小麥根皮層通氣組織建成過程中細胞壁降解和相關酶類定位研究.pdf

1、通氣組織是植物為適應外界不利環(huán)境而形成的重要結(jié)構(gòu)，其形成源于細胞壁的降解和皮層細胞的選擇性自溶。目前，關于淹水誘導小麥幼根通氣組織形成過程中細胞壁降解的相關報道較少。本研究旨在顯微水平上系統(tǒng)觀察通氣組織形成特征和Ca2+的動態(tài)變化，超微結(jié)構(gòu)水平上連續(xù)觀察皮層細胞壁降解過程，同時通過超微細胞化學定位研究纖維素酶和果膠酶活性變化以及細胞壁上多糖分布的變化，并且檢測細胞壁修飾相關基因，如內(nèi)切木葡聚糖轉(zhuǎn)移酶基因(XET)、內(nèi)切葡聚糖酶基因（CE

2、L）的差異性表達，分析它們在細胞壁降解和通氣組織形成過程中的作用。主要結(jié)果如下:
　　1.通氣組織形成過程觀察表明:淹水誘導小麥幼根通氣組織形成，且通氣組織形成過程中伴隨有皮層中部細胞徑向伸長。徑向伸長的細胞主要是位于皮層3rd、4th和5th層細胞，其中淹水誘導12h時，4th層細胞伸長幅度最大。超微結(jié)構(gòu)觀察還發(fā)現(xiàn)淹水12h，皮層中部發(fā)生徑向伸長的細胞會發(fā)生質(zhì)壁分離，有雙層膜包裹的降解小體出現(xiàn)，液泡降解，出現(xiàn)明顯的DNALadd

3、ering，染色質(zhì)皺縮和核邊緣化等癥狀。上述特征說明皮層中部細胞在發(fā)生徑向伸長的同時可能伴隨細胞程序性死亡(PCD)發(fā)生。
　　2.細胞壁變化結(jié)果表明:淹水誘導6～12h，皮層細胞間隙擴大，相鄰皮層細胞發(fā)生裂生分離，但細胞壁厚度未變化。此過程中，皮層細胞壁已經(jīng)發(fā)生變形，細胞壁局部透明且開始出現(xiàn)斷裂位點。淹水誘導24h，選擇性降解的細胞壁整個節(jié)段透明化，此時細胞壁已經(jīng)明顯變薄。淹水誘導48h，皮層中部細胞壁降解，使得兩個相鄰細胞發(fā)生

4、融合，而不發(fā)生降解的徑向細胞壁疊合，形成通氣組織支架，通氣組織基本形成。
　　3.超微細胞化學定位結(jié)果顯示:淹水誘導6h，細胞壁降解相關酶，如纖維素酶和果膠酶等在皮層細胞壁上迅速累積，且有較高的酶活性。淹水誘導12h，皮層細胞壁酶活達到最強，酶活性在壁上分布不均勻，導致細胞壁上形成不均勻的降解位點，這可能是導致細胞壁選擇性降解的原因之一。淹水誘導24h，細胞壁上纖維素酶和果膠酶含量又明顯減少，在細胞內(nèi)檢測到酶沉淀顆粒。淹水誘導48

5、h，細胞壁上檢測不到纖維素酶和果膠酶活性，但在細胞內(nèi)降解殘留物上有明顯酶沉淀顆粒存在。對細胞壁多糖組分的超微定位結(jié)果顯示，淹水誘導6h，細胞壁上檢測到許多多糖結(jié)合物且分布相對均勻。隨著淹水時間延長，到淹水誘導12h，多糖量仍很多且分布不均勻，但細胞壁整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯的變化;進一步到淹水24～48h，細胞壁上多糖量明顯降低，使得細胞壁明顯變薄，細胞壁降解。
　　4.基因表達分析表明:淹水誘導下，細胞壁修飾相關基因XET、CEL表達

6、水平整體呈現(xiàn)上調(diào)表達，其中12h表達量達到最高，48h表達量又趨于正常。同時發(fā)現(xiàn)，淹水處理時細胞壁修飾相關基因(XET和CEL)的表達和細胞壁修飾相關酶的變化具有一定的同步性，說明XET和CEL可能參與細胞壁降解和小麥根細胞通氣組織的形成。
　　5.Ca2+熒光定位結(jié)果顯示:正常根皮層細胞壁上Ca2+濃度較低。淹水處理4h，Ca2+在中柱、內(nèi)皮層和表皮上迅速積累;隨著淹水時間延長(8～12h)進一步在外皮層上積累，再逐步擴散到幾乎

7、整個皮層中部細胞區(qū)域。到淹水后期(24h)，細胞開始降解，通氣組織開始形成，Ca2+熒光累積逐漸減少，僅在氣腔周圍的一些細胞和作為通氣組織支架的細胞壁中檢測到。
　　結(jié)果表明，淹水脅迫下小麥根通氣組織形成伴隨有皮層細胞徑向伸長特征。細胞壁降解的相關事件，如纖維素酶和果膠酶活化，細胞壁修飾相關基因(XET、CEL)表達在淹水處理早期(6h)就已經(jīng)發(fā)生，但細胞壁降解在淹水處理后期(24h)才開始;纖維素酶和果膠酶在降解細胞壁上的不均勻