細胞壁在植物耐鋁和鋁毒害機制中的作用.pdf

1、鋁毒是酸性土壤上限制作物產量的關鍵因子之一。雖然有機酸分泌是公認的鋁排斥機制，但越來越多的證據(jù)表明細胞壁在植物耐鋁性上起重要作用。鋁毒害的最初反應是抑制植物根系伸長，但其作用機制還不明確。本文首先研究了細胞壁在蕎麥抗鋁毒上的作用；在研究有機酸與細胞壁相互作用的基礎上，提出了有機酸解鋁毒的新的作用機制；為了進一步明確鋁抑制根系伸長機理，利用果膠單克隆抗體，研究了鋁處理對玉米根尖果膠分布和細胞壁屬性的影響；最后還利用擬南芥根尖細胞特異報告基

2、因，研究了鋁處理對根尖不同組織細胞的影響。得到以下主要結果：
　　 1.細胞壁在蕎麥耐鋁性上的作用
　　 通過對4種耐鋁性不同的蕎麥品種的研究發(fā)現(xiàn)，其耐鋁性的差異是與外部排斥機理相關，但機酸分泌不能完全解釋這一差異。進一步研究發(fā)現(xiàn)在無鋁條件下，耐性品種根尖果膠含量低于敏感品種，而鋁處理提高所有品種的果膠含量，且根尖果膠含量與鋁含量呈顯著的線性關系。利用果膠單克隆抗體，發(fā)現(xiàn)耐性品種Jiangxi具有較少的低度甲酯化果膠和較

3、多的高度甲酯化果膠，且耐性品種Jiangxi果膠甲酯酶活性低于敏感品種Shanxi。在水稻中也有類似的現(xiàn)象，說明無論能否進行有機酸分泌，細胞壁果膠甲酯化程度均與耐鋁性有關。細胞壁吸附鋁的動力學研究表明，敏感品種細胞壁能吸附更多的鋁，且鋁與之結合更加緊密。以上結果表明蕎麥幼苗耐鋁性是與根尖細胞壁果膠含量，果膠甲酯酶活性、果膠甲酯化程度及細胞壁對鋁的吸附能力有關。
　　 2.有機酸分泌能保護細胞壁與鋁結合位點
　　 鋁誘導植

4、物根尖有機酸分泌被認為是最重要的耐鋁機制之一。一般認為，根尖分泌的有機酸通過螯合根際土壤溶液中的鋁而發(fā)揮其耐鋁作用，然而對于根系分泌的有機酸是否足夠清除植物根系周圍介質中的鋁還存在爭議。小麥、決明和蕎麥根尖鋁處理后分別分泌蘋果酸、檸檬酸和草酸。本文中，在相對根系伸長抑制率在35％的條件下，小麥、決明和蕎麥的鋁處理濃度分別為10、20和50μM，而此時它們有機酸分泌量分別為15、20和21 nmol cm212 h-1。當加入外源有機酸來

5、減緩鋁毒時，要想達到相同的解毒效果，蘋果酸和草酸的加入量分別是檸檬酸的8倍和2倍。按照此比例計算，蘋果酸：檸檬酸：草酸的比例應為4：1：5，這與實際分泌量有很大的差異。因此，單從有機酸與鋁螯合角度不能解釋其在解鋁毒上的差異，我們認為有機酸還有其他解鋁毒機制存在。用ImM蘋果酸、檸檬酸和草酸預處理細胞壁后，均能顯著降低其對鋁的吸附量，且三種有機酸之間沒有差異。這些結果表明，分泌的有機酸能通過減少細胞壁與鋁的結合位點而起到耐鋁作用。

6、　　 3.果膠半乳聚糖分布紊亂與鋁抑制玉米根系伸長相關
　　 鋁毒害的最初反應是抑制植物根系伸長，然而其作用機制還不明確。本文中我們運用果膠單克隆抗體(JIM5和JIM7)，研究鋁處理對細胞壁果膠多糖的影響。在無鋁條件下，JIM5定位的果膠多糖同聚半乳糖(HG)在整個細胞壁都有分布，但是在胞間隙分布最多。而JIM7定位的HG均勻地分布在整個細胞壁周圍。50 pMAl處理3小時后，玉米根系伸長被抑制了10％，此時只有胞間隙有熒光

7、顯示。當根系伸長抑制率在50％的情況下，這兩種抗體都只在胞間隙有表達，熒光強度變弱，而且不均勻分布。用La處理達到相同的根系伸長抑制率后，果膠抗體的分布也有類似的變化。說明HG的這種分布變化與根系伸長抑制具有很好的相關性。用檸檬酸洗脫根尖吸附的鋁后，果膠抗體的這種分布形式不受影響。因此，我們認為鋁誘導引起的HG分布紊亂是鋁抑制根系伸長的機理之一。
　　 4.鋁對擬南芥根尖特異報告基因表達的影響
　　 根系生長受到抑制是鋁

8、毒的原初響應，但對鋁毒對根尖不同細胞的影響尚沒有報道。本研究中我們利用擬南芥不同根尖細胞和生長素報告基因，以其說明鋁對根尖不同細胞及生長素分布的影響。GAL4-GFP增強子捕獲株系J3411能在根冠柱細胞和側根冠特異表達，鋁處理后發(fā)現(xiàn)其在根冠柱細胞的表達降低，側根冠表達不受影響，說明根冠柱細胞的功能受到損害，這很好地解釋了鋁毒時主根生長明顯受阻，但側根數(shù)量增多的現(xiàn)象。鋁處理對QC25的表達沒有影響，說明靜止中心功能保持正常，根尖細胞仍能