淹水诱导小麦根通气组织形成及皮层细胞程序化死亡的研究

论文摘要

湿害是长江流域麦区严重的自然灾害之一。该区每年3月～4月雨季正好是小麦孕穗时期,连续的降雨造成小麦湿害。湿害容易引起小麦根际缺O2,吸收功能减弱,造成小麦生长发育受阻进而引起产量下降。提高小麦耐湿能力成为保证长江流域麦区小麦稳产和高产的关键。本研究以淹水处理的孕穗期小麦为材料,借助多种手段,对湿害逆境下小麦根皮层细胞PCD发生的机理和通气组织的形成过程进行了研究,获得如下主要结果:1.耐湿的华麦8号和不耐湿的华麦9号根显微结构比较表明,淹水后两个品种次生根中均能形成明显的通气组织。首先是根皮层中部的一些细胞之间产生裂生间隙,且皮层中部某些细胞增大,然后这些增大的细胞逐渐发生死亡和溶解形成溶生腔隙。随着淹水时间的延长,在皮层中越来越多的溶生腔隙出现,最后导致整个根呈一“车轮样”的结构。华麦8号在淹水后次生根孔积率一直升高,增长幅度大,各时期之间均存在显著差异。华麦9号根孔积率在整个淹水期间也有增大,但是其增长幅度很小,且在淹水前期差异不显著。此外,淹水144 h后,华麦8号的根依然保持完整,而华麦9号的根皮层和中柱脱离,且中柱有部分细胞破裂。上述结构的差异是华麦8号的耐湿能力大于华麦9号的细胞学基础。2.以华麦8号为材料,利用脱氧核糖核苷酸末端转移酶介导的缺口末端标记法（TUNEL）,发现淹水处理能促进根皮层细胞DNA发生断裂,细胞呈TUNEL阳性。对皮层中TUNEL阳性细胞核统计表明,淹水8h后皮层中阳性细胞核数量百分比显著增加,并随处理时间延长百分比数值一直升高,在淹水144h后达到最大值。3.皮层细胞超微结构研究表明,淹水诱导根皮层细胞发生了程序化细胞死亡（PCD）,细胞死亡是由一系列细胞学事件顺序发生的方式进行,并呈现出自身特征。在PCD早期,首先观察到质膜和胞质出现变化,包括质膜的内陷、胞质液泡化、液泡内深染色颗粒的出现等;PCD中、后期,细胞核也发生变化,包括核形状扭曲、染色体凝集并位于核边缘、核膜变模糊等。此外,还观察到类似于自噬小体的双膜包裹小体的产生和内质网形成的同心环结构等。细胞壁变得电子透明。在PCD末期,质膜破裂,细胞器和细胞壁发生溶解,细胞内容物消失,形成气腔。因此,湿害胁迫下的小麦根皮层细胞的PCD是以一种独特的方式进行的,其特征有一部分类似于细胞质细胞死亡（CCD）,一部分类似于细胞凋亡,还有一部分类似于自噬性细胞死亡（ACD）。4.酸性磷酸酶（ACP酶）的超微细胞化学定位表明,淹水处理后,细胞间隙、细胞壁、质膜及细胞核上的酸性磷酸酶活性升高;并随着淹水时间延长逐渐增强。在细胞发生降解末期,被降解后的细胞组分残体上的ACP酶活性依然较强。说明ACP酶存在于整个PCD过程,发挥着降解细胞组分的重要作用。5.细胞中Ca2+-ATP酶的超微细胞化学定位表明,淹水4h后,细胞间隙、质膜、内质网等部位的Ca2+-ATP酶活性明显升高;淹水12h后,质膜上酶活性下降,但是细胞间隙的酶活性一直很高。Ca2+-ATP酶参与了PCD启动过程中细胞内Ca2+浓度的变化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略词
• 1 前言
• 1.1 通气组织的作用
• 1.2 通气组织的类型
• 1.2.1 裂生通气组织
• 1.2.2 溶生通气组织
• 1.3 溶生通气组织形成的调控因子
• 1.3.1 乙烯
• 2+'>1.3.2 Ca²⁺
• 1.3.3 活性氧
• 1.4 通气组织形成过程中PCD的启动及执行
• 1.4.1 环境胁迫信号的感受
• 1.4.2 信号传递及可逆磷酸化
• 1.4.3 细胞的降解
• 1.5 PCD的超微结构特征
• 1.5.1 动物细胞PCD超微结构特征
• 1.5.2 植物细胞PCD超微结构特征
• 1.5.3 通气组织形成过程中PCD超微结构特征
• 1.5.3.1 细胞质
• 1.5.3.2 液泡
• 1.5.3.3 线粒体
• 1.5.3.4 内质网
• 1.5.3.5 细胞核
• 1.5.3.6 细胞壁
• 1.6 小麦在湿害条件下生理和形态变化研究进展
• 1.7 本研究的目的和意义
• 2 材料与方法
• 2.1 材料
• 2.2 方法
• 2.2.1 电镜与光镜制样
• 2.2.2 TUNEL制样
• 2.2.3 酸性磷酸酶（ACP酶）细胞化学定位
• 2+-ATP酶的细胞化学定位'>2.2.4 Ca²⁺-ATP酶的细胞化学定位
• 2.2.5 统计分析
• 2.2.5.1 根皮层TUNEL阳性细胞核数量百分比
• 2.2.5.2 根孔积率测量及统计
• 3 结果与分析
• 3.1 小麦次生根显微结构变化
• 3.2 淹水处理后根孔积率变化
• 3.3 皮层细胞中DNA裂解的TUNEL分析
• 3.4 皮层中TUNEL阳性细胞核数量百分比
• 3.5 皮层细胞超微结构变化
• 3.6 淹水后皮层细胞中ACP酶的分布
• 2+-ATP酶的分布'>3.7 淹水后皮层细胞中Ca²⁺-ATP酶的分布
• 4 讨论
• 4.1 小麦次生根在淹水条件下通气组织的形成
• 4.1.1 通气组织形成过程及方式
• 4.1.2 通气组织形成与耐湿能力的关系
• 4.2 淹水条件下小麦次生根皮层细胞DNA裂解情况
• 4.3 淹水诱导小麦根皮层细胞PCD的特征
• 4.4 ACP酶与皮层细胞PCD的关系
• 2+-ATP酶与皮层细胞PCD的关系'>4.5 Ca²⁺-ATP酶与皮层细胞PCD的关系
• 4.6 本研究的创新点以及深入研究的可能研究方向
• 4.6.1 本研究创新点
• 4.6.2 深入研究的可能方向
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 论文图版