全 文 ：硅对铜胁迫下小麦幼根细胞超微结构的影响*
张黛静摇 马建辉摇 杨淑芳摇 陈惠婷摇 刘摇 佩摇 王文斐摇 李春喜**
(河南师范大学生命科学学院, 河南新乡 453007)
摘摇 要摇 为探索硅对重金属铜胁迫下小麦的缓解作用,以矮抗 58 为供试材料,采用室内溶液
培养法,研究不同浓度重金属铜 (0、15、30 mg· L-1 )胁迫及铜胁迫下添加外源硅 (50
mg·L-1)对小麦幼苗生长、根系活力及根尖超微结构的影响.结果表明: 铜处理下,小麦幼苗
根长、株高和根系活力均极显著低于对照(P<0. 01),加硅处理后小麦根长、株高和根系活力
与单一铜处理相比均有所提高.铜胁迫下,小麦根尖细胞壁和细胞膜均遭到不同程度的破坏,
细胞间空隙加大、细胞器消失;加硅处理后,虽然与对照相比,部分细胞和细胞器仍有变形,但
细胞结构基本保持完好.综上,外源硅能在一定程度上缓解重金属铜对小麦幼苗生长及细胞
组分的胁迫.
关键词摇 小麦摇 铜胁迫摇 硅肥摇 超微结构
文章编号摇 1001-9332(2014)08-2385-05摇 中图分类号摇 Q942. 4摇 文献标识码摇 A
Effects of silicon on the ultrastructures of wheat radical cells under copper stress. ZHANG
Dai鄄jing, MA Jian鄄hui, YANG Shu鄄fang, CHEN Hui鄄ting, LIU Pei, WANG Wen鄄fei, LI Chun鄄xi
(College of Life Sciences, Henan Normal University, Xinxiang 453007, Henan, China) . 鄄Chin. J.
Appl. Ecol. , 2014, 25(8): 2385-2389.
Abstract: To explore the alleviation effect of silicon on wheat growth under copper stress, cultivar
Aikang 58 was chosen as the experimental material. The growth, root activities and root tip ultra鄄
structures of wheat seedlings, which were cultured in Hoagland nutrient solution with five different
treatments (control, 15 mg·L-1 Cu2+, 30 mg·L-1 Cu2+, 15 mg·L-1 Cu2+ and 50 mg·L-1 sili鄄
con, 30 mg·L-1 Cu2+ and 50 mg·L-1 silicon), were fully analyzed. The results showed that root
length, plant height and root activities of wheat seedlings were significantly restrained under the cop鄄
per treatments compared with the control (P<0. 01), while these restraining effects were alleviated
after adding silicon to copper鄄stress Hoagland nutrient solution. Under copper stress, the cell wall
and cell membrane of wheat seedling root tips suffered to varying degrees of destruction, which
caused the increase of intercellular space and the disappearance of some organelles. After adding
silicon, the cell structure was maintained intact, although some cells and organelles were still
slightly deformed compared with the control. In conclusion, exogenous silicon could alleviate the
copper stress damages on wheat seedlings and cellular components to some extent.
Key words: wheat; copper stress; silicon fertilizer; ultrastructure.
*“十二五冶国家科技支撑计划项目(2013BAD07B07,2012BAD04B07)
和循环农业科技工程项目(2012BAD14B08)资助.
**通讯作者. E鄄mail: wheat_lab@ 163. com
2013鄄11鄄08 收稿,2014鄄05鄄21 接受.
摇 摇 铜是植物生长发育的必需元素,它广泛参与植
物生长发育过程中的多种代谢途径,对维持植物正
常代谢及发育起重要作用[1] . 然而适合植物生长的
铜含量范围很窄,过量的铜会影响植物的正常代谢,
使得植株根系生长受到抑制,生长量下降,对植物产
生毒害作用[2-3] . 铜浓度的升高,会造成活性氧积
累,细胞原生质膜破坏,植物细胞膜通透性明显增
加,对植物伤害严重[4] . 有研究显示,受铜胁迫的作
物,根部铜含量明显高于其他部位[5],由此说明植
物根系是受伤害最早和最严重的部位.另外,过量铜
会使植物细胞膜及多种细胞器的膜系统受到损伤,
造成根细胞原生质体破坏,细胞膜强度下降,铜离子
渗入和细胞内其他离子渗出和丢失,进而影响细胞
器的结构与功能[6-7] .近年来,国内外学者对如何缓
解重金属胁迫做了大量研究,发现硅在一定程度上
可以缓解重金属对植物的毒害作用[8-10] .研究显示,
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 8 月摇 第 25 卷摇 第 8 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Aug. 2014, 25(8): 2385-2389
外源硅可防止和消除植物因缺硅而表现出的生长发
育异常[11],还能缓解重金属元素对作物生长、生理
的影响[12-15] .宋阿琳[16]研究表明,硅可改善重金属
胁迫下小白菜气孔形态和叶绿体超微结构,使叶绿
体结构完整,基质片层排列更为有序,根系细胞质壁
分离现象得到缓解.此外,有关硅在提高作物产量及
耐盐性[17]、耐旱性[18]、抗病性[19]等方面也有大量报
道.本试验分析了外源硅对铜胁迫下小麦幼苗生长、
根系活力和超微结构的影响,从生长、生理及细胞形
态方面探索了硅对铜胁迫的缓解作用,以期为探索硅
对铜胁迫的缓解作用提供生理及细胞形态学依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验材料及培养
小麦(Triticum aestivum)品种为“矮抗 58冶.挑取
饱满、均匀的种子,用 0. 1% HgCl2消毒 6 min,蒸馏
水洗净,浸泡过夜,将种子置于垫有湿润滤纸的培养
皿中水培培养,待长出第 2 片叶后,移至 Hoagland
营养液中并进行处理.试验共设 5 个处理:1)CK(对
照,只加营养液);2)Cu15(15 mg·L-1 Cu2+,试剂为
CuSO4·5H2O,浓度以离子计);3)Cu30(30 mg·L-1
Cu2+);4)Si+Cu15(50 mg·L-1 Si+15 mg·L-1 Cu2+,
硅试剂为 NaSiO4·9H2O);5) Si+Cu30(50 mg·L-1
Si+30 mg·L-1 Cu2+),每个处理设置 3 个重复.培养
条件:光照 16 h,黑暗 8 h,湿度 75% ,温度 18 益,通
氧条件下进行.
1郾 2摇 测定指标及方法
1郾 2郾 1 株高、根长摇 于幼苗生长 192 h 时,各处理随
机取 60 株,测量株高、根长(cm).
1郾 2郾 2 根系活力摇 于幼苗生长 24、48、96、192 h 时取
样,每个处理随机取 0. 5 g,3 次重复. 采用 TTC
法[20]测定根系活力(滋g·g-1·h-1).
1郾 2郾 3 透射电镜样品制备与观察摇 取小麦幼苗根尖
组织,每个处理取 3 个重复,分别经戊二醛、锇酸固
定,不同浓度乙醇系列脱水,环氧树脂包埋,经超薄
切片机切片,醋酸双氧铀和柠檬酸铅染色,JEM1230
透射电镜观察根尖细胞超微结构并拍照,每个处理
选取切片、细胞结构完整性和图片清晰度较好的重
复来呈现.
1郾 3摇 数据处理
利用 Microsoft Excel 2003 软件进行试验数据整
理和作图,SPSS 13. 0 软件进行数据的显著性分析
(LSD法,琢=0. 01).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 硅对铜胁迫下小麦幼苗株高的影响
铜胁迫 192 h 之后,幼苗表现出不同程度的受
害症状,生长受到抑制,株高明显低于 CK. 其中,
Cu15、Cu30处理下的小麦幼苗株高与 CK相比分别降
低了 25. 5%和 35. 8% ,差异极显著(P<0. 01),Si+
Cu15和 Si+Cu30处理下的小麦株高与 CK相比分别下
降了 9. 8%和 13. 7% ,差异不显著.加硅之后的小麦
幼苗株高与不加硅处理相比缩小了与对照的差异,
缓解了小麦受铜胁迫的危害程度(图 1).
2郾 2摇 硅对铜胁迫下小麦幼苗根长的影响
Cu15处理下的小麦幼苗根长与 CK 相比降低了
54. 5% ,Cu30处理下的幼苗根长下降幅度达 59. 3% ;
加硅处理后,Si+Cu15处理下的小麦幼苗根长下降了
5 1郾 0% ,Si+Cu30下降了54郾 6% ,差异均达到极显著
图 1摇 硅和铜对小麦幼苗株高、根长和根系活力的影响
Fig. 1摇 Effects of Cu and Si on the plant height, root length and
root activity of wheat seedlings.
**与对照相比差异极显著(P<0. 01) Significant difference compared
with control at 0. 01 level. 下同 The same below.
6832 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
水平(P<0. 01).不同处理下的小麦根长与 CK 之间
的差异具体表现为:Si+Cu30 明铜对小麦根部的胁迫作用十分显著,加硅可在一
定程度上缓解铜对小麦根部的损伤,减轻其受毒害
程度(图 1).
2郾 3摇 硅对铜胁迫下小麦幼苗根系活力的影响
不同处理下的小麦幼苗根系活力与 CK 之间差
异极显著(P<0. 01). 加硅处理下小麦根系活力与
CK之间的差异均小于相应浓度铜处理与 CK 之间
的差异,且随胁迫时间的延长,它们与 CK 之间的差
异逐渐增大. 综合表现为 Cu30与 CK 之间的差异大
于 Cu15与 CK之间的差异,随时间的延长,Si+Cu30与
Cu30之间的差异大于 Si+Cu15与 Cu15之间的差异.由
此说明,随铜浓度的增大,胁迫时间的延长,铜对小
麦幼苗根系活力表现出越强的抑制作用,而硅对其
影响随铜浓度的加大和时间的延长,其缓解作用也
更为明显.
2郾 4摇 硅对铜胁迫下小麦幼根细胞超微结构的影响
取 5 个处理培养 192 h后的根尖组织进行细胞
亚显微结构观察,结果显示,低倍电镜下 CK 处理的
小麦幼根细胞形态完整,细胞壁与细胞膜紧密结合、
膜质平滑,细胞核双层膜完整、核仁清晰,线粒体为
圆球形、内嵴完整、分布均匀、间质浓密,核糖体遍布
细胞基质中,内质网多而整齐,高尔基体排列整齐
(图 2玉).
Cu15处理下,小麦根细胞变得扭曲,质膜脱离细
胞壁,出现质壁分离(图 2域淤),部分细胞壁断裂,
细胞膜变薄,细胞之间空隙加大,核质不均,染色质
凝集(图 2域于),线粒体、内质网、高尔基体等细胞
器空泡化或消失(图 2域).
加硅(Si+Cu15)后,小麦根细胞存在线粒体、内
质网细胞器,其中线粒体有空泡化的趋势,脊突排列
有些紊乱(图 2芋盂),内质网沿细胞壁排列,未见网
腔膨胀现象,高尔基体无明显变化(图 2芋).
摇 摇 在 Cu30处理下的小麦幼根根尖细胞空泡化现象
严重,细胞膜局部消失,细胞核固缩,核物质凝聚,核
膜不清晰,部分细胞的细胞核和核仁消失或解体,部
分核质散入细胞质中(图 2遇淤),线粒体、内质网和
高尔基体等细胞器消失,染色质严重凝集(图 2遇).
加硅(Si+Cu30)后,细胞线粒体、内质网依然存
在,高尔基体消失. 与 CK 相比,细胞核膨大且贴近
细胞边缘,线粒体少数有变形和拉伸现象,基质减
少,嵴不明显(图 3吁于),并有部分产生肥大现象,
内质网空腔略显膨大(图 3吁).综上,随铜浓度的增
加,小麦根尖细胞及细胞器受损害程度加大,加硅处
理后,细胞能基本保持其完整性,膜系统基本完好,
细胞器损伤程度降低.
图 2摇 硅和铜对小麦幼根细胞超微结构的影响
Fig. 2摇 Effects of Cu and Si on the root ultrastructure of wheat seedlings.
玉: CK; 域: Cu15; 芋: Si+Cu15; 遇: Cu30; 吁: Si+Cu30 . C: 细胞壁 Cell wall; N: 细胞核 Nucleus; Nu: 核仁 Nucleolus; V: 液泡 Vacuole; M:
线粒体 Mitochondrion; E: 内质网 Endoplasmic reticulum; G: 高尔基体 Golgi.
78328 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张黛静等: 硅对铜胁迫下小麦幼根细胞超微结构的影响摇 摇 摇 摇 摇
3摇 讨摇 摇 论
低浓度铜使植物生长受到影响,但能诱导植物
耐性机制产生作用,增强抵御胁迫的能力[21] . 当铜
过量时会严重抑制植物的生长,它对植物生长的毒
害影响体现在多个方面.高浓度的铜可显著降低 琢鄄
淀粉酶,从而影响小麦幼苗的生长发育[22] . 铜胁迫
还可造成植物根尖细胞核核质解体,核空泡化,细胞
功能丧失[23];可使植物根系生理机能降低,根系活
力下降,此外,铜离子在植物各器官内的积累还可影
响植物对养分的吸收、运输,使植株生长量下降[24] .
本研究表明,铜胁迫下小麦株高和根长与对照相比
显著降低,根系活力随胁迫时间延长与对照相比差
异逐渐增大.通过观察根尖超微结构发现,铜处理下
小麦幼根根尖细胞壁和细胞膜受到破坏,出现空泡
化,部分细胞核、核仁及细胞器消失.
硅可通过促进植物生长,局部化和钝化重金属
离子,缓解重金属对植物的毒害[25] . 作物吸收的硅
主要沉积在输导组织及细胞壁等非生理活性部位,
防止作物根系及输导组织在逆境条件下遭受挤
压[26] .硅还能显著抑制重金属向地上部的运输,减
少质外体运输途径的运输量,增强植物抗氧化系统
清除自由基的能力[27-28],因此,硅对植物在逆境中
的生长发育发挥了至关重要的作用.本试验发现,加
硅处理后小麦的株高和根长都比受单一铜胁迫下的
小麦幼苗有所增加,且与对照间的差异均小于单一
铜胁迫处理,差异极显著. 也有研究发现,加硅在一
定程度上可缓解重金属离子对质膜的破坏和脂质过
氧化伤害,与存在于细胞壁上或细胞壁中的木质素、
纤维素络合产生沉淀,阻止离子通过细胞膜进入细
胞质对细胞器造成危害,进而起到保护细胞器的作
用[29] .本试验发现,单一铜胁迫使细胞和细胞器受
害严重,加硅处理后,细胞和细胞器损伤减轻,与对
照相比,也存在细胞核膨大、线粒体变形等现象. 表
明铜胁迫下的小麦幼苗适量加硅,可以维持小麦的
生长发育,保护根细胞结构,使其受害程度减轻,在
一定程度上缓解了铜对小麦幼苗的伤害.
综上所述,硅可能降低了铜在细胞和组织内的
相对含量,改变了铜在细胞水平的分布,减轻铜对线
粒体、细胞核等细胞器的伤害,进而起到维持根的正
常生长和根系活力的作用,这对进一步探讨植物耐
金属胁迫机理有重要意义.虽然,本试验证明加硅可
在一定程度上缓解铜对作物的毒害作用,但对于受
不同浓度铜胁迫的小麦或其他作物应施加多少量的
硅才能达到最大缓解效果,还有待于进一步研究.
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作者简介 摇 张黛静,女,1974 年生,博士,副教授. 主要从事
小麦栽培生理生态研究. E鄄mail: zdjdai@ 163. com
责任编辑摇 张凤丽
98328 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张黛静等: 硅对铜胁迫下小麦幼根细胞超微结构的影响摇 摇 摇 摇 摇