全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2010, 45 (3): 354–362, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3969/j.issn.1674-3466.2010.03.007

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收稿日期: 2009-07-22; 接受日期: 2009-10-10
基金项目: 庆阳市科技创新项目(No.0802NKCM082)
* 通讯作者。E-mail: biyr2003@yahoo.com.cn
外源硫化氢对豌豆根尖及其边缘细胞的影响
李东波1, 3, 肖朝霞1, 刘灵霞1, 王金成2, 宋国力4, 毕玉蓉3, 4*
1陇东学院生命科学系, 庆阳 745000; 2陕西师范大学生命科学学院, 西安 710062
3兰州大学生命科学学院, 兰州 730000; 4中央民族大学生命与环境科学学院, 北京 100081
摘要 为研究外源硫化氢(H2S)对豌豆(Pisum sativum)胚根生理特性及其边缘细胞的影响, 测定了不同浓度外源H2S处理
下豌豆根长、根尖组织可溶性蛋白质含量、抗氧化酶(APX、CAT、POD和SOD)活性、根尖边缘细胞存活率及其粘胶层相
对面积的变化。结果表明: 低浓度(0–40 μmol·L–1)H2S可促进豌豆胚根生长, 根尖组织可溶性蛋白质含量升高, SOD、APX
和POD活性增加, CAT活性降低, 根尖边缘细胞存活率上升, 粘胶层相对面积变小。高浓度(60–80 μmol·L–1)H2S可抑制豌
豆胚根生长, 可溶性蛋白质含量和边缘细胞存活率明显下降, APX和POD活性降低, CAT活性升高, SOD活性没有明显变
化, 粘胶层相对面积变大; 边缘细胞染色体凝集并边缘化, 然后逐渐降解并伴随粉末化, 细胞质膜皱缩。因此, 推测H2S可
能在植物体内发挥着重要的生理作用。
关键词 外源H2S, 豌豆, 边缘细胞, 根尖, 信号分子
李东波, 肖朝霞, 刘灵霞, 王金成, 宋国力, 毕玉蓉 (2010). 外源硫化氢对豌豆根尖及其边缘细胞的影响. 植物学报 45,
354–362.
人类对硫化氢(H2S)的研究已有近300年的历史,
但过去的研究主要集中于其毒理方面(Reiffenstein et
al., 1992)。Abe和Kimura(1996)首次证明人体内源性
H2S作为一种神经活性物质而存在。Yang等(2008)证
实老鼠体内H2S气体具有调节血压和血管的功能。内
源H2S主要由多种酶(其中最主要的是胱硫醚-β-合成
酶(cystathionine-β-synthase, CBS)和胱硫醚-γ-裂解
酶(cystathionine-γ-lyase, CSE))催化半胱氨酸降解
生成; 另外, 还有少量H2S 可由体内硫元素非酶促
还原反应产生(戴鸿雁和凌亦凌, 2005)。在植物体内,
H2S主要通过亚硫酸盐还原酶还原HSO3–产生。在乙
烯合成过程中产生的HCN和L-半胱氨酸在L-3-氰丙
氨酸合成酶的作用下可产生H2S。H2S与O-乙酰-L-丝
氨酸在半胱氨酸合成酶的催化下可生成L-半胱氨酸
和乙酸。当前发现H2S具有类似NO的特征, 如小分子
量气体分子, 不通过受体发挥作用, 其生成受内源性
关键酶的调节, 生理浓度时有明确的特殊作用, 有明
确的细胞或分子作为靶位点。目前, H2S已成为继NO
之后又一个新的气体信号分子, 广泛存在于人体及动
物的各组织中(李艳兵等, 2008)。H2S作为信号分子的
研究已成为生物学研究的新热点之一(戴鸿雁和凌亦
凌, 2005)。
植物每天有成千上万个细胞从根冠表面脱落, 这
些细胞被称为根边缘细胞(root border cells, BC)。尽
管其源于根冠分生组织, 但与根细胞在蛋白质合成和
mRNA表达上有显著差异, 它们能特异性地合成并快
速向外分泌一系列具有生物活性的化学物质, 进而调
节根部微环境(Hawes et al., 2000; 徐根娣等, 2004)。
根边缘细胞多数呈椭圆形、杆状或弯曲的长条形, 细胞
长50–80 μm, 宽20–25 μm, 不同科植物每天脱落的根
边缘细胞数目不同, 但同一科植物其细胞数目较为稳定
且离体后仍能存活数天(Hawes and Pueppke, 1986)。
边缘细胞的产生和命运严格受内源和外界信号调节
(Zhao et al., 2000), 且正常边缘细胞的死亡通过细胞程
序性死亡完成(Wang et al., 1996)。因此, 边缘细胞是研
究植物细胞信号调节和程序性死亡的理想材料。
目前, 有关新型气体信号分子H2S在动物体内的
作用研究较多, 而在植物体内的作用研究较少。本文
重点研究了外源H2S对豌豆根尖及其边缘细胞的影响,
以期阐明H2S在植物体内作为一种内源效应分子发挥
·研究报告·
李东波等: 外源硫化氢对豌豆根尖及其边缘细胞的影响 355
作用提供植物生理学和细胞生物学方面的研究资料。
1 材料与方法
1.1 材料
豌豆(Pisum sativum Linn.)种子购自庆阳市种子公
司 , 品种为麻豌豆 (Pisum sativum Linn. ‘Spotted
colored pea’)。选择饱满且大小均匀的豌豆种子用
0.5%次氯酸钠消毒10分钟, 流水冲洗30分钟, 再用
去离子水冲洗3次, 然后在去离子水中浸泡1天, 使其
吸胀。采用悬空气培法在恒温(23°C)培养箱中培养豌
豆幼苗(Zhu et al., 2003), 待根长至2.5 cm以上时(此
时根尖附着大量边缘细胞)分离边缘细胞。
1.2 H2S处理边缘细胞
通过FeS与稀HCl (1:4, v/v)在启普发生器中反应制备
H2S, 用水洗除去少量酸气 , 然后再用去离子水将
H2S配制成20、40、60和80 μmol·L–1浓度梯度的H2S
溶液。每个处理随机剪取10个5 mm豌豆根尖放入盛
有5 mL不同浓度H2S溶液的试管(体积为20 mL)中,
密闭处理24小时, 以去离子水为对照。然后, 1 000 ×g
下离心5分钟(离心机为SIGMA 3K-30), 加入1 mL去
离子水, 用吸管吹打几次, 使边缘细胞充分散开, 即
为处理好的边缘细胞。
1.3 边缘细胞存活率测定与染色体染色
吸取上述处理好的边缘细胞30 μL悬液滴于载玻片上,
再吸取30 μL台盼蓝染液染色10分钟, 在40×显微镜
下观察并统计边缘细胞存活率, 其中死细胞为蓝色,
活细胞为无色(边缘细胞存活率=(活细胞个数/边缘细
胞总数)×100%)(冯英明等, 2005)。吸取不同处理下的
根尖边缘细胞, 用改良石碳酸品红染液染色, 常规压
片, 并利用显微成像系统(Olympus CX31-72C02)对
其进行拍照(钱晓薇, 2005)。每组处理设置3个重复。
1.4 边缘细胞粘胶层相对面积的测定
收集用不同浓度H2S处理的边缘细胞, 用印度墨汁染
色10分钟, 在40×显微镜下拍照, 再利用Miprd显微
图像分析软件测量含粘胶层边缘细胞的横截面面积
及边缘细胞横截面面积。粘胶层相对面积=(含粘胶层
边缘细胞的面积–边缘细胞的面积)/边缘细胞的面积
(冯英明等, 2005)。每组处理设置3个重复。
1.5 胚根根长的测定
将处于刚萌发露白的豌豆种子, 置于不同浓度的H2S
溶液中(根尖浸泡在溶液内), 每8小时更换1次溶液,
使H2S的浓度保持相对稳定, 在25°C恒温培养箱中培
养48小时, 然后测定豌豆胚根的根长(张和平和刘晓
楠, 1993)。每组处理重复3次。
1.6 可溶性蛋白质含量的测定
取除去边缘细胞的根尖(根尖长5 mm)0.5 g, 用含1%
(w/v)聚乙烯吡咯烷酮 (polyvinylpyrrolidone, PVP)
的磷酸钾缓冲液(50 μmol·L–1, pH7.8)抽提, 4°C下
12 000 ×g离心20分钟, 取上清; 沉淀再用含1%PVP
的磷酸钾缓冲液抽提, 离心后再抽提1次。合并上清,
按照Bradford(1976)的方法测定可溶性蛋白质含量
(以BSA为标准)。每组处理设置3个重复。
1.7 抗氧化酶活性测定
取除去边缘细胞的根尖(根尖长5 mm)0.5 g, 加入3
mL提取液(100 μmol·L–1磷酸钾缓冲液, 2 μmol·L–1
EDTA, 1%PVP, pH7.5)于4°C下研磨, 12 000 ×g离心
20分钟, 上清液为粗酶液。超氧化物歧化酶(super-
oxide dismutase, SOD)活性测定参照Giannopolitis和
Ries(1977)的方法; 过氧化氢酶(catalase, CAT)活性
测定参照Cakmak和Marschner (1992)的方法; 抗坏血
酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase, APX)活性测定
参照Nakano和Asada (1981)的方法 ; 过氧化物酶
(peroxidase, POD)活性测定参照Britton和Maehly
(1995)的方法。每组处理设置3个重复。
1.8 数据处理及分析
使用SPSS16.0分析软件进行数据处理并用ORIGIN-
6.0软件作图。
2 结果与讨论
2.1 外源H2S对豌豆胚根根长和根尖可溶性蛋白
质含量的影响
植物几大类激素与植物根系的生长发育有直接或间
接的关系(赵华等, 2006)。从图1A中可以看出, 不同
356 植物学报 45(3) 2010
浓度的外源H2S(60 μmol·L–1除外)对豌豆胚根根长的
影响均达到极显著水平(F=227.49, P<0.01)。邓肯氏
多重比较(α=0.05)结果显示: 当外源H2S浓度从0升
高至40 μmol·L–1时, 根长从3.25 cm逐渐增长至4.75
cm, 两者之间差异显著(P<0.05); 当H2S浓度为40
μmol·L–1时 , 根长最长 (4.75 cm)。H2S浓度从40
μmol·L–1继续增大到80 μmol·L–1时, 根长从4.75 cm
逐渐下降为3.00 cm, 下降趋势达到显著水平 (P<
0.05)。说明低浓度H2S可促进胚根生长而高浓度H2S
则抑制胚根生长。
此外, 不同浓度的外源H2S(20 μmol·L–1除外)对
豌豆根尖可溶性蛋白质含量的影响也均达到极显著



图1 不同浓度的外源H2S对豌豆胚根根长(A)和根尖可溶性蛋
白质含量(B)的影响
平均值±标准误由3个独立实验获得。图中不同字母表示处理间
差异显著(P<0.05)。

Figure 1 The effects of different concentration exogenous
H2S on the root length (A) and the content of soluble protein
in root tip (B) of Pisum sativum
Mean values ± SE were calculated from three independent
experiments. Data with different letters are significantly dif-
ferent (P<0.05).
水平(F=486.58, P<0.01)(图1B)。邓肯氏多重比较
(α=0.05)结果显示 : 当外源H2S浓度从0升高至40
μmol·L–1时, 可溶性蛋白质含量由32.5 mg·g–1FW增
加至37.5 mg·g–1FW, 两者差异显著 (P<0.05); 当
H2S浓度从40 μmol·L–1升高至80 μmol·L–1时, 可溶性
蛋白质含量由37.5 mg·g–1FW降至12.5 mg·g–1FW,
差异达显著水平(P<0.05)。这表明低浓度H2S可促进
豌豆根尖组织可溶性蛋白质含量升高; 而高浓度H2S
导致可溶性蛋白质含量急剧下降。
2.2 外源H2S对豌豆根尖组织抗氧化酶活性的影响
高等植物中有4种重要的抗氧化酶, 即APX、CAT、
POD和SOD。这些酶的活性变化对维持体内氧化还
原状态具有重要作用, 并且其活性受一系列环境因素
的影响和内源信号的调节。因而, 研究外源H2S对豌
豆根尖组织抗氧化酶的影响将有助于阐明在外源H2S
作用下根尖组织内氧化还原状态的变化(刘家忠和龚
明, 1999)。APX是以抗坏血酸为电子供体的H2O2清
除酶。不同浓度的外源H2S(20 μmol·L–1除外)对根尖
组织APX活性的影响均达到极显著水平(F=333.60,
P<0.01)(图2A)。邓肯氏多重比较(α=0.05)结果显示:
外源H2S浓度从0升高至40 μmol·L–1时, APX活性逐
渐增强且达到显著水平(P<0.05); 当H2S浓度为40
μmol·L–1时APX活性最高(2.5 OD290·mg–1·protein·
min–1), 而当H2S浓度高于40.0 μmol·L–1时, APX活性
随H2S浓度的升高而降低并达到显著水平(P<0.05)。
这表明低浓度H2S能够提高APX活性, 而高浓度H2S
则抑制APX活性。
CAT可使H2O2经歧化反应生成H2O和O2, 其活
性受生长条件的影响。不同浓度的外源H2S对豌豆根
尖CAT活性的影响均达到极显著水平(F=246.46, P<
0.01)(图2B)。邓肯氏多重比较(α=0.05)结果显示: 当
H2S浓度从0升高至40 μmol·L–1时, CAT活性逐渐下
降且达到显著水平(P<0.05), 从45.0 OD240·mg–1·pr-
otein·min–1逐渐下降至37.5 OD240·mg–1·protein·
min–1; 在40 μmol·L–1H2S处理下, CAT活性最低(37.5
OD240·mg–1·protein·min–1)。当H2S浓度从40 μmol·L–1
升高至80 μmol·L–1时, CAT活性逐渐升高, 从37.5
OD240·mg–1·protein·min–1升高至57.5 OD240·mg–1·
protein·min–1, 达到显著水平(P<0.05)。表明低浓度
H2S能够降低CAT活性, 高浓度H2S可升高其活性。
李东波等: 外源硫化氢对豌豆根尖及其边缘细胞的影响 357
POD作为植物细胞内重要的组成成分, 有多种
重要的生理功能。不同浓度的外源H2S对豌豆根尖


P O D活性的影响均达到极显著水平 ( F = 5 3 . 9 1 ,
P<0.01)(图2C)。邓肯氏多重比较(α=0.05)结果显示:
外源H2S浓度从0升高至40 μmol·L–1时, POD活性
从22.5 OD470·mg–1·protein·min–1升高到38.7 OD470·
mg–1·protein·min–1且达到显著水平(P<0.05), 升幅为
72%; 当H2S浓度为40 μmol·L–1时POD活性最高
(38.7 OD470·mg–1·protein·min–1), 而当H2S浓度从40
μmol·L–1升高到80 μmol·L–1时, POD活性从38.7
OD470·mg–1·protein·min–1降低至20.2 OD470·mg–1·
protein·min–1并达到显著水平(P<0.05), 降幅为
47.8%。表明低浓度外源H2S能够升高POD活性, 高
浓度外源H2S可抑制POD活性。
SOD是植物活性氧代谢中一种极为重要的酶,
它能歧化O2–·为H2O2 和O2并影响植物体内O2–·和
H2O2的浓度 , 从而在抗氧化酶系统中处于核心地
位。不同浓度的外源H2S对豌豆根尖组织SOD活性
的影响均达到显著水平(F=11.06, P<0.05)(图2D)。
邓肯氏多重比较(α=0.05)结果显示: 当外源H2S浓度
从0升高至40 μmol·L–1时, SOD活性显著上升(P<
0.05), 之后随着外源H2S浓度的继续升高(40–80
μmol·L–1), SOD活性由35 U·mg–1protein逐步上升至
40 U·mg–1 protein, 但40 μmol·L–1H2S与60 μmol·
L–1H2S处理之间以及60 μmol·L–1H2S与80 μmol·L–1
H2S处理之间的SOD活性无显著差异(P>0.05)。总体
上看, SOD活性随着H2S处理浓度的升高呈增加趋
势(P<0.05)。
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图2 不同浓度外源H2S对豌豆根尖组织抗氧化酶APX、CAT、
POD和SOD活性的影响
平均值±标准误由3个独立实验获得。不同字母表示处理间差异
显著(P<0.05)。(A)抗坏血酸过氧化物酶(APX); (B)过氧化氢酶
(CAT); (C)过氧化物酶(POD); (D)超氧化物歧化酶(SOD)

Figure 2 The effects of different concentration exogenous
H2S on activities of antioxidant enzymes in the root tip of
Pisum sativum
Mean values ± SE were calculated from three independent
experiments. Data with different letters are significantly dif-
ferent(P<0.05). (A) Ascorbate peroxidase(APX); (B) Cata-
lase(CAT); (C) Peroxidase(POD); (D) Superoxide dismutase
(SOD)
358 植物学报 45(3) 2010
2.3 外源H2S对边缘细胞存活率的影响
边缘细胞可分泌一系列化学物质, 以调节植物根部微
环境。其功能活性和命运受内源和外界信号调控, 因
此, 其存活率的变化对植物的生长发育具有重要影
响。从图3A可以看出, 不同浓度的外源H2S对边缘细
胞存活率的影响均达到极显著水平 (F=524.43,
P<0.01)。邓肯氏多重比较(α=0.05)结果显示: 用浓度
为20和40 μmol·L–1的外源H2S处理边缘细胞, 其存活
率分别为78.68%和70.82%, 与对照(57.45%)相比差
异显著(P<0.05); 而60和80 μmol·L–1H2S处理组的存
活率分别为18.55%和15.41%, 较对照明显下降且差
异显著(P<0.05)。表明低浓度外源H2S可提高边缘细
胞存活率, 而高浓度H2S则降低边缘细胞存活率。
2.4 外源H2S对边缘细胞粘胶层相对面积的影响
Hawes等(2000)研究发现边缘细胞能够分泌化学物
质, 且包被在其细胞外侧, 形成一个独立的区域, 这
些分泌物称为边缘细胞粘胶层, 主要由小分子蛋白、
氨基酸、糖类、花色素苷、酚类及类黄酮、抗生素、
过氧化物酶、半乳糖苷酶以及边缘细胞游离过程中产
生的一些细胞壁降解物质所组成。不同浓度的外源
H2S对根尖边缘细胞粘胶层相对面积的影响均达极显
著水平(F=178.61, P<0.01)(图3B)。邓肯氏多重比较
(α=0.05)结果显示: 随着H2S浓度的升高, 边缘细胞
粘胶层相对面积显著增大且均差异显著(P<0.05), 当
外源H2S浓度为20和40 μmol·L–1时, 边缘细胞粘胶层
的相对面积分别为0.78和1.20, 两者均小于对照组
(1.61)且差异显著(P<0.05); 而当H2S浓度为60和80
μmol·L–1时, 边缘细胞粘胶层相对面积分别为1.66和
1.94, 两者均高于对照组且差异显著(P<0.05)。表明
低浓度H2S可降低边缘细胞荚膜厚度, 而高浓度H2S
则能够显著增加边缘细胞荚膜厚度。
2.5 外源H2S对边缘细胞染色体的影响
染色体制片能很好地对单个细胞的凋亡进行定量, 并
能连续且细致地观察单个细胞的凋亡变化规律(宁顺
斌等, 2000)。图4显示, 对照组: 处于分裂前期的细胞
中, 染色质组装形成染色体, 染色体形态完好, 为规
则长条形, 散布在细胞核内(图4A); 细胞分裂后期,
染色体向纺锤体两极移动, 细胞有丝分裂与染色体形

图3 不同浓度外源H2S对豌豆根尖边缘细胞存活率(A)和粘胶
层相对面积(B)的影响
平均值±标准误由3个独立实验获得。不同字母表示处理间差异
显著(P<0.05)。

Figure 3 The effects of different concentration exogenous
H2S on the survival rate of root border cells (A) and the rela-
tive area of mucilage around detached root border cells (B) of
Pisum sativum
Mean values ± SE were calculated from three independent
experiments. Data with different letters are significantly dif-
ferent (P<0.05).

态均正常(图4B); 细胞有丝分裂前中期, 染色体向纺
锤体的赤道面移动(图4C)。高浓度H2S处理组: 细胞
核固缩凝集(图4D), 并分裂为两部分(图4E), 有的出
现单微核(图4F), 染色质逐渐粉末化并在细胞核边缘
大量凝集(图4G), 染色体逐渐断裂成碎片并呈分散状
分布(图4H), 染色质凝集成块, 向细胞四周扩散(图
4I), 整个细胞着色较深, 染色质降解后分布于整个细
胞内, 细胞质膜皱缩(图4J), 细胞核出芽(图4K), 染
色质粉碎成几部分并向细胞两极移动(图4L)。结果表
李东波等: 外源硫化氢对豌豆根尖及其边缘细胞的影响 359


图4 外源H2S对豌豆根尖边缘细胞染色体的影响
(A)–(C) 0 μmol·L–1H2S处理豌豆根尖边缘细胞横切面 (A) 细胞处于染色体分裂前期, 染色体形态完好; (B) 细胞处于有丝分裂后
期, 染色体移向纺锤体两极; (C) 细胞处于有丝分裂前中期, 染色体向纺锤体的赤道面移动; (D)–(L) 60和80 μmol·L–1H2S处理豌豆
根尖边缘细胞横切面 (D) 染色质固缩凝集; (E) 染色质固缩凝集, 并分裂为两部分; (F) 细胞核固缩凝集, 有单微核出现; (G) 染色
质逐渐粉末化并向细胞核边缘凝集; (H) 染色体逐渐断裂成碎片并分散分布于细胞中; (I) 染色质凝缩成块, 向细胞周围扩散; (J) 整
个细胞着色较深, 染色质降解后分布于整个细胞内，细胞质膜皱缩; (K) 细胞核出芽; (L) 染色质粉碎成几部分并向细胞两极移动。
箭头示变化的染色质。Bar=10 μm

Figure 4 The effects of exogenous H2S on the chromosomes of root border cells of Pisum sativum
(A)–(C) Transverse section of root border cells treated with 0 μmol·L–1H2S (A) Cells were in the mitosis prophase, the shape of
chromosomes remained intact, mitosis kept normal; (B) Cells were in the mitotic anaphase and chromosomes moved towards
the two poles of spindle; (C) Cells were in the mitotic metaphase and chromosomes moved towards equatorial face; (D)–(L)
Transverse section of root border cells treated with 60–80 μmol·L–1H2S (D) Chromatin was condensed; (E) Chromatin was con-
densed and separated into two parts; (F) Cells nucleus were condensed and single micronucleus appeared; (G) Chromatin
gradually powdered and agglutinated towards nuclear edge; (H) The degraded chromosomes distributed in the whole cell; (I)
Chromatin was condensed into blocks and moved towards cell edge; (J) Cells remain dark color and degraded chromatins were
distributed into the total cell, as well as plasma membrane condensed; (K) Nucleus budding occurred in the cell; (L) Chromatins
were separated into many parts and moved towards two poles of cell. The arrows indicate the change in chromatin. Bar=10 μm
360 植物学报 45(3) 2010
明高浓度H2S可能会促进边缘细胞凋亡。
2.6 讨论
内源H2S存在于哺乳动物的多种组织和器官中, 通过
多种调节方式和信号转导形式发挥各种生理与病理
作用, 故将H2S归为继NO之后的又一类内源性气体
信号分子(戴鸿雁和凌亦凌, 2005)。内源H2S中有1/3
以未溶解的H2S形式存在, 2/3以HS–形式存在, 并与
H2S保持动态平衡, 这既维持了H2S的稳定, 又保证
了内环境的酸碱度水平。
根系是植物感受外界和内部信号的敏感部位, 本
研究发现, 低浓度外源H2S可促进豌豆胚根伸长, 高
浓度H2S则抑制胚根伸长(图1A)。邵瑞鑫和上官周平
(2008)研究发现外源NO对小麦(Triticum aestivum)
根系生长具有一定的剂量效应, 即低浓度NO促进其
根系生长, 高浓度NO则抑制根系生长。陈世军和韦美
玉(2009)研究发现辣椒(Capsicum annuum)根长随
外源NO浓度增加表现出先促进后抑制的效应。本研
究结果与上述研究结果类似, 这可能与外源H2S影响
了根系的激素调控作用有关。植物体内大多数酶都以
可溶性蛋白的形式存在, 其含量变化在一定程度上反
映了细胞内酶系统的稳定性, 杨颖丽等(2009)研究发
现用外源NO供体硝普钠(sodium nitroprusside, SN-
P)处理白刺(Nitraria tangutorum)愈伤组织, 可促进
其可溶性蛋白质含量升高 , 但处理烟草(Nicotiana
tabacum)叶片使可溶性蛋白质含量降低。本实验结果
表明, 低浓度H2S可提高豌豆根尖可溶性蛋白质含
量, 而高浓度H2S则降低可溶性蛋白质含量(图1B),
表明低浓度H2S可能通过促进根尖细胞可溶性蛋白质
的合成, 刺激胚根的生长, 而高浓度H2S抑制其合成
代谢, 从而抑制胚根的生长。
此外, 陈世军和韦美玉(2009)研究发现低浓度
NO可促进辣椒叶片的SOD、CAT和POD活性, 当外
源NO浓度继续增大时, POD活性继续升高, SOD和
CAT活性却受到抑制。付士磊等(2004)研究表明, 外
源NO对杨树叶片POD的活性具有明显的浓度效应,
而对SOD的活性影响不大。杨颖丽等(2009)研究表明
低浓度外源NO可使白刺愈伤组织的POD活性下降,
而高浓度NO可使其POD活性升高; APX活性随着NO
浓度的升高呈递增的变化趋势; CAT活性则具有浓度
效应。信号分子NO影响植物抗氧化酶活性的研究报
道较多, 但不同的研究者得出的结论不同。本实验结
果与上述研究结果不尽相同, 究其原因, 可能是由于
外源处理及研究材料不同所致。本研究表明, 低浓度
的外源H2S可能通过提高APX、SOD和POD活性, 来
减轻根尖细胞内有害活性氧的水平, 促进根尖细胞的
生长和分化; 高浓度H2S则可能通过抑制APX和POD
活性, 导致有害活性氧的积累, 从而抑制根尖细胞的
生长(图2)。
植物细胞程序性死亡的特点是: 死亡细胞的残余
物被细胞壁固定在原位, 然后被自身液泡中的水解酶
消化(不被周围细胞吞噬), 染色体凝聚, DNA降解,
细胞质膜及液泡膜皱缩(Lam, 2004)。在高浓度外源
H2S处理下, 豌豆根尖边缘细胞染色体出现凝集、粉
末化并逐渐降解和消失, 细胞质膜出现皱缩现象, 表
明高浓度外源H2S可能具有促进根尖边缘细胞程序性
死亡的作用(图4), 这与动物体内H2S具有促进细胞凋
亡的结果相一致(Yang and Wang, 2007)。但低浓度
H2S能够提高边缘细胞的存活率(图3A), 表明低浓度
H2S可能抑制细胞程序性死亡。
根边缘细胞可调节根部生态环境, 抵御生物和非
生物胁迫造成的根尖伤害 (Hawes and Brigham,
1992; 邢承华等, 2008)。根边缘细胞通过分泌粘液调
节根尖生长过程中的外部环境, 保护植物或减轻铝对
植物的毒害作用(Wen et al., 2007)。Miyasaka和Ha-
wes(2001)研究发现铝毒刺激边缘细胞粘胶层的产生
和分泌, 并且随铝离子浓度的增加, 粘胶层增厚。本
实验结果与此类似, 低浓度外源H2S处理可导致边缘
细胞粘胶层相对面积减小, 而高浓度H2S处理则可诱
导边缘细胞粘胶层相对面积增大(图3B)。冯英明等
(2005)在研究铝对豌豆根边缘细胞存活率和粘胶层
厚度的影响时, 认为粘胶层的增厚主要是粘胶物质的
分泌和细胞降解产物所致。因此, 我们认为随着H2S
浓度的升高, 其对细胞的伤害作用增强, 边缘细胞为
减轻高浓度H2S的伤害而增加了其分泌物的分泌量,
这可能是导致粘胶层增厚的原因之一。
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362 植物学报 45(3) 2010
Effects of Exogenous Hydrogen Sulfide (H2S) on the Root Tip and
Root Border Cells of Pisum sativum
Dongbo Li1, 3, Zhaoxia Xiao1, Lingxia Liu1, Jincheng Wang2, Guoli Song4, Yurong Bi3, 4*
1Department of Life Science, Longdong University, Qingyang 745000, China; 2College of Life Science, Shaanxi Normal
University, Xi’an 710062, China; 3School of Life Science, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China; 4College of Life Sci-
ence and Environmental Sciences, Minzu University of China, Beijing 100081, China
Abstract To further study the effect of exogenous hydrogen sulfide (H2S) on the physiological character of the radicle
and its border cells of Pisum sativum, we investigated the variation in root tip and root border cells and other indexes after
H2S treatment at different concentrations. We measured root lengths, content of soluble protein in root tip tissues, anti-
oxidant enzyme activities (APX, CAT, POD and SOD), survival rate of root border cells, and relative area of the mucilage
layer. A low concentration of H2S (0–40 μmol·L–1) could increase the embryo root length of P. sativum; content of root tip
soluble protein; activity of SOD, APX and POD; and survival rate of root border cells. This concentration decreased the
activity of CAT and the relative area of the mucilage layer. When the concentration of H2S was increased from 60 to 80
μmol·L–1, embryo root length was reduced; content of soluble protein of root tips and survival rate of border cells were
rapidly reduced; and activity of APX and POD was gradually reduced; but CAT activity was significantly increased, with no
effect on SOD activity. Moreover, with improvement in relative area of the mucilage layer, the chromosomes of the root
border cells were gradually condensed, marginalized and degraded; furthermore, the plasma membrane was condensed.
Therefore, H2S might have an important role in the physiological process of plants.
Key words exogenous hydrogen sulfide, Pisum sativum, root border cells, root tip, signal molecule
Li DB, Xiao ZX, Liu LX, Wang JC, Song GL, Bi YR (2010). Effects of exogenous hydrogen sulfide (H2S) on the root tips
and root border cells of Pisum sativum. Chin Bull Bot 45, 354–362.
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* Author for correspondence. E-mail: biyr2003@yahoo.com.cn
(责任编辑: 孙冬花)