全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 缘期摇 摇 圆园员源年 猿月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
干旱指标研究进展 李柏贞袁周广胜 渊员园源猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
气候变化对作物矿质元素利用率影响研究进展 李垄清袁吴正云袁张摇 强袁等 渊员园缘猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
森林生态系统中植食性昆虫与寄主的互作机制尧假说与证据 曾凡勇袁孙志强 渊员园远员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
线虫区系分析指示土壤食物网结构和功能研究进展 陈云峰袁韩雪梅袁李钰飞袁等 渊员园苑圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
中国省际水足迹强度收敛的空间计量分析 赵良仕袁孙才志袁郑德凤 渊员园愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
高原河谷城市植被时空变化及其影响因素要要要以青海省西宁市为例 高摇 云袁谢苗苗袁付梅臣袁等 渊员园怨源冤噎噎
土地利用和环境因子对表层土壤有机碳影响的尺度效应要要要以陕北黄土丘陵沟壑区为例
赵明月袁赵文武袁钟莉娜 渊员员园缘冤
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赤子爱胜蚓和毛利远盲蚓对添加造纸污泥土壤的化学和生物学特征的影响
陈旭飞袁张摇 池袁戴摇 军袁等 渊员员员源冤
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个体与基础生态
钾与信号抑制剂对外生菌根真菌分泌乙酸的调控作用 杨红军袁李摇 勇袁袁摇 玲袁等 渊员员圆远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
砷诱导蚕豆气孔保卫细胞死亡的毒性效应 薛美昭袁仪慧兰 渊员员猿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
石油污染土壤中苯酚降解菌 葬凿园源怨的鉴定及降解特性 胡摇 婷袁谷摇 洁袁甄丽莎袁等 渊员员源园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
紫花苜蓿对铜胁迫生理响应的傅里叶变换红外光谱法研究 付摇 川袁余顺慧袁黄怡民袁等 渊员员源怨冤噎噎噎噎噎噎
播种期对晚季香稻香气 圆鄄乙酰鄄员鄄吡咯啉含量和产量的影响 杨晓娟袁唐湘如袁闻祥成袁等 渊员员缘远冤噎噎噎噎噎
外源钙渊悦葬冤对毛葱耐镉渊悦凿冤胁迫能力的影响 王巧玲袁邹金华袁刘东华袁等 渊员员远缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于植被指数的北京军都山荆条灌丛生物量反演研究 高明亮袁宫兆宁袁赵文吉袁等 渊员员苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
三种暖季型草坪草对二氧化硫抗性的比较 李摇 西袁王丽华袁刘摇 尉袁等 渊员员愿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
恩施烟区无翅桃蚜在烤烟田空间动态的地统计学分析 夏鹏亮袁王摇 瑞袁王昌军袁等 渊员员怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
啮齿动物捕食和搬运蒙古栎种子对种群更新的影响 张晶虹袁刘丙万 渊员圆园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
高原鼠兔有效洞穴密度对高寒草甸优势植物叶片和土壤氮磷化学计量特征的影响
李倩倩袁赵摇 旭袁郭正刚 渊员圆员圆冤
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光尧温限制后铜绿微囊藻和斜生栅藻的超补偿生长与竞争效应 谢晓玲袁周摇 蓉袁邓自发 渊员圆圆源冤噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
人工巢箱繁殖鸟类主要巢捕食者及其影响因素 张摇 雷袁李东来袁马锐强袁等 渊员圆猿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
泉州湾蟳埔潮间带大型底栖动物群落的时空分布 卓摇 异袁蔡立哲袁郭摇 涛袁等 渊员圆源源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同尺度因子对滦河流域大型底栖无脊椎动物群落的影响 张海萍袁武大勇袁王赵明袁等 渊员圆缘猿冤噎噎噎噎噎噎
呼兰河湿地夏尧秋两季浮游植物功能分组演替及其驱动因子 陆欣鑫袁刘摇 妍袁范亚文 渊员圆远源冤噎噎噎噎噎噎噎
江西桃红岭国家级自然保护区梅花鹿生境适宜性评价 李摇 佳袁李言阔袁缪泸君袁等 渊员圆苑源冤噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
中国自然保护综合地理区划 郭子良袁崔国发 渊员圆愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
近 员园年来蒙古高原植被覆盖变化对气候的响应 缪丽娟袁蒋摇 冲袁何摇 斌袁等 渊员圆怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
人类活动与气候变化对洪湖春旱的影响 刘可群袁 梁益同袁周金莲袁等 渊员猿园圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
圆园园园要圆园员园年武汉市中心城区湖泊景观变化 淡永利袁王宏志袁张摇 欢袁等 渊员猿员员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
三江源区冬虫夏草资源适宜性空间分布 李摇 芬袁吴志丰袁徐摇 翠袁等 渊员猿员愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆愿圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿园鄢圆园员源鄄园猿
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封面图说院 插秧季节的桂西要要要圆园园怨要圆园员员年袁我国广西尧云南尧贵州尧四川尧重庆等西南地区遭受了百年不遇的特大旱灾袁其中
广西西北部尧云南大部尧贵州西部等石漠化地区最为严重袁农作物大面积绝收袁千百万人和大牲畜饮水困难袁这种危
害是巨大的尧现实的遥 从对 圆园园怨要圆园员员年我国西南地区旱灾程度及其对植被净初级生产力影响结果显示院圆园园怨要
圆园员员年西南地区年均降水量和湿润指数明显低于 员怨愿园要圆园园愿年均值袁植被净初级生产力低于 圆园园员要圆园园愿年均值袁
造成的碳损失约占我国总碳汇的 苑援怨员豫遥 全球气候变暖给大气环流提供了动力袁也造成了许多极端灾害天气袁因此
如何应对气候变化形势显得更加紧迫遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 5 期
2014年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.5
Mar.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金项目(30870454, 30470318); 教育部高等学校博士学科点基金项目(20070108007, 20121401110007); 山西省回国
留学人员科研资助项目(2012013)
收稿日期:2012鄄10鄄17; 摇 摇 修订日期:2013鄄04鄄18
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: yihl@ sxu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201210171445
薛美昭, 仪慧兰.砷诱导蚕豆气孔保卫细胞死亡的毒性效应.生态学报,2014,34(5):1134鄄1139.
Xue M Z, Yi H L.Arsenic induces guard cell death in leaf epidermis of Vicia faba.Acta Ecologica Sinica,2014,34(5):1134鄄1139.
砷诱导蚕豆气孔保卫细胞死亡的毒性效应
薛美昭, 仪慧兰*
(山西大学生命科学学院, 太原摇 030006)
摘要:采用蚕豆(Vicia faba L.)叶面气孔保卫细胞,研究砷对细胞的毒性效应。 结果表明,0.3—10 mg / L 的 NaAsO2能降低保卫
细胞活性,使部分细胞死亡,死亡率随砷浓度升高而增高。 死细胞中呈现核固缩、核崩解等典型程序性死亡特征,且泛 caspase
抑制剂 Z鄄Asp鄄CH2 鄄DCB能阻止 NaAsO2诱发的细胞死亡。 过氧化氢清除剂过氧化氢酶与 NaAsO2共同作用时,细胞死亡率显著
低于砷单独处理组,保卫细胞内 Ca2+水平降低,具程序性死亡特征的细胞数减少;Ca2+特异性螯合剂 EGTA亦能降低 NaAsO2诱
发的细胞死亡。 研究结果表明,NaAsO2能诱发蚕豆保卫细胞程序性死亡,该过程由胁迫引发的 ROS升高引起,ROS可能通过激
活质膜 Ca2+通道,使胞外 Ca2+内流,造成胞内 Ca2+浓度升高,进而诱导细胞程序性死亡。
关键词:蚕豆保卫细胞;NaAsO2;程序性细胞死亡;ROS;Ca2
+
Arsenic induces guard cell death in leaf epidermis of Vicia faba
XUE Meizhao, YI Huilan*
School of Life Science, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
Abstract: Arsenic is a highly toxic metalloid for all forms of life including plants. Arsenic enters in plants through
phosphate transporters as a phosphate analogue or through aquaglycoporins. Uptake of arsenic in plant tissues can affect
plant metabolism, causing various physiological disorders, structural abnormalities and even plant death. Oxidative stress is
considered to be a key mechanism of arsenic toxicity.
In this study, the effect of sodium arsenite (NaAsO2) on guard cell viability was investigated in detached epidermis of
V. faba leaves. Epidermal strips were obtained from 4鄄week鄄old plants by peeling off the lower epidermis of V. faba leaves
and incubated in 2鄄(N鄄morpholino) ethanesulfonic acid (MES) buffer containing some chemicals (NaAsO2 with or without
some antagonists) for 3 h in white light at 23 益 as the treatments. After treatment, the epidermal strips were stained with
fluorescein diacetate (FDA) to show cell viability, or with 2忆,7忆鄄dichlorofluorescein diacetate ( DCFH鄄DA) and fluo鄄3
acetomethoxyester ( Fluo鄄3AM) respectively to indicate intracellular reactive oxygen species ( ROS) and calcium ion
(Ca2+) levels.
The results of our experiments showed that NaAsO2 treatment significantly decreased cell viability and induced cell
death in the concentration range of 0. 3 to 10 mg / L. Arsenic provokes synchronous increases in cell death rate and
intracellular levels of ROS and Ca2+ in V. faba guard cells. The typical nuclear morphological changes including nuclear
fragmentation and nuclear condensation were observed in As鄄treated guard cells, while Z鄄Asp鄄2, 6鄄
dichlorobenzoyloxymethylketone (Z鄄Asp鄄CH2鄄DCB), a specific inhibitor of mammalian caspases, significantly blocked As鄄
induced cell death. The occurrence of characteristic features of programmed cell death (PCD) and the inhibitory effect of
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caspase inhibitor Z鄄Asp鄄CH2鄄DCB on As鄄induced cell death suggest the activation of a PCD pathway evoked by arsenic
exposure. Application of antioxidant catalase significantly inhibited As鄄induced cell death, PCD鄄to鄄total鄄cells ratio and
intracellular Ca2+ increase provoked by arsenic. A specific Ca2+ chelator ethylene glycol tetraacetic acid also significantly
decreased the cell death caused by arsenic. These results clearly demonstrated that arsenic induced cell death associated
with obvious increases in intracellular ROS and Ca2+ levels, in which ROS positively regulated intracellular Ca2+ level.ROS
generation and intracellular Ca2+ level increase in As鄄treated stomatal guard cells were involved in the process of As鄄induced
cell death. The results of the present study indicate that arsenite induced guard cell death via a PCD pathway through ROS
mediating Ca2+ elevation.
Key Words: V. faba guard cells; NaAsO2; programmed cell death; ROS; Ca
2+
摇 摇 砷(As)是一种广泛存在于自然界中的类金属元
素,通常以极低浓度存在于人类生存环境中,不会对
生物造成危害。 近年来,随着砷化物在工、农、医药
业中的大量使用,含砷矿石的开采和冶炼,含砷废
水、废渣的不合理排放,以及地下水的不合理开采,
导致很多地区大气、土壤和水体砷污染[1]。
环境中较高浓度的砷可使植物叶面蒸腾速率下
降,抑制根部向地上部分水分供给[2];能降低叶绿素
含量,破坏叶绿体膜结构及光合系统,从而降低光合
速率[3]。 砷可通过主动或被动方式进入植物体内,
影响植株生理过程[4],引起作物减产,严重时导致植
株死亡[5]。 由于砷与磷结构类似,砷能通过质膜上
的磷转运通道进入植物细胞内,从而干扰磷的代谢
过程,影响细胞能量代谢;砷可与胞内酶和组织蛋白
中的巯基反应,致蛋白结构异常、多种酶促反应受
阻[6]。 砷胁迫时,植物抗氧化防御系统被激活,抗氧
化酶如过氧化物歧化酶、过氧化氢酶 ( catalase,
CAT)、抗坏血酸过氧化物酶等活性提高,非酶抗氧
化物质如抗坏血酸、谷胱甘肽、维生素 E 等含量增
加,以维持胞内氧化还原平衡;体内解毒系统中的植
物络合素、金属硫蛋白和谷胱甘肽硫转移酶以及蛋
白和非蛋白巯基均能与砷结合,发挥解毒作用[6鄄7]。
但较高浓度砷暴露时植株难以适应,产生毒性效应。
氧化胁迫是目前公认的砷毒性作用机制:无机砷可
诱发植物体内超氧阴离子 ( O·-2 ), 羟基自由基
(·OH)和过氧化氢 ( H2 O2 )的生成,这些活性氧
(Reactive oxygen species, ROS)分子能破坏细胞膜及
胞内生物大分子如膜脂、蛋白和核苷酸[8],进而影响
细胞和分子的结构与功能,使细胞生理功能紊乱,细
胞死亡。 近期研究证实,胞内一定水平的活性氧分
子具有信号分子的功能,但是砷胁迫中产生的 ROS
是否参与调节胁迫诱发的植物细胞死亡未见报道,
有关砷致植物细胞死亡的信号途径尚不清楚。
植物叶表面的气孔保卫细胞是研究细胞信号转
导的模式系统,对环境变化反应灵敏而准确[9鄄10]。
前人采用蚕豆(Vicia faba L.)叶面气孔保卫细胞研
究氰化物、铝、二氧化硫的细胞毒性效应,发现了它
们对细胞的致死效应及信号途径,说明保卫细胞对
环境化学物的毒性具有灵敏的反应[11鄄13]。 因此,本
文以蚕豆气孔保卫细胞为实验模型,根据砷在植物
体内多以三价砷存在的事实[14],研究 NaAsO2对蚕豆
气孔保卫细胞的致死作用,为进一步揭示砷的毒性
作用机制提供依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 材料准备
蚕豆(Vicia faba L.)种子清洗后用自来水浸泡
48 h,25 益湿纱布包裹催芽 2—3 d,然后播种于较肥
沃的营养土中。 培养条件:光暗周期为 14 h / 10 h,温
度 18—25 益,光照强度 240 滋mol·m-2·s-1,相对湿度
40%—80%。 幼苗长至 4周时用于实验。
取顶端第 2 节完全展开的叶片,选非叶脉部位
用镊子撕取其下表皮,切成长约 1 cm,宽约 0.5 cm
的表皮条,置于含 2鄄( N鄄morpholino) ethanesulfonic
acid(MES)的缓冲液中。 MES 缓冲液含 50 mmol / L
KCL,10 mmol / L MES,用三羟甲基氨基甲烷(Tris)调
节 pH值至 7.0。
1.2摇 药物处理
用 MES缓冲液配制含 NaAsO2浓度为 0.1、0.3、
1、3和 10 mg / L的溶液作为砷处理液。 缓解组采用
一定浓度拮抗剂分别与 NaAsO2同时作用。 MES 缓
5311摇 5期 摇 摇 摇 薛美昭摇 等:砷诱导蚕豆气孔保卫细胞死亡的毒性效应 摇
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冲液作对照。 每个处理用 3 个不同蚕豆植株上的叶
片,将表皮条置于含不同药物的处理液中,于 23 益
光照 3 h。
所选拮抗剂包括:0.5 滋mol / L的泛 caspase 抑制
剂( Z鄄Asp鄄2,6鄄dichlorobenzoyloxymet鄄hylketon,Z鄄Asp鄄
CH2鄄DCB),200 U / mL的 CAT和 1 mmol / L的 Ca2
+特
异性螯 合 剂 乙 二 醇 双 四 乙 酸 ( ethylene glycol
tetraacetic acid,EGTA)。 实验中,用 NaAsO2处理蚕
豆表皮后,检测保卫细胞内 ROS和 Ca2+水平,与对照
组比较,以分析砷胁迫诱发的细胞死亡过程中胞内
ROS 和 Ca2+的变化;将 NaAsO2和 CAT共同作用于蚕
豆表皮后,检测保卫细胞内 Ca2+水平的改变,分析
ROS水平降低时胞内 Ca2+的变化规律[12鄄13],判断砷
胁迫期间 ROS对 Ca2+的调节作用。
1.3摇 细胞活性检测
参照 Yi 等实验方法[13],药物处理结束后,表皮
条用 0. 1 mg / L 的 二 乙 酸 荧 光 素 ( fluorescein
diacetate,FDA)暗染 10 min,荧光显微镜下观察、拍
照。 统计无绿色荧光的保卫细胞(死细胞)数与观察
的保卫细胞总数,计算保卫细胞死亡率。 每个处理
重复 3次,每次至少观察 2000个保卫细胞。
1.4摇 细胞核形态观察
药物处理后,表皮条用卡诺氏液固定 2 h,
Feulgen法染色[15],普通光学显微镜观察。
1.5摇 胞内 ROS和 Ca2+水平检测
参照 Gonz佗lez等实验方法[16],药物处理后表皮
条分别于 10 滋mol / L 的活性氧荧光指示剂 2忆,7忆鄄二
氯荧 光 黄 双 乙 酸 酯 ( 2忆, 7忆鄄dichlorofluorescein
diacetate,DCFH鄄DA)或 10 滋mol / L 的 Ca2+荧光指示
剂 fluo鄄 3 acetomethoxyester ( Fluo鄄 3 AM)中暗孵育
60—90 min后,荧光显微镜(激发波长 488 nm)下观
察并拍照。 使用图像分析软件 Image鄄Pro Plus 6.0测
量每组 3个表皮条中约 300 个细胞的荧光值,计算
其平均值。 将对照组荧光值计为 1,各处理组的相对
荧光值为处理组荧光值与对照组的比值。
1.6摇 数据分析
计算每组 3 个重复实验的平均值和标准误,采
用 SPSS17. 0 对实验结果进行 F 检验后,采用
Duncan方法进行多重比较,分析不同处理组和对照
组之间的差异显著性(* P<0.05,差异显著;** P<
0郾 01,差异极显著;不同字母间差异显著,P<0.05)。
2摇 结果
2.1摇 砷诱发蚕豆保卫细胞死亡
表皮条经 FDA染色后,对照组保卫细胞发亮绿
色荧光,表明细胞具有良好的活性;NaAsO2处理组保
卫细胞荧光亮度降低,说明胞内非特异性酯酶活性
降低,不能很好地将 FDA 水解为极性荧光素分子,
其中部分细胞无绿色荧光,记为死细胞。 随着
NaAsO2浓度的增高,死细胞比率增高。 浓度为 0.3
mg / L 的 NaAsO2能显著诱导蚕豆气孔保卫细胞死
亡,NaAsO2浓度为 1—10 mg / L 时,细胞死亡率极显
著增高(图 1),其中 10 mg / L 处理组死亡率最高,达
到 32.2%,比对照组增加了 3.4倍。
图 1摇 砷对蚕豆保卫细胞活性的影响
Fig.1 摇 Effect of arsenic on guard cell viability in detached
epidermis of V. faba leaves
2.2摇 砷诱发保卫细胞程序性死亡
用 Schiff试剂染色后,对照组保卫细胞核质均
匀,砷处理组保卫细胞出现核固缩、核崩解等典型的
程序性细胞死亡(Programmed cell death, PCD)特征
(图 2),由此推测砷胁迫诱发的蚕豆保卫细胞死亡
过程中可能存在细胞程序性死亡。
Caspase是细胞程序性死亡的关键酶,本研究用
0.5 滋mol / L 的泛 caspase 抑制剂 Z鄄Asp鄄CH2鄄DCB 分
别与 3 mg / L和 10 mg / L的 NaAsO2共同作用时,细胞
死亡率显著低于砷单独处理组(图 3),即 caspase 抑
制剂抑制了 NaAsO2诱发的细胞死亡。 该结果说明,
蚕豆保卫细胞中的类 caspase 蛋白酶参与并执行了
NaAsO2诱发的细胞死亡过程,砷胁迫诱发的蚕豆保
卫细胞死亡过程中存在程序性细胞死亡。
6311 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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图 2摇 砷诱发蚕豆气孔保卫细胞核形态异常(伊200)
Fig.2摇 Abnormal nucleus in V. faba guard cells exposed to arsenic
a: 对照; b鄄d: NaAsO2处理组; b: 核崩解;c: 核固缩; d: 核消失
图 3摇 泛 caspase抑制剂对砷致蚕豆保卫细胞死亡的缓解作用
Fig.3 摇 Antagonistic effect of caspase inhibitor on As鄄induced
guard cell death in V. faba
2.3摇 胞内 ROS 和 Ca2+水平升高与砷诱发的细胞死
亡有关
在砷处理液中加入抗氧化剂 CAT或 Ca2+特异性
螯合剂 EGTA 后,细胞死亡率显著降低。 200 U / mL
的 CAT 或 1 mmol / L 的 EGTA 与 NaAsO2同时作用
时,细胞死亡率显著低于砷单独处理组(图 4),说明
降低砷胁迫组胞内 ROS 和 Ca2+水平可有效阻止砷
诱发的细胞死亡,砷胁迫诱发的细胞死亡可能与胁
迫引发的胞内 ROS和 Ca2+升高有关。
为了证实砷胁迫中保卫细胞内 ROS 和 Ca2+水
平的变化,采用特异性荧光探针标记后检测了保卫
细胞内 ROS和 Ca2+水平。 经 ROS探针 DCFH鄄DA标
记后,NaAsO2处理组保卫细胞 ROS 相对荧光值明显
高于对照组;用 Ca2+探针 Fluo鄄3AM 标记后,NaAsO2
组保卫细胞内 Ca2+相对荧光值较对照组明显升高
(图 5)。 结果表明,NaAsO2处理组保卫细胞内 ROS
和 Ca2+水平显著升高。
上述结果表明,砷处理组细胞死亡与胞内 ROS
图 4摇 CAT和 EGTA对砷致蚕豆保卫细胞死亡的缓解作用
Fig.4摇 Antagonistic effects of CAT and EGTA on As鄄induced
guard cell death in V. faba
和 Ca2+水平升高同时发生,加入抗氧化剂降低胞内
ROS或用 Ca2+特异性螯合剂减少胞外后 Ca2+内流
后,保卫细胞死亡率显著下降,即胁迫组胞内 ROS和
Ca2+水平增高参与介导了保卫细胞的死亡。
加入 200 U / mL 的 CAT 后,砷处理组细胞死亡
率降低(图 4),具有程序性死亡特征的细胞数减少
(图 6),砷诱发的胞内 Ca2+升高被抑制(图 5),表明
在砷诱发蚕豆保卫细胞死亡过程中,ROS 对胞内
Ca2+水平具有正调控作用,ROS 位于 Ca2+的上游发
挥作用。 加入 Ca2+特异性螯合剂 EGTA 降低细胞外
Ca2+浓度,阻止胞外 Ca2+内流后,可阻止砷处理诱发
的细胞死亡(图 4),说明在砷诱导细胞死亡的过程
中,胞外 Ca2+内流对胞内 Ca2+水平升高和继发细胞
死亡发挥了重要作用。
3摇 讨论
在砷的毒理学研究中以动物为材料的居多,砷
对植物细胞的毒性效应研究较少,相关毒理学机制
7311摇 5期 摇 摇 摇 薛美昭摇 等:砷诱导蚕豆气孔保卫细胞死亡的毒性效应 摇
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图 5摇 砷对蚕豆保卫细胞内 ROS和 Ca2+水平的影响
Fig.5摇 Changes of ROS and Ca2+ fluorescence in V. faba guard cells exposed to arsenic
摇 图 6摇 CAT对砷致蚕豆保卫细胞程序性死亡的抑制效应
Fig.6 摇 Inhibition of CAT on PCD in V. faba guard cells
exposed to arsenic
的研究更是少见。 本文以蚕豆气孔保卫细胞为实验
模型,提供了植物细胞中砷的毒性作用证据。 用亚
砷酸钠处理后蚕豆气孔保卫细胞活性降低并出现典
型的程序性死亡特征,且泛 caspase蛋白酶抑制剂 Z鄄
Asp鄄CH2鄄DCB 能阻止砷诱发的细胞死亡,表明砷诱
发的蚕豆保卫细胞死亡过程存在程序性细胞死亡。
通过检测抗氧化剂 CAT 和钙离子特异性螯合剂
EGTA对砷毒性作用的抑制效应,证实砷胁迫组胞内
ROS和 Ca2+水平的提高是砷诱发植物细胞程序性死
亡的诱因,该结果与砷诱发的多种动物细胞的凋亡
途径类似[17鄄18],表明植物细胞与动物细胞中可能存
在着相似的机制。
植物细胞可通过 ROS 介导的钙信号途径而致
死,过氧化氢能激活质膜上的钙离子通道,使胞外
Ca2+内流,胞内 Ca2+水平升高[19],胞内 Ca2+浓度升高
可激活 Ca2+依赖性核酸内切酶,使细胞核 DNA 在核
小体连接处被切割,从而引发细胞程序性死亡。 本
研究发现,砷处理组 ROS 水平对胞内 Ca2+水平具正
向调节作用,减少胞外 Ca2+内流后砷处理组死亡率
下降,由此推测,砷胁迫产生的 ROS可能通过激活质
膜 Ca2+通道,使 Ca2+内流导致胞内 Ca2+水平升高,从
而介导了细胞死亡。 研究发现,砷胁迫能引起酵母
细胞核崩解,蚕豆和洋葱根尖细胞氧化损伤、微核率
升高,这些结果的产生与砷胁迫组 ROS 升高有
关[8,20];ROS可直接攻击 DNA、蛋白质等生物大分
子,使 DNA 分子断裂、修复酶活性降低,DNA损伤无
法及时修复。 DNA 损伤能激活细胞死亡程序,引发
细胞死亡[21鄄22],因此,砷胁迫组蚕豆保卫细胞内 ROS
升高可能通过类似途径诱发细胞死亡。
研究表明,砷胁迫可致酵母细胞内 ROS 和 Ca2+
水平升高,线粒体膜完整性破坏,细胞色素 c 释放,
类 caspase 蛋白酶激活,引发程序性细胞死亡[20]。
因此,砷胁迫组蚕豆保卫细胞内 ROS 和 Ca2+水平升
高也可能通过线粒体途径完成细胞死亡过程,通过
破坏线粒体膜完整性释放细胞色素 c、凋亡诱导因
子,并于胞质中形成凋亡复合体,激活类 caspase 蛋
白酶,进而特异性切割下游底物,引发细胞凋亡。
气孔调节着植物和外界环境间气体与水分的交
换,砷胁迫导致气孔保卫细胞活性降低或死亡会干
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扰气孔正常的调节功能,影响植物的光合作用和呼
吸代谢,从而干扰植株生理生化过程。 但本研究观
察到砷胁迫诱发的植物细胞程序性死亡,可能在植
株对环境胁迫和刺激的应答过程中具有积极的意
义,具体效应机制有待进一步深入研究。
References:
[ 1 ]摇 Garelick H, Jones H, Dybowska A, Valsami鄄Jones E. Arsenic
pollution sources. Reviews of Environmental Contamination and
Toxicology, 2008, 197: 17鄄60.
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叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
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迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
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耘鄄皂葬蚤造院 泽澡藻灶早贼葬蚤曾怎藻遭葬燥岳 则糟藻藻泽援葬糟援糟灶摇 网摇 摇 址院 憎憎憎援藻糟燥造燥早蚤糟葬援糟灶
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