细胞壁在植物耐铝和铝毒害机制中的作用

论文摘要

铝毒是酸性土壤上限制作物产量的关键因子之一。虽然有机酸分泌是公认的铝排斥机制,但越来越多的证据表明细胞壁在植物耐铝性上起重要作用。铝毒害的最初反应是抑制植物根系伸长,但其作用机制还不明确。本文首先研究了细胞壁在荞麦抗铝毒上的作用;在研究有机酸与细胞壁相互作用的基础上,提出了有机酸解铝毒的新的作用机制;为了进一步明确铝抑制根系伸长机理,利用果胶单克隆抗体,研究了铝处理对玉米根尖果胶分布和细胞壁属性的影响;最后还利用拟南芥根尖细胞特异报告基因,研究了铝处理对根尖不同组织细胞的影响。得到以下主要结果:1.细胞壁在荞麦耐铝性上的作用通过对4种耐铝性不同的荞麦品种的研究发现,其耐铝性的差异是与外部排斥机理相关,但机酸分泌不能完全解释这一差异。进一步研究发现在无铝条件下,耐性品种根尖果胶含量低于敏感品种,而铝处理提高所有品种的果胶含量,且根尖果胶含量与铝含量呈显著的线性关系。利用果胶单克隆抗体,发现耐性品种Jiangxi具有较少的低度甲酯化果胶和较多的高度甲酯化果胶,且耐性品种Jiangxi果胶甲酯酶活性低于敏感品种Shanxi。在水稻中也有类似的现象,说明无论能否进行有机酸分泌,细胞壁果胶甲酯化程度均与耐铝性有关。细胞壁吸附铝的动力学研究表明,敏感品种细胞壁能吸附更多的铝,且铝与之结合更加紧密。以上结果表明荞麦幼苗耐铝性是与根尖细胞壁果胶含量、果胶甲酯酶活性、果胶甲酯化程度及细胞壁对铝的吸附能力有关。2.有机酸分泌能保护细胞壁与铝结合位点铝诱导植物根尖有机酸分泌被认为是最重要的耐铝机制之一。一般认为,根尖分泌的有机酸通过螯合根际土壤溶液中的铝而发挥其耐铝作用,然而对于根系分泌的有机酸是否足够清除植物根系周围介质中的铝还存在争议。小麦、决明和荞麦根尖铝处理后分别分泌苹果酸、柠檬酸和草酸。本文中,在相对根系伸长抑制率在35%的条件下,小麦、决明和荞麦的铝处理浓度分别为10、20和50μM,而此时它们有机酸分泌量分别为15、20和21 nmol cm2 12 h-1。当加入外源有机酸来减缓铝毒时,要想达到相同的解毒效果,苹果酸和草酸的加入量分别是柠檬酸的8倍和2倍。按照此比例计算,苹果酸:柠檬酸:草酸的比例应为4:1:5,这与实际分泌量有很大的差异。因此,单从有机酸与铝螯合角度不能解释其在解铝毒上的差异,我们认为有机酸还有其他解铝毒机制存在。用1mM苹果酸、柠檬酸和草酸预处理细胞壁后,均能显著降低其对铝的吸附量,且三种有机酸之间没有差异。这些结果表明,分泌的有机酸能通过减少细胞壁与铝的结合位点而起到耐铝作用。3.果胶半乳聚糖分布紊乱与铝抑制玉米根系伸长相关铝毒害的最初反应是抑制植物根系伸长,然而其作用机制还不明确。本文中我们运用果胶单克隆抗体（JIM5和JIM7）,研究铝处理对细胞壁果胶多糖的影响。在无铝条件下,JIM5定位的果胶多糖同聚半乳糖（HG）在整个细胞壁都有分布,但是在胞间隙分布最多。而JIM7定位的HG均匀地分布在整个细胞壁周围。50μMAl处理3小时后,玉米根系伸长被抑制了10%,此时只有胞间隙有荧光显示。当根系伸长抑制率在50%的情况下,这两种抗体都只在胞间隙有表达,荧光强度变弱,而且不均匀分布。用La处理达到相同的根系伸长抑制率后,果胶抗体的分布也有类似的变化。说明HG的这种分布变化与根系伸长抑制具有很好的相关性。用柠檬酸洗脱根尖吸附的铝后,果胶抗体的这种分布形式不受影响。因此,我们认为铝诱导引起的HG分布紊乱是铝抑制根系伸长的机理之一。4.铝对拟南芥根尖特异报告基因表达的影响根系生长受到抑制是铝毒的原初响应,但对铝毒对根尖不同细胞的影响尚没有报道。本研究中我们利用拟南芥不同根尖细胞和生长素报告基因,以其说明铝对根尖不同细胞及生长素分布的影响。GAL4-GFP增强子捕获株系J3411能在根冠柱细胞和侧根冠特异表达,铝处理后发现其在根冠柱细胞的表达降低,侧根冠表达不受影响,说明根冠柱细胞的功能受到损害,这很好地解释了铝毒时主根生长明显受阻,但侧根数量增多的现象。铝处理对QC25的表达没有影响,说明静止中心功能保持正常,根尖细胞仍能正常分化,说明抑制细胞分裂不是铝毒的主要原因。铝处理改变DR5-GUS在根尖的表达,DR5是生长素的报告基因,说明铝处理能影响根尖生长素的分布。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图表目录
• 第一章 植物铝毒害机制与耐性机制
• 1.1 引言
• 1.2 铝对植物的毒害
• 1.2.1 铝的结合位点
• 1.2.2 抑制根伸长是铝毒的最初反应
• 1.3 铝的分布
• 1.3.1 检测方法
• 1.3.1.1 铝吸收动力学分析
• 1.3.1.2 二次离子质谱分析（SIMS）
• 1.3.1.3 Morin染色
• 1.3.1.4 同位素示踪
• 1.3.2 铝在质外体的分布
• 1.3.3 铝在共质体的分布
• 1.4 植物耐铝毒的机理
• 1.4.1 外部排斥机制
• 1.4.1.1 细胞壁对铝的固定
• 1.4.1.2 有机酸的分泌
• 1.4.1.3 其他机制
• 1.4.2 内部耐受机制
• 1.4.2.1 细胞内有机酸和酚类化合物的络合
• 1.4.2.2 液泡的区室化
• 1.5 参考文献
• 第二章 植物细胞壁及铝对细胞壁的影响
• 2.1 引言
• 2.2 细胞壁组分
• 2.2.1 果胶
• 2.2.2 半纤维素
• 2.2.3 纤维素
• 2.3 细胞壁形成和松弛
• 2.4 铝对细胞壁的影响
• 2.4.1 对细胞壁组分含量的影响
• 2.4.2 对细胞壁物理属性的影响
• 2.4.3 对细胞壁酶的影响
• 2.5 问题的提出及拟解决的问题
• 2.6 参考文献
• 第三章 细胞壁果胶多糖在荞麦铝排斥机制中的作用
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 植物材料与培养
• 3.2.2 铝处理和相对根伸长量
• 3.2.3 根尖铝含量和细胞壁的提取
• 3.2.4 细胞壁提取和多糖的测定
• 3.2.5 果胶甲酯酶活性测定
• 3.2.6 细胞壁对铝吸附解吸动力学
• 3.2.7 免疫荧光定位
• 3.3 结果
• 3.3.1 耐铝的基因型差异是与铝外部排斥机理相关的
• 3.3.2 外部排斥机制与果胶相关
• 3.3.3 细胞壁对铝的吸附解吸动力学
• 3.4 讨论
• 3.5 参考文献
• 第四章 铝诱导植物分泌的有机酸能保护细胞壁与铝结合位点
• 4.1 引言
• 4.2 试验材料和方法
• 4.2.1 植物培养
• 4.2.2 根伸长试验
• 4.2.3 根系分泌物的收集和有机酸的测定
• 4.2.4 根表面积的计算
• 4.2.5 改变细胞壁属性
• 4.2.6 细胞壁对铝的吸附解吸动力学
• 4.3 结果
• 4.4 讨论
• 4.4.1 有机酸与根系外铝螯合不能完全解释有机酸对铝的排斥机理
• 4.4.2 不同的有机酸在保护细胞壁与铝结合的作用上是一致的
• 4.5 参考文献
• 第五章 铝抑制玉米根系伸长与铝导致细胞壁同型半乳聚糖分布紊乱有关
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 植物材料和生长条件
• 5.2.2 铝处理和根伸长测定
• 5.2.3 镧处理
• 5.2.4 HG的免疫荧光定位
• 5.2.5 苏木精染色
• 5.3 结果
• 5.3.1 铝对根伸长的影响
• 5.3.2 铝处理对B73中HG分布的影响
• 5.3.3 铝处理对Nongda 3138中HG分布的影响
• 5.3.4 镧处理对HG分布的影响
• 5.3.5 柠檬酸洗脱对HG分布的影响
• 5.4 讨论
• 5.5 参考文献
• 第六章 铝对拟南芥根尖报告基因表达的影响
• 6.1 引言
• 6.2 材料和方法
• 6.2.1 材料
• 6.2.2 拟南芥培养
• 6.2.3 铝处理
• 6.2.4 GUS染色、透明及显微拍摄
• 6.2.5 GFP荧光拍摄
• 6.2.6 苏木精和Evas blue染色
• 6.3 结果
• 6.3.1 铝处理对生长素分布的影响
• 6.3.2 铝处理对静止中心的影响
• 6.3.3 铝处理对根冠柱细胞的影响
• 6.4 讨论
• 6.5 参考文献
• 第七章 研究总结、创新点及展望
• 附录 本论文中出现的缩写及中英文对照
• 作者简历及攻读博士期间论文发表情况