，是铝对根生长抑制 的结果( b a r c e l 6e ta 1 ，1 9 9 6 ) 。因此大多数研究都集中在根部。主要有几种可能机制：( 1 ) 铝毒对细 胞壁影响；( 2 ) 铝毒诱导细胞死亡；( 3 ) 铝影响细胞营养元素吸收。 ( 1 ) 铝毒对细胞壁的影响 铝在根尖细胞壁上的积累是铝对植物根尖产生铝毒的先决条件，是植物铝毒敏感性的莺要特 征。而细胞壁的产生和裂解、细胞壁化学成分的改变或细胞间位置的改变都与植物的发育密切相 关( s t r a u s s ，1 9 9 8 ) 。所以铝如何结合到细胞壁上，并且是如何在壁上起作用的，已逐渐成研究热点。 种观点认为由于细胞壁带负电荷，外缘阳离子能通过离子交换的形式结合到细胞壁上，细胞壁 阳离子交换能力( c a t i o ne x c h a n g ec a p a c i t y , c e c ) 越强，a i ”结合到壁上越多。毒害就会越大。然 而，不同的研究者得出的结果并不相同( m a t s u m o t o ，2 0 0 0 ；k o c h i m a ，1 9 9 5 ) 。另一种观点认为果胶( p e c t i n ) 是a 1 结合到细胞壁的主要位点。果胶是一种富含半乳糖醛酸( g a l a c t u r o n i ca c i d ，g a ) 的多糖，是 初生细胞壁的主要成分( 约1 3 ) ( w i l l a t se ta l ，2 0 0 1 ) ( 2 ) 铝毒对诱导细胞死亡机理 a 1 毒诱导细胞死亡的机理现正在成为研究的热点，i k e g a a 等人( 1 9 9 8 ) 用a 1 处理烟草悬 浮细胞时发现，在a 1 处理过程中或a 1 处理后无铝恢复培养过程中。细胞生长受到很大抑制，并 伴随大量的细胞死亡。冈此，他们推测铝毒引起的细胞生长抑制很可能通过铝诱导细胞死亡来实 现的。晟近的一些报道表明，铝毒能诱导动植物细胞产生活性氧( r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s r o s ) ， 并激活一些氧化酶的活性( y a m a m o t o c ta l ，2 0 0 2 ；c a k m a ka n dh o r s t , 1 9 9 1 ) 。r i c h a r d 等人( 1 9 9 8 ) 和e z a k i 等人( 2 0 0 0 ) 已经证实了铝毒能诱导拟南芥( d r a b i d o p s # st h a l i a n a ) 产生r o s ，一些氧化胁迫 6 露罐袁嘉走孝硅士学位格文蘩7 更莛4 7 趸 摆关基因已被毙建和鉴定。淫键俸等( 2 0 0 2 ) 用趱浓度铝处理( o ，i - i 0m m o l ) 大麦敏感晶神懿 根尖8 小时后，根尖细胞d n a 出现降解，电泳时出现清晰的d n a 梯状条带( d n al a d d e r s ) ，证蜜 了锅簿诱导的细胞生长不霹逆掷制是起源子细胞死亡( p a n 娃a l ，2 0 0 1 2 0 0 2 ) 。髑样，y a m a g u c h i 簿 ( 1 9 9 9 ) 在烟草悬浮细胞中也艘现铝毒能诱导产主梯状d n a 。因此很可能铝通过诱导植物细胞 产生r o s ，再内r o s 作为信号分子激发细胞程序性死亡( p r o g r a mc e l ld e a t h ，p c d ) i g 信号传导 途衽。并且细胞死亡程序一旦被打开后，是不可逆转的，遮些细胞淀定要死亡。这可较为合理地 解释为什么a l 处理最避行无铝恢复培葬鞑曹仍伴随大量细瞧死亡。假仍需更多的实验证实。 锅对根系薄害效应的生理机制还不鬣很清楚( k o c h i a n 1 9 9 5 ) 。m o r i m u r a ( 1 9 7 8 ) 认为，铝的主 要影响是抑制根尖分生组织的锄胞分裂。根系在镪处理后几小对内细胞分裂就停止，以后虽然又 恢复分裂，憾细胞分裂的速度蘩比未经锻处理的要低。周建华等( 1 9 9 9 ) 认为大麦根在铝毒害下， 根冠和生长点细胞出现液泡化，根冠细腿的淀粉牲数量也随乏减少，出现滚泡化的细腿不再出现 有数分裂。s i v a g u r u 簿( 1 9 9 9 a ) 年盱h o r s t 等( 1 9 9 9 ) 报道锅改变徽静和肌动骚白微迁熊的有序缝 织，对根尖末梢过渡区影响最严重。 ( 3 ) 铝毒对细胞营养物质代谢的影响 在铝的长时间处理中，铝毒常常表现为c a 的缺乏( h u a n g b ta l ，1 9 9 2 ) ，所以有人认为铝毒诱导 根伸氏的抑制可能是通过抑制c a 2 + 的转运来实现的，然而r y a n 等人证实，利用低浓度铝溶液能 抑制小麦根生长，但并不影响对c a 的吸收：而加入其它离子( 如n a 、m g ) 可改善铝处理的根伸 长受抑制，但同时也抑制对c a 的吸收( r y a nc ta 1 ，1 9 9 4 ) 。s i e g e l 和h a u g ( 1 9 8 3 ) 基于h a u g 的实 验结果提出铝生理毒害的一个重要靶位点可能是c a m 。h a u g 利用多种方法检测a r + 对c 枷，并使 用平衡渗透法测量了结合于c a m 的a 1 3 十的含量以及a l ”对磷酸二酯酶( 该酶由c a m 控制) 活性的 影响( s i e g e le t a l ，1 9 8 3 ；s i e g e la n d h a u g ，1 9 8 3 , s i e g e l ，1 9 9 2 ) 。但是另一些结果则对上述假设提出质疑，y o u 和n e l s o n ( 1 9 9 1 ) 重复了s i e g e l 等( 1 9 8 3 ) 的实验，发现，在接近生理p h ( 5 5 ，6 5 ) 条件下a l ” 对c a m 的结构没有影响，而j 【l a r t i n ( 1 9 8 8 ) 重新分析了s i e g e l 的数据，更是直接指出了他们实验 错误的计算了溶液中a l ”的含量，事实上，a 1 ”并不能和c a m 紧密结合。所以，该假设需要进一 步研究。 余国泰等( 1 9 9 8 ) 对小麦的研究发现，铝毒能明显抑制小麦对k 、c a 、m g 的吸收，对s 的吸 收则有促进的趋势，对n 、p 、f e 、z n 的影响不大。然而在1 9 9 5 年，p o s c h e n r i e d e r 等人研究就 表明，至少在短时间内，a 1 并没有抑制玉米根细胞对c a 、m g 、p 等( 除b 外) 的吸收，同时他们 也发现，低p h 即能抑制细胞对营养物质的吸收，又能抑制根的伸长，并且两者呈密切关系 低 p h + a 1 却没有抑制细胞对营养物质的吸收，但加重了对根伸长的抑制，这表明，低酸和铝毒很可 能是通过不同的途径对植物进行毒害的。迄今铝毒对营养元素的吸收影响，已有了大量的结果， 但是好多是自相矛盾，这可能是研究方法或者植物物种的不同而对结果产生不同影响的原因。 1 2 2 硼的生理功能 1 ，2 2 1 硼的作用位点 7 譬罐意毒囊孳蕞垂荸莅语文 第8 炎荚4 7 页 在承溶波中裂主要强秘酸 h ) b 0 3 或b ( o h ) 3 3 形式强在，是一种报弱豹酸，接受。疆丽币 提供。在生理p h 条件( 8 ) 下，主要以未解离的硼酸形式存在于土壤或弊分溶液中，这也是 根慕擤子吸收的形式。硼酸能与顺式二霓醇形成稳定熬单酯秘二醣，形成这种复合体瓣要有相邻 顺式二二元醇构型的多羟基化合物，包括多种糖类及其衍生物( 如糖醇和糖醛酸) ，特别是甘露醇、 甘露聚糖以及多甘露聚糖。 硼是高等植物必需元素( l o o m i sc la 1 ，1 9 9 2 ；b l e v i n sa n dl u k a s y e w s k i ，1 9 9 8 ) 。一系列研究表明硼主 要作用丁i 高等植物细胞擘( b r o w na n dh 1 9 9 7 ；m a t o ha n dk o b a y a s h i 1 9 9 8 ) ，通过与果胶r g i i 交叉谇 接形成有序的稳定的细胞壁( k o b a y a s h ia n d m a t o h ，1 9 9 6 ；o n c i lc ta l ，1 9 9 6 ，2 0 0 1 ) 。r g 一儿具有保守的糖 基顺序( r i d l e ye ta 1 ，2 0 0 1 ) ，主要以二聚体存在于所有高等植物细胞壁，二聚体由硼酸二酯共价结 合而成( i 。h i i n 。1 ，1 9 9 9 ) 。由于r g i i 是共价地插入到高聚半乳糖醛酸链，因此二聚体的形成导致 了交叉连接的果胶网络结构的形成。因为缺硼的最初表现是幼根根尖细胞壁结构变异，果胶网络 结构的形成对细胞壁物理和生物化学性质很重要( f l e i s c h e re ta 1 1 9 9 9 ) 。除去硼后，高等植物早期反 应包括细胞壁弹性系数e 的迅速短暂下降及同时伴随导水力短暂升高( f i n d e k l e ea n dg o l d b a c h ，1 9 9 6 ； f i n d c k l e ee ta l ，1 9 9 7 ) 。有意思的是，细胞壁r g - i i b 大部分位于靠近质膜处，表明果胶r g i i 与b 的交叉连接，可能位于质膜与细胞蹙交界处( m a t o he ta 1 ，1 9 9 8 ) 。细胞骨架一细胞膜一细胞外基质连续 体可能也是缺硼的主要位点( g o l d b a e he ta l ，2 0 0 1 ) 。 1 2 2 2 硼对细胞壁结构和物理性质的影响 s k o k 曾假设，硼并不参与植物体内的新陈代谢。而于结构单元的形成或框架的建立有关，只 有获得足够的硼以形成细胞壁结构时，才能进行生长。现有的研究似乎证实了这个观点。研究表 明，细胞内有6 0 一9 8 的硼和细胞壁结合在一起( f l ua n db r o w , 1 9 9 4 ；d u r s ta n dl o o m , 1 9 8 4 ； y a m a n o u c h i ，1 9 7 1 ) 。且细胞内硼的分配强烈依赖硼的丰缺，缺硼时细胞壁中的硼占细胞全硼量从6 4 上升到9 7 ：缺硼可使原生质中的硼浓度下降到接近于零，而细胞壁中的硼下降到一定程度就不 再下降( h ua n db r o w , 1 9 9 4 ) 1 - 2 2 3 硼与细胞壁多糖和酶关系研究 缺硼导致细胞壁增厚，从而细胞延伸生长受抑：细胞壁增厚与中层紊乱度相关，这是由于缺 硼新形成的果胶不能结合到细胞壁所致( 见杨玉华等综述，1 9 9 9 ) 。y a ma u c h i ( 1 9 8 6 ) 证实，硼钙均 和细胞壁中的果胶结合，对稳定中层有重要作用，从而说明硼、钙共同稳定了细胞壁结构。缪颖 等( 2 0 0 0 ) 也报道，缺钙处理大白菜以人为诱导干烧心，在缺钙初期( 前1 5d ) ，细胞壁结构基本 完整，第1 8d ，细胞壁中胶层开始解体，细胞间隙变大，第2 1d ，细胞壁破坏，中胶层消失。 这说明钙在稳定细胞壁结构中的作用。缺硼后细胞壁的机械强度、可塑性和伸展能力都降低。细 胞壁硬化，组织特别脆，易折断。无强性的细胞壁不能承受正常的细胞延伸生长，因而导致细胞 伸长的迅速抑制( 缪颖等，2 0 0 0 ) 。除了对壁结构的影响，缺素也对细胞壁活性蛋白即酶尤其是细胞 壁p o d 活性产生影响。以缺硼为例，由丁二油菜根系细胞壁i a a 氧化酶和p o d 活性显著升高，导致 细胞壁内i 从含量下降，降低了生长速率。另一方面p o d 主要功能是催化壁中多聚体聚合。其活 8 - 川囊_ i 上学嘎士学位论文 第9 页共4 7 页 性升高，细胞生长受到抑制( 杨玉华等，1 9 9 6 ) 。 1 23 根边缘细胞及其对铝毒的响应 1 2 3 1 根边缘细胞 根边缘细胞是从根冠表皮游离出来并聚集在根尖周围的一群特殊细胞，以前曾称为根冠脱落 细胞( s l o u g h e dr o o tc a pc e l i s ) 。早在1 9 1 9 年，k n u d s o n 已经指出植物根冠脱落细胞是有活性 的，但束引起人们的注意。直到最近几年，越来越多的证据表明，绝大多数物种的根冠脱落细胞 是有活性的( 9 0 以上的细胞有活性) ，其发育是受遗传调控，并在逆境中起着多种生物学功舻 h a w e s 等( 2 0 0 0 ，1 9 9 0 ) 将这类细胞称之为根边缘细胞( r o o tb o r d e rc e l l s ) ，以强调这类细胞是 位于根表面与土壤之间、有生物活性的生物边界层( b i o t i cb o u n d a r yl a y e r ) 。边缘细胞是由根 冠细胞发育而来( 喻敏等，2 0 0 4 ) ，根冠细胞最初起源于根冠分主组织( r o o t - - c a pm e r i s t e m ) 的有 丝分裂，经过一系列的不同发育时期，包括淀粉合成时期、重力感受时期、粘液分泌时期等，最 后从根冠表皮游离出边缘细胞。边缘细胞的游离是根冠细胞发育的最后时期。一旦边缘细胞游离 后，其代谢活性上升，所合成的蛋白有2 5 在lh 内分泌到胞外，m r n a 差异显示实验表明其基 因表达模式己明显不同于根冠细胞( b r i g h a r e la l ，1 9 9 5 ) 。 1 2 3 2 根边缘细胞对铝毒的响应 撮透缘缁蕤自l 在包括蒸馏拳在内豹缀大渗透势莛醒内存溪较长薅阉瓣不发生艇体戒胃冕戆 细胞伤害( b r i 壮me t “，1 9 9 5 ) 。边缘细胞从根黼产生后，即发挥多方面的驹熊如影响根际微生态系 统，抑制病源蔚的侵入，减少根系机械阻力，保护根尖等( h a w e s ，1 9 9 0 ；h a w e sa n db r i g h a m ，1 9 9 2 ；h a w e s e ta l 。1 9 9 8 ：h a w e se ta 1 , 2 0 0 0 ) 。搬迭缘细胞不仪可阻止正在突进静根尖受至l 械城摄揍，两且霹以充当 根尖吸收锅的保护屏障，在锅浓度增至2 0 0 埘对，由边缘绷艟分泌豹糨簸层厚度增热，减少铝 对根系的毒密作用( b r i g h a me ta 1 ，2 0 0 1 ) 。在土壤中，对边缘细胞了解的不多，但可以肯定的 是，在一定条件下，这些离体细胞能够减少因根伸长而造成的机械摩擦( b e n g o u g ha n dm c k e n z i e 。 1 9 9 7 ) 。 胞外分泌物最初的研究悬从藻类、细菌和真菌开始的，b e l l 等( 1 9 7 2 ) 年指出，藻类细胞生 长过程中并；断向周围外渗许多代谢产物，使藻类细胞周围形成一种独特的可称为藻际 ( p h y c o s p h e r e ) 瓣徽耳境。遴过微环境与髑圈环境起终用。蔼撮透缘缨熬扶辗尖分离嚣+ 弼样蠢 外面分泌一系捌纯学物质，镪被在边缘细胞的9 侧，形成个独立的区域，有人也把这赡分泌物 称为边缘细胞的粘胶层，主嬲是糖类、小分子蛋白、氨基酸、花色素苷、酚类及类黄酮抗生素、 过氧他物酶、半乳糖营酶以及边缘细胞游离过程中产生的一些细胞壁降解物所组成 a l e l a 溶液展超纯承共堵莽1 、2 、4 、s 、8 、 2 , l h 后用墨汁( i n d i ai n k ) 染色检测粘胶层相对谶积，重复4 敬，每个重复测定l o 个细胞。 3 3 检测方法 3 1 3 1 边缘细胞数擅和存活率的溉定 蠹瓣蓝担染法投激细胞活性方法：斑1 0 0 vl 缝臆毂集液。船a3 0 # t 0 ，s 爵螃蓥染色剂， 染色1 分钟岳罐淡吸取5hl 在裁被片上涂片，每管涂三片( 幂捌硼水平豌豆种乎每管涂驷片) ， 境捻( 1 0 - 4 0 倍) 。数密嚣维照( 来漆邑) 戴建缓施( 染色) 鹩数蹉及慧静缨整数匿。( f i g u r e 3 1 ) 。 竹川袁重土学磺毋学位话文 第1 8 燹共4 7 页 d e a db o r d e re e l 弧 n i i r eb o r d e rc e l l s 图3 1 台盼蓝染色的存活和死亡边缘细胞 f i g 3 1a l i v ea n dd e a db o r d e rc e l l ss t a i n e db yt r y p a nb l u e 3 1 3 2 元素测定 细胞样品加入2 m l 优级纯硝酸和l m l 优级纯高氯酸，进行湿消化，用等离子光谱法( i c p 法) 测定铝等含量，反应液直接用等离子光谱法( i c p 法) 测定铝、钙、钾、锰的含鼍。 3 1 3 3 粘胶层相对面积的测定 取反应完毕细胞培养液，每1 0 0 儿加入3 0 儿稀释1 0 倍墨汁( i n d i a i n k ) ，从中吸取5 儿 均匀平铺在玻片上，在4 0 0 x ，用显微测微法分别测量含粘胶层边缘细胞及边缘细胞 面积。边缘细胞粘胶层相对面积= ( 含粘胶层边缘细胞面积一边缘细胞面积) 边缘细胞面积 3 1 4 数据处理 文中结果为三次独立实验的平均值，采用e x c e l2 0 0 0 和s p s s1 2 0 进行数据处理和统计分 析。 3 2 结果与分析 32 1 硼对豌豆根长、根边缘细胞活性和数量的影响 丐 j 苗 岳 一 若 昌 “ bc o n c e n t r a t i o i l ( u m ) 图3 2 硼对豌豆根长的影响 f i g 3 - 2e f f e c to fbo nt h er o o tl e n g t ho fp e n f n o t e ：t h ed i f f e r e n tl o w e r c a s el e h e ni n d i c a t es i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s _ t 0 0 5 l e v e l t h es a m e i n t h e f o l l o w i n g f i g u r e s j 在浸种过程中，豌豆种子在溶 液中吸收了营养元素硼，并对其根 系生长产生影响。由图3 2 可看出， 肋1 、b 0 5 、b 1 与b 2 5 的根长差异 显著：b o 1 、b o 5 、b 1 各自间的差 异不显著；b 0 和b 2 5 间差异不显著。 可知在适宜的硼浓度( 0 卜1m g k g b ) 范围内，硼浸种处理可促进豌豆 根系的伸长；超出这个浓度范围， 则会出现缺硼或毒害现象，抑制豌 豆根系的生长。 由图3 - 3 可知，在根长为1 5 c m 时，不同硼浓度的豌豆边缘细胞数量都在3 0 0 0 个以下，在 1 8 甘吨囊生袁学磺士学幢论文第1 0 疆共4 7 页 根长为2 0 和2 ，5 0 m 时，边缘细腻数量大幅度增加，达到7 0 0 0 - 1 0 0 0 0 个，与1 5 c m 时比较育大 幅度的增加。这说明边缘细胞的出现与根系生长密切相关，当根长为2 0 - 2 5 c m 时，豌豆边缘 霾 1 5 c m2 5 c m r o o t1 e n g t h 【c m ) 口b0 臼b0 1 曰b05 口b 1 b2 5 根 图3 - 3 边缘细胞数量的影响 f i 窖3 - 3e f f e c to f bo rt h er o o tl e n g t ha n db o r d e rc e l lp r o d u c t i o no f p e a 细胞数目达到最大值。但是，在根长为1 5 c m 和2 o c m 时，不同硼浓度间，边缘细胞数量差异不 显著。根长为2 5 c m 时，b 0 和b o 1 间的边缘细胞数量差异不显著 b