全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2016, 52 (4): 461–470　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.0607 461
收稿 2015-11-18　　修定 2016-03-31
资助 国家自然科学基金(31200206)和中国科学院西部之光项
目。
* 通讯作者(E-mail: linayin@nwsuaf.edu.cn)。
铝胁迫对水稻膜脂组分和含量的影响
王鑫月1,2, 张梅娟3, 熊炳霖1,2, 殷俐娜1,2,3,*, 王仕稳1,2,3, 邓西平1,2,3
1中国科学院水利部水土保持研究所, 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西杨陵712100; 2中国科学院大学,
北京100049; 3西北农林科技大学水土保持研究所, 陕西杨陵712100
摘要: 以‘日本晴’水稻为试验材料, 研究铝胁迫对水稻幼苗生长的影响, 及铝胁迫下其根系和功能叶片中脂质含量及组分的
变化。结果表明Al处理显著抑制了水稻根尖的伸长和生长, 降低了植株的生物量以及叶绿素含量。铝胁迫后, 半乳糖脂含
量变化显著, 根和叶中的单半乳糖甘油二酯(MGDG)和双半乳糖甘油二酯(DGDG)含量均降低; 而磷脂(PL)及硫代异鼠李糖
甘油二酯(SQDG)的含量在根中表现为上升, 在叶中则显著降低。此外, 根和叶中的脂肪酸不饱和度均降低。由此可见, 铝
胁迫引起水稻膜脂组分和含量的变化, 这种变化可能是铝抑制植物生长的重要原因之一。
关键词: 水稻; 铝胁迫; 细胞膜; 膜脂
铝是地壳中含量最高、分布最广的金属元素,
通常以难溶性硅酸盐或氧化铝形式存在, 对植物
没有毒害。但在酸性土壤中, 铝以有毒性的Al3+形
式存在, 达到一定浓度后会对大多数植物产生毒
害, 从而抑制植物的生长, 导致农作物的减产(Larsen
等1997)。水稻是世界上最主要的粮食作物之一,
全球约有13%的水稻产自于酸性土壤(Kochian等
2004), 而铝毒害是酸性土壤中限制植物生长及矿
物质吸收而导致减产的主要因子。虽然目前植物
抵御铝毒的机制尚未完全清楚, 但越来越多的研
究表明, 铝最初的作用位点是根尖, 抑制根的伸长
和生长, 降低植物的养分吸收效率(赵学强和沈仁
芳2015)。鲍学敏等(2015)的研究表明在铝胁迫下,
水稻的根系变短变粗、根表面积降低、根数量减
少, 且铝毒对水稻根系吸收钙、镁和锰有一定的
抑制作用。植物可以通过调节自身的生理生化反
应来缓解铝毒害, 诱导根分泌有机酸来螯合铝是
一些耐铝性植物抵御铝毒的主要生理机制之一(杨
亚军等2006)。已有研究发现, 生长素(IAA)可以促
进植物根系有机酸的分泌进而提高植物的耐铝性
(吴道铭等2014; 杨野等2010)。但是与其他作物相
比, 水稻(Oryza sativa)耐铝性相对较高, 仅有机酸
的分泌并不能解释其耐铝性高的原因(Maejima等
2014; Ma等2002)。
细胞膜是植物和外界环境接触的屏障, 是和
外界环境进行物质交换和信息交流的界面, 其结
构的稳定和功能的完整是细胞进行正常的生理功
能和新陈代谢的基础(庞士铨1990)。逆境伤害下
细胞膜的完整性和流动性遭到破坏, 从而使整个
植物细胞丧失基本功能(Zhao等2011)。植物通过
长期的进化, 寻找新的途径来减少逆境带来的损
伤, 改变膜脂的组成成分来适应逆境胁迫就是一
条重要的途径(Harwood 1996)。植物受到外界不
利因子的攻击时, 膜脂组分及膜脂肪酸不饱和度
都发生改变, 从而对水分和物质的吸收及运输产
生影响。近年来, 越来越多的学者致力于研究膜
脂组分的变化与植物对逆境响应之间的关系, 尤
其是半乳糖脂和磷脂含量及组分的变化(Chaffai等
2005)。Wang等(2014)发现提高烟草中半乳糖脂的
含量可以有效维持盐胁迫下叶绿体的结构和功能,
从而提高烟草的耐盐性。半乳糖脂和磷脂含量的
提高还能有效提高植株耐低磷胁迫的能力(史中惠
等2013)。
高等植物中主要的糖脂有单半乳糖甘油二酯
(monogalactosyldiacylglycerol, MGDG)和双半乳糖
甘油二酯(digalactosyldiacylglycerol, DGDG), 其含
量和比例(MGDG/DGDG)的变化均会影响生物膜
的结构和功能。如在拟南芥中, 在植株遭受低氮
胁迫时, MGDG合成基因MGD1的表达量显著升
高, MGDG:DGDG的比例却降低(Gaude等2007)。
Partelli等(2011)研究表明低温会诱导咖啡的叶绿
体膜中的脂质成分发生变化以维持脂肪酸的不饱
和度水平来适应低温环境。Zheng等(2011)发现植
物可以通过膜脂质的重塑和调整脂肪酸的不饱和
度来适应频繁的温度变化。糖脂和磷脂也是细胞
植物生理学报462
膜中重要的组成部分, 逆境胁迫下糖脂和磷脂的
组分也发生变化。Maejima等(2014)研究表明低磷
胁迫下水稻根的半乳糖脂含量会增加, 用以替代
减少的磷脂。史中惠(2013)研究发现 , 超表达
OsMGD烟草在铝胁迫下其根尖细胞膜受损程度显
著低于野生型, 且根系生长恢复明显快于野生型
植株, 说明半乳糖脂含量的提高有利于维持细胞
膜的稳定, 从而提高耐铝性。
铝胁迫可以诱导植物膜脂含量和组分的改变,
不同植物在不同的铝浓度胁迫下其膜脂的变化存
在差异(Huynh等2012; Chaffai等2005; Zhang等
1996)。由于铝胁迫主要发生在根尖组织, 以往的
研究主要集中在根中, 对于在铝胁迫下光合器官
中的膜脂变化及其和根中膜脂变化的关系的研究
还较少。因此, 本文以水稻品种‘日本晴’为材料,
研究铝毒害对水稻根系生长和光合器官的影响,
及其对膜脂的含量和组分的影响。重点探讨植物
根和叶对铝胁迫的响应的差异, 明确铝毒害对根
和叶片膜脂含量和组分的影响, 从而揭示水稻对
铝毒害的响应机制, 为提高水稻的抗逆能力和产
量提供理论依据。
材料与方法
1 材料及试验处理
以粳型常规水稻‘日本晴’ (Oryza sativa L. cv.
Nipponbare)为研究材料, 为耐铝性品种(褚绍尉等
2013), 由日本鸟取大学植物逆境生理与分子生物
学实验室提供。
选取饱满的水稻种子用70%乙醇浸泡30 s, 蒸
馏水洗一次后 , 再用2.5%次氯酸钠溶液摇晃25
min, 对种子表面进行消毒, 用蒸馏水洗净后, 转移
至蛭石中催芽5 d, 后将幼苗转移到泡沫板上采用
水培方法育苗。先在1/2营养液中培养10 d, 之后
再转入全营养液中预培养5 d。营养液配方参照
Yoshida等(1976) {氮(NH4NO3 0.5 mmol·L
-1)、镁
(MgSO4·7H2O 0.16 mmol·L
-1)、钙(CaCl2 0.36
mmol·L-1)、钾(K2SO4 0.23 mmol·L
-1)、硅(NaSi-
O3·9H2O 0.18 mmol·L
-1)、磷(NaH2PO4·2H2O 0.06
mmol·L-1)、锌(ZnSO4·7H2O 0.03 μmol·L
-1)、铜
(CuSO4·5H2O 0.04 μmol·L
-1)、铁(FeCl3·6H2O 7.40
μmol·L-1)、钼[(NH4)6·Mo7O24·4H2O 0.04 μmol·L
-1]、
锰(MnCl2·4H2O 2.53 μmol·L
-1)、硼(H3BO3 3.23
μmol·L-1)}, pH为4.5。培养好的水稻幼苗一半植株
转入含0 μmol·L-1 AlCl3·6H2O营养液中, 另一半植
株转入含100 μmol·L-1 AlCl3·6H2O营养液中处理48
h。实验过程中, 每处理设置4盆重复, 每个培养盆
中移栽12株水稻幼苗, 营养液体积为5 L, 每3 d更换
一次营养液。实验在人工气候室完成, 光照和黑暗
时间分别为14 h和10 h, 光照强度为600 μmol·m-2·s-1,
温度分别为25°C (白天)和20°C (夜晚)。
2 方法
2.1 初生根长和生物量
水稻幼苗根拉直后的最大长度作为初生根长,
用尺子测量其长度。生物量的测定为: 每处理各
取12株幼苗, 分地下和地上两部分, 根用蒸馏水洗
净后, 置于105°C杀青30 min, 于80°C烘干至恒重后
称重。
2.2 叶绿素含量
参考高俊凤(2006)方法, 采用80%丙酮溶液浸
提法测定。
2.3 磷(P)含量的测定
参考鲍士旦(2000)的H2SO4-H2O2消煮, 钒钼黄
比色法测定。取植物干样0.1g用浓H2SO4-H2O2消
煮至消煮液无色清亮, 洗入25 mL容量瓶后定容。
将定容后的消煮液吸取2 mL放入50 mL容量瓶, 加
适量二硝基酚指示剂(用NaOH中和)和10 mL钒钼
酸铵试剂, 定容后在440 nm处比色。同时制作P标
准曲线。
2.4 铝(Al)含量的测定
参考Zhan等(2014)、何斌和梁机(1996)的铬
天青S–溴化十六烷基三甲胺–乙醇法测定水稻幼
苗根及叶的铝含量。取新鲜根尖(0~1 cm)用去离
子水洗净后称重, 磨成粉末, 1.5 mL 2 mol·L-1 HNO3
浸泡24 h。用去离子水将提取液稀释5倍, 吸取1
mL至25 mL容量瓶中, 依次加入1 mL 0.1 mol·L-1
HNO3, 2 mL 0.05 mol·L
-1 CTMAB, 2 mL 0.05
mol·L-1 EDTA-Zn, 2 mL 0.05%铬天青S, 2 mL 40%
六亚甲基四胺, 定容。水浴25°C, 20 min后取出, 在
635 nm处比色。同时制作Al标准曲线。
2.5 细胞膜透性的测定
参考Singh等(2007)方法测定水稻幼苗根尖的
相对电解质外渗率。
王鑫月等: 铝胁迫对水稻膜脂组分和含量的影响 463
2.6 脂质的提取、分离及脂肪酸的测定
脂质的提取参考Wewer等(2013)的方法, 将提
取的脂质溶于500 μL氯仿, 并于–40°C保存。脂质
的分离参考Wang和Benning (2011)的单向薄层色谱
(TLC)方法, Merck硅胶板用0.15 mol·L-1 (NH4)2SO4
溶液活化, 所使用的展开液是丙酮/甲苯/水(91 mL:
30 mL:7.5 mL, 体积比), 薄层色谱所分离的脂质用
碘来染色。脂肪酸的定量测定采用欧诺气相色谱
法。用十五烷酸作为内参, N2吹干后的提取物用
60 μL正己烷溶解。气相色谱过程中使用的毛细管
柱是Inert Cap WAX, No.: 1010-67162, 分流比为
20:1, 温度梯度从160°C以8°C·min-1的速率递增至
240°C, 进样量为2 μL。脂肪酸双键指数(double
bond index, DBI)的计算根据Rawyler等(1999)的方
法, DBI =[∑(N×mol%脂肪酸)]/100, N指每个脂肪
酸分子的双键数, 即DBI=(0×mol% 16:0+1×mol%
16:1+0×mol% 18:0+1×mol% 18:1+2×mol%
18:2+3×mol% 18:3)/100。
3 数据处理
采用SPSS19软件进行数据统计分析, 用最小
显著差异法(LSD)进行单因素方差分析, 显著性水
平为P<0.05。SigmaPlot 12.0制图。
实验结果
1 铝胁迫对水稻初生根长和生物量的影响
铝对植物最显著的伤害是抑制根尖细胞的伸
长和分裂, 从而导致根伸长受到抑制。Al胁迫下, 水
稻的初生根长显著降低(图1-A), 且根尖发黑并呈现
不同程度的卷曲, 表明根的生长受到了Al3+的影响。
生物量是衡量植物逆境环境生长的重要指标。
如图1-B~D所示, 在Al胁迫下, 水稻的生长延缓, 表
现为水稻幼苗的地下部生物量、地上部生物量及
总生物量都显著降低, 与正常生长情况相比, 分别
下降了18.3%、13.2%和13.7% (P<0.05)。
2 铝胁迫对水稻叶片叶绿素含量的影响
整个实验中, 观察水稻幼苗的生长过程, 可以
图1 铝处理48 h后对水稻初生根长和生物量的影响
Fig.1 Effect of Al on the primary root length and biomass of rice plant after 48-h Al treatment
不同字母表示同种生理指标处理间在0.05水平存在显著性差异, 下图同此。
植物生理学报464
发现水稻叶片的颜色在Al胁迫下与对照相比变得
淡绿。如图2所示, Al胁迫下水稻叶片的叶绿素含
量显著降低, 叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素的含量
分别下降了24.9%、25.4%和25% (P<0.05), 而叶绿
素a/b的值却无差异, 说明Al胁迫对叶绿素a和叶绿
素b的抑制程度是相近的。
3 铝胁迫下水稻不同部位的Al、P含量
Al胁迫下, 水稻根尖的Al积累量显著增加, 处
理后的根尖Al含量是对照的2.99倍, 而在叶片中差
异不显著。而叶片和根中P含量的变化各不相同,
Al处理后叶片中P含量降低了26.9% (P<0.05), 而根
中P的含量增加了25.7% (P<0.05) (图3)。
4 铝胁迫对水稻根相对电解质外渗率的影响
相对电解质外渗率可以反映细胞膜的破坏程
度, 相对电解质外渗率越高表明细胞膜受到的破
坏越大, 膜的透性越大。如图4所示, Al处理48 h后,
图2 铝处理48 h后对水稻叶片叶绿素含量的影响
Fig.2 Effect of Al on chlorophyll contents of rice plant after 48-h Al treatment
图3 铝处理48 h后水稻幼苗叶片和根中铝(A、B)和磷(C、D)的含量
Fig.3 Contents of aluminum (Al) and phosphorus (P) in leaves (A, C) and roots (B, D)
of rice plant were measured after 48-h Al treatment
王鑫月等: 铝胁迫对水稻膜脂组分和含量的影响 465
根尖相对电解质外渗率比对照增加了24.6% (P<
0.05), 表明铝处理下水稻根的细胞膜遭到铝离子攻
击, 细胞膜的完整性遭到破坏, 且膜的透性变大。
5 铝胁迫对水稻膜脂含量和组成成分的影响
铝胁迫对水稻的磷脂和半乳糖脂的合成都有
一定的影响。如图5所示 , Al胁迫下水稻叶中
(PL+SQDG)、MGDG和DGDG的含量都显著降低,
分别下降了45.9%、64.1%和51.9% (P<0.05); 同时,
水稻根中DGDG的含量也显著降低, 下降了19.2%
(P<0.05), MGDG的含量没有显著性变化, 而(PL+
SQDG)的含量却显著性增加, 增加了18.5% (P<
0.05)。以上结果表明, 铝胁迫对水稻的叶和根中
对半乳糖脂的合成都出现了一定程度的抑制作用,
对磷脂的影响在根和叶中呈现相反的变化。
对水稻根和叶片膜脂中的半乳糖脂和磷脂的
脂肪酸成分分析发现, 根和叶的MGDG、DGDG以
及PL+SQDG的C16:0和C18:0有上升趋势或显著上
升, 而C18:2和C18:3则有降低趋势或显著降低(图
6)。脂肪酸双键指数(double bond index, DBI)可进
一步反映膜的流动性和通透性。如图7所示, 除了
根中DGDG的DBI显著增加以外, 其他的根和叶中
的半乳糖脂和磷脂的DBI都呈现降低趋势或显著
降低。以上结果表明, 铝毒导致细胞膜的饱和脂肪
酸含量上升而不饱和脂肪酸含量下降, 破坏了细胞
膜的流动性, 损坏膜的结构和功能, 从而影响水稻
的生长发育。
讨　　论
植物铝毒害最先发生的症状是铝在根尖累积,
导致根尖受损, 根伸长受到抑制, 进而影响植物对
物质的吸收和运输, 导致植物的生长受到显著抑
制(师瑞红2007)。地下部和地上部生物量的显著
降低表明, 铝毒害导致水稻幼苗根系功能受损, 破
坏了根对水分和养分的吸收和转运, 进而抑制了
水稻茎叶的生长。前人研究表明植物遭受铝胁迫
时, 铝离子结合到根表面的根尖分生区进而产生
活性氧, 破坏根分生组织的细胞分裂, 对细胞膜产
生氧化伤害, 破坏膜的完整性, 进而抑制根伸长,
从而导致植物对水分和养分吸收障碍和生长抑制
(Doncheva等2005; Kochian 1995)。本研究结果表
明, 铝胁迫下, 水稻根中铝含量大幅上升, 根尖发
图4 铝处理48 h后对水稻根系相对电解质外渗率的影响
Fig.4 Effect of Al on root membrane electrolyte leakage of
rice plant after 48-h Al treatment
图5 铝处理48 h后对水稻叶片(A)和根(B)中脂质含量的影响
Fig.5 Effect of Al on the contents of galactolipids and
phospholipids in leaves (A) and roots (B) of rice
plant after 48-h Al treatment
MGDG: 单半乳糖甘油二酯; DGDG: 双半乳糖甘油二酯;
PL+SQDG: 磷脂和硫代异鼠李糖甘油二酯。
植物生理学报466
黑且卷曲, 主根和侧根都变得短粗, 初生根伸长显
著降低, 根系相对电解质外渗率显著增大, 表明水
稻的根在铝毒作用下, 其细胞膜透性增大, 膜的结
构和完整性遭到破坏。王芳等(2006)的实验结果
也表明铝处理下的荞麦根细胞分裂和伸长受阻,
根短而粗, 根系活力显著受到抑制, 膜透性增加,
电解质外渗增加, 细胞受损, 代谢紊乱。
我们的研究结果还表明铝胁迫下水稻根和叶
中的半乳糖脂及磷脂含量明显改变, 组分比例也
发生变化, 从而说明铝毒害会导致水稻膜脂组成
成分及含量发生变化。半乳糖脂和磷脂是细胞膜
的主要组成成分, 铝胁迫会引起半乳糖脂和磷脂
含量的变化(Maejima等2014; Chaffai等2005), 不同
的植物其膜脂变化对铝毒的响应存在一定的差
异。Chaffai等(2005)发现100 μmol·L-1 Al处理4 d后,
玉米根部的总脂质含量显著降低, 而磷脂的含量
却显著增加, 我们的结果与之相同。Zhao等(2011)
等发现铝处理后拟南芥(野生型)植株中的半乳糖
脂含量显著降低。Huynh等(2012)的研究表明铝可
以通过降低半乳糖脂合成酶(MGDA、DGD1)以及
一些磷脂合成酶(PGPS、PSS1、CCT)的表达来限
制植物组织重新合成脂质的能力, 从而阻碍植物
图6 铝处理48 h后对水稻叶片(A、C、E)和根(B、D、F)中主要脂质的脂肪酸组成成分的影响
Fig.6 Effects of Al treatments on the fatty acids composition (mol%) in the main lipid classes
in leaves (A, C, E) and roots (B, D, F) of rice plant after 48-h Al treatment
王鑫月等: 铝胁迫对水稻膜脂组分和含量的影响 467
是衡量膜的流动性的一个重要指标。何龙飞等
(2001)研究指出耐铝小麦品种‘Altas 66’膜脂DBI稳
定并略有上升, 而铝敏感品种‘Scout 66’膜脂DBI降
低, 表明铝敏感品种的膜的流动性下降, 由此说明
膜脂组成的变化会影响植物的抗铝能力。
磷是植物生长发育的必需元素之一, 磷脂的
水平对细胞膜的结构和功能至关重要。由于硫代
异鼠李糖甘油二酯(sulfoquinovosyldiacylglycerol,
SQDG)在植物中的含量很低, 在水稻叶和根中占
总脂质的含量小于5% (Li等2011; Shimojima 2011;
Rizov和Doulis 2001), 且在薄层层析分离脂质过程
中, 我们无法完全把SQDG和PL分离开, 所以在本
研究中考虑到SQDG所占比侧很低, 因此这部分含
量的变化被认为主要是由磷脂引起的。在铝胁迫
下, 根中铝和磷的含量上升, 而对应的总半乳糖脂
含量下降, 磷脂含量上升。说明在铝胁迫下, 植物
根吸收较多的磷用以提高根中磷脂的含量, 这是
植物自身对铝胁迫的一种响应机制。细胞膜的磷
脂双分子层的磷酸基团带负电, 因此在遭到Al3+的
攻击时, 细胞膜中的磷脂含量会应激性的增加, 用
来结合Al3+, 以减少Al3+向茎叶的转运, 而增加吸收
的磷可以用于合成更多磷脂 , 来维持膜的完整
性。膜脂的不饱和度表征膜的流动性, 由实验结
果可知, 铝处理后水稻中半乳糖脂和磷脂的DBI均
下降, 说明铝胁迫降低了膜的流动性。在水稻根
中DGDG的含量显著降低而MGDG的含量无显著
性差异, MGDG/DGDG从0.84增加至0.98。DGDG
会影响膜的渗透性, 降低膜双分子层的稳定性和
膜结合蛋白的活性。已有研究报道, 膜囊泡中的
DGDG能增大膜对Rb+的渗透性, 因此, 维持一个较
低的DGDG水平能降低膜对离子的渗透性, 从而降
低铝诱导的膜的完整性的破坏(Sasaki等1994)。由
此可见, 本研究中水稻根中双半乳糖甘油二酯含
量的降低和磷脂含量的增加是水稻根对铝毒害的
一种适应机制。此外, 植物不同膜系统的脂质含
量在铝胁迫下的变化不尽相同。Zhang等(1996)实
验指出在50 μmol·L-1 Al处理3 d后, 根尖分离的微
粒体膜的磷脂含量下降, MGDG含量增加, 但耐铝
性小麦的DGDG含量略微下降。何龙飞等(1999)
指出100 μmol·L-1 Al处理后, 根液泡膜中磷脂含量
下降而糖脂含量增加, 糖脂含量的增加有利于稳
中MGDG、DGDG和PL的合成。研究发现, 耐铝
植物的膜脂质的变化与铝敏感植物的膜脂的变化
不同, 铝敏感植物的膜脂含量及脂肪酸不饱和度
降低的程度更大。Zhang等(1996)发现50 μmol·L-1
Al处理3 d后, 耐铝性小麦品种的MGDG含量增加
而DGDG含量略微下降 , 而铝敏感小麦品种的
DGDG含量显著增加, 此外, MGDG/DGDG的值在
耐铝品种中显著增加而在铝敏感品种中降低, 表
明糖脂含量的变化与铝胁迫相关。近年来, Huynh
等(2012)研究发现在铝胁迫下, 铝耐受型水稻中
MGDG和DGDG含量无显著变化, 而铝敏感型水稻
中MGDG和DGDG含量显著降低。因此, 耐受型水
稻可能通过维持膜脂成分的稳定来维持膜的功能,
从而减缓铝毒害, 说明铝胁迫可以显著影响植物
体内糖脂和磷脂的合成, 而且植物的耐铝性与膜
脂的合成能力呈正相关关系。此外, 脂肪酸的DBI
图7 铝处理48 h后水稻叶片(A)和根(B)中半乳糖脂和磷脂
的DBI
Fig.7 DBI of galactolipids and phospholipids in leaves (A)
and roots (B) of rice plant after 48-h Al treatment
植物生理学报468
定脂类和蛋白质之间的相互作用, 这与其在根细
胞质膜中的变化类似(何龙飞等 2001)。Chaffai等
(2005)对铝处理后玉米的根膜脂的研究表示, 总脂
及磷脂含量降低, 而MGDG含量增加。本研究中,
铝胁迫后根中DGDG的含量降低, 同时PL的含量
增加, 这都有利于维持细胞膜的完整性, 从而表明
水稻根中膜脂含量和组成的这种变化是一种对铝
胁迫的适应机制。
本研究中在铝胁迫下水稻叶片中半乳糖脂和
磷脂含量是降低的。石贵玉(2004)、刘东华和蒋
梧生(1995)、van Assche和Clijsters (1990)等推测,
叶片Al3+抑制了原叶绿素酸酯还原酶活性, 破坏了
叶绿素的合成引起叶绿体内的类囊体降解, 从而
导致叶绿素含量的降低。而在本研究中, 铝胁迫
下叶片中的铝含量未见显著增加, 说明其对叶绿
素的影响不是直接通过铝起作用的。考虑到在叶
片中半乳糖脂和磷脂主要存在于叶绿体中, 对叶
绿体中内囊体膜的结构起重要作用, 而叶绿素蛋
白镶嵌于内囊体膜上, 而膜结构的变化对叶绿素
蛋白有重大影响, 所以本研究中叶绿素含量的降
低可能是由于半乳糖脂和磷脂含量的降低而引起
的。在本研究中, 水稻根中磷脂含量是增加的, 叶
片中磷脂含量是减少的, 相应的根中的磷含量是
增加, 而叶片中的磷含量是降低的, 所以叶片中磷
脂的降低可能是由于铝胁迫下磷的重新分配导致
的。而关于铝胁迫下叶片中半乳糖脂的减少前人
虽也有报道 , 但对其减少的原因并未做深入探
究。本研究由于手段的限制, 叶片中糖脂降低的
原因也未能深入探讨。我们推测有以下两个原因
可能导致半乳糖脂含量的降低: 在铝胁迫下铝毒
害破坏了水稻根系对水分和养分的吸收, 导致水
稻叶片的光合能力下降, 植物对糖的合成能力受
阻, 从而导致半乳糖脂合成的减少。另外合成的
半乳糖脂是否可以在植物体内长距离运输, 从叶
中转运到根部需要进一步研究。
综上所述, 膜脂含量和组分的调节以及脂肪
酸不饱和度的改变是植物响应铝离子毒害的重要
手段。铝毒会影响水稻根中的脂质含量和组成, 降
低脂肪酸的不饱度, 破坏膜的流动性, 增大膜的渗
透性, 从而破坏膜的结构和功能, 阻碍水稻的生长
发育。同时, 通过影响叶中的膜脂含量和组分, 进
而影响光合功能。而在逆境胁迫下, 膜脂的重塑功
能可以有效保持细胞膜结构和功能的完整性, 缓解
不利因子对植物的伤害, 维持良好的生长发育。
参考文献
Bao SD (2000). Soil and Agricultural Chemistry Analysis. Beijing:
Chinese Agricultural Press, 268–270 [鲍士旦(2000). 土壤农化
分析. 北京: 中国农业出版社, 268–270]
Bao XM, Zhao XQ, Xiao ZY, Zheng CL, Shen RF (2015). Effects
of aluminum on the root growth and nutrient uptake of two rice
varieties with different aluminum tolerances. Plant Physiol J,
51 (12): 2157–2162 (in Chinese with English abstract) [鲍学
敏, 赵学强, 肖作义, 郑春丽, 沈仁芳(2015). 铝对不同耐铝水
稻品种根系生长和养分吸收的影响. 植物生理学报, 51 (12):
2157–2162] 　
Chaffai R, Marzouk B, Ferjani E (2005). Aluminum mediates com-
positional alterations of polar lipid classes in maize seedlings.
Phytochemistry, 66: 1903–1912
Chu SW, Wang L, Liu GF, Liu XD, Lu YG, Fu XL (2013). Aluminum
tolerance identification and QTL mapping in Oryza rufipogon
indigenous to Gaozhou. Acta Agr Boreali-Sin, 28 (3): 12–18 (in
Chinese with English abstract) [褚绍尉, 王林, 刘桂富, 刘向东,
卢永根, 傅雪琳(2013). 广东高州普通野生稻耐铝性及其QTL
定位. 华北农学报, 28 (3): 12–18]
Doncheva S, Amenós M, Poschenrieder C, Barceló J (2005). Root cell
patterning: a primary target for aluminum toxicity in maize. J
Exp Bot, 56: 1213–1220
Gao JF (2006). Experimental Guidance for Plant Physiology. Beijing:
Higher Education Press, 74–77 [高俊凤(2006). 植物生理学实
验指导. 北京: 高等教育出版社, 74–77]
Gaude N, Bréhélin C, Tischendorf G, Kessler F, Dŏrmann P (2007).
Nitrogen deficiency in Arabidopsis affects galactolipid compo-
sition and gene expression and results in accumulation of fatty
acid phytyl esters. Plant J, 49: 729–739
Harwood JL (1996). Recent advances in the biosynthesis of plant fatty
acids. Biochim Biophys Acta, 1301: 7–56
He B, Liang J (1996). High sensitive spectrophotometric determina-
tion of aluminum in plant and soil water with chrome azurol S–
hexadecyl trimethyl ammonium bromide-ethanol. J Guangxi
Agric Univ, 15 (2): 151–155 (in Chinese) [何斌, 梁机(1996). 铬
天青S–溴化十六烷基三甲铵–乙醇高灵敏分光光度法测定植
物和土壤水中铝. 广西农业大学学报, 15 (2): 151–155]
He LF, Liu YL, Shen ZG, Wang AQ (2001). Effects of aluminum on
ATPase activity and lipid composition of plasma membranes of
wheat roots. Sci Agric Sin, 34 (5): 465–468 (in Chinese with En-
glish abstract) [何龙飞, 刘友良, 沈振国, 王爱勤(2001). 铝对小
麦根细胞质膜ATP酶活性和膜脂组成的影响. 中国农业科学,
34 (5): 465–468]
He LF, Shen ZG, Liu YL (1999). The responses of ATPase and PPase
activities and lipid composition of tonoplast in roots of two
wheat cultivars to aluminium stress. Acta Phytop Sin, 25 (4):
350–356 (in Chinese) [何龙飞, 沈振国, 刘友良(1999). 铝胁迫
对小麦根系液泡膜 ATP 酶、焦磷酸酶活性和膜脂组成的效
王鑫月等: 铝胁迫对水稻膜脂组分和含量的影响 469
应. 植物生理学报, 25 (4): 350–356]　
Huynh VB, Repellin A, Zuily-Fodil Y, Pham-Thi AT (2012). Alumi-
num stress response in rice: effects on membrane lipid compo-
sition and expression of lipid biosynthesis genes. Physiol Plant,
146: 272–284
Kochian LV (1995). Cellular mechanisms of aluminum toxicity and
resistance in plants. Annu Rev Plant Mol Biol, 46: 237–260
Kochian LV, Hoekenga OA, Pieros MA (2004). How do crop plants
tolerate acid soils? Mechanisms of aluminum tolerance and
phosphorous efficiency. Annu Rev Plant Biol, 55: 459–493
Larsen PB, Stenzler LM, Tai CY, Degenhardt J, Howell SH, Kochian
LV (1997). Molecular and physiological analysis of Arabidopsis
mutants exhibiting altered sensitivities to aluminum. Plant Soil,
192: 3–7
Li CL, Wang YQ, Liu LC, Hu YC, Zhang FX, Mergen S, Wang GD,
Schläppi MR, Chu CC (2011). A rice plastidial nucleotide sugar
epimerase is involved in galactolipid biosynthesis and improves
photosynthetic efficiency. PLoS Gene, (7): e1002196
Liu DH, Jiang WS (1995). Toxic effects of aluminum on plants. Chin
Bull Bot, 12 (1): 24–32 (in Chinese) [刘东华, 蒋梧生(1995). 铝
对植物的毒害. 植物学通报, 12 (1): 24–32]
Ma JF, Shen RF, Zhao ZQ, Wissuwa M, Takeuchi Y, Ebitani T, Ma-
sahiro Y (2002). Response of rice to Al stress and identification
of quantitative trait loci for Al tolerance. Plant Cell Physiol, 43:
652–659
Maejima E, Watanabe T, Osaki M, Wagatsuma T (2014). Phosphorus
deficiency enhances aluminum tolerance of rice (Oryza sativa)
by changing the physicochemical characteristics of root plasma
membranes and cell walls. J Plant Physiol, 171: 9–15
Pang SQ (1990). Plant Stressed Physiology. Harbin: Northeast Forest-
ry University Press, 60–78 [庞士铨(1990). 植物逆境生理学基
础. 哈尔滨: 东北林业大学出版社, 60–78]
Partelli FL, Batista-Santosb P, Scotti-Camposc P, Pais IP, Quartin VL,
Vieirad HD, Ramalho JC (2011). Characterization of the main
lipid components of chloroplast membranes and cold induced
changes in Coffea spp. Environ Exp Bot, 74: 194–204
Rawyler A, Pavelic D, Gianinazzi C, Oberson J, Braendle R (1999).
Membrane lipid integrity relies on a threshold of ATP production
rate in potato cell cultures submitted to anoxia. Plant Physiol,
120: 293–300
Rizov I, Doulis A (2001). Separation of plant membrane lipids by
multiple solid-phase extraction. J Chromat A, 922: 347–354
Sasaki M, Kasai M, Yamamoto Y, Matsumoto H (1994). Comparison
of the early response to aluminum stress between tolerant and
sensitive wheat cultivars: root growth, aluminum content and
efflux of K+. J Plant Nutr, 17: 1275–1288
Shi GY (2004). Effect of Aluminum on growth and some physiologi-
cal function of rice seedlings. Guihaia, 24 (1): 77–80 (in Chinese
with English abstract) [石贵玉(2004). 铝对水稻幼苗生长和生
理的影响. 广西植物, 24 (1): 77–80]
Shi RH (2007). Physiological characterization of rice seedlings
responding to aluminum stress (Master’s thesis). Wuhan:
Huazhong Agricultural University [师瑞红(2007). 水稻幼苗适
应铝胁迫的生理特性研究. 武汉: 华中农业大学(硕士论文)]
Shi ZH (2013). Overexpression OsMGD in tobacco enhances the tol-
erance to multiple stresses (Master’s thesis). Yangling, Shaanxi:
Northwest A&F University [史中惠(2013). 超表达单半乳糖甘
油二酯合成酶基因OsMGD提高烟草耐多种逆境的能力. 陕西
杨凌: 西北农林科技大学(硕士论文)]
Shi ZH, Wang SW, Yin LN, Zhang MJ, Deng XP (2013). Tolerance
of tobacco plants with OsMGD gene to low phosphorus stress. J
Northwest A & F Univ (Nat Sci Edn), 41 (10): 97–104 (in Chi-
nese with English abstract) [史中惠, 王仕稳, 殷俐娜, 张梅娟,
邓西平(2013). 超表达水稻MGD基因(OsMGD)烟草植株的耐
低磷胁迫能力. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 41 (10):
97–104]
Shimojima M (2011). Biosynthesis and functions of the plant sulfolip-
id. Prog Lipid Res, 50: 234–239
Singh HP, Batish DR, Kohli RK, Arora K (2007). Arsenic-induced
root growth inhibition in mung bean (Phaseolus aureus Roxb.)
is due to oxidative stress resulting from enhanced lipid peroxida-
tion. Plant Growth Regul, 53: 65–73
van Assche F, Clijsters H (1990). Effects of metal on enzyme activity
in plants. Plant Cell Environ, 13: 195–206
Wang F, Liu P, Xu GD, Luo LL (2006). Effects of aluminum amount
in soil on the root growth of buckwheat. Guihaia, 26 (3): 321–
324 (in Chinese with English abstract) [王芳, 刘鹏, 徐根娣, 罗
丽兰(2006). 铝对荞麦根系的影响. 广西植物, 26 (3): 321–324]
Wang SW, Uddin MI, Tanaka K, Yin LN, Shi ZH, Qi YH, Mano J,
Matsui K, Shimomura N, Sakaki T, et al (2014). Maintenance of
chloroplast structure and function by overexpression of the rice
MONOGALACTOSYLDIACYLGLYCEROL SYNTHASE gene
leads to enhanced salt tolerance in tobacco. Plant Physiol, 165:
1144–1155
Wang Z, Benning C (2011). Arabidopsis thaliana polar glycerolipid
profiling by Thin Layer Chromatography (TLC) coupled with
Gas-Liquid Chromatography (GLC). J Vis Exp, (49): e2518
Wewer V, Dörmann P, Hölzl G (2013). Analysis and quantification
of plant membrane lipids by thin-layer chromatography and gas
chromatography. Methods Mol Biol, 1009: 69–78
Wu DM, Cao HP, Shen H (2014). Response of auxin and its trans-
porter to aluminum stress in plants. Plant Physiol J, 50 (8):
1135–1143 (in Chinese with English abstract) [吴道铭, 曹华苹,
沈宏(2014). 生长素及其运输蛋白对植物铝胁迫的响应. 植物
生理学报, 50 (8): 1135–1143]
Yang Y, Wang QL, Geng MJ, Guo ZH, Zhao ZQ (2010). Effect of
auxin on Al-induced malic acid efflux in wheat with differential
Al tolerance. Sci Agric Sin, 43 (10): 2016–2022 (in Chinese
with English abstract) [杨野, 王巧兰, 耿明建, 郭再华, 赵竹青
(2010). 生长素对铝胁迫下不同耐铝性小麦根苹果酸分泌的
影响. 中国农业科学, 43 (10): 2016–2022]
Yang YJ, Guo LQ, Yang CW, Shi DC (2006). Physiologic mechanism
of aluminum tolerance in plants. Plant Physiol Commun, 42 (2):
319–325 (in Chinese) [杨亚军, 郭立泉, 杨春武, 石德成(2006).
植物耐铝的生理机制. 植物生理学通讯, 42 (2): 319–325]
Yoshida S, Forno DA, Cock JH (eds) (1976). Laboratory Manual for
Physiological Studies of Rice. 3rd ed. Manila: International Rice
Research Institute
植物生理学报470
Effects of aluminum stress on the composition and content of membrane lipids
in rice (Oryza sativa)
WANG Xin-Yue1,2, ZHANG Mei-Juan3, XIONG Bing-Lin1,2, YIN Li-Na1,2,3,*, WANG Shi-Wen1,2,3, DENG Xi-Ping1,2,3
1State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Chi-
nese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China; 2University of Chinese Academy of
Science, Beijing 100049, China; 3Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100,
China
Abstract: The presence of aluminum (Al) in acidic soils is a major abiotic stress limiting the production of
crops. The objective of this study was to evaluate the effects of Al on membrane lipid composition and content
in the roots and shoots of rice (Oryza sativa L. cv. Nipponbare) plants grown under hydroponic conditions. Af-
ter exposed to 100 μmol·L-1 Al (pH 4.5) for 48 hours, the growth of root tips was inhibited and the biomass of
shoots and roots was decreased significantly. Meanwhile, Al treatment also caused a decrease in chlorophyll
content. The lipid analysis showed that the levels of galactolipids, including monogalactosyldiacylglycerol
(MGDG) and digalactosyldiacylglycerol (DGDG) were decreased under Al treatment in both roots and leaves.
Additionally, the contents of phospholipids (PL) and sulfoquinovosyldiacylglycerol (SQDG) were also changed
under Al stress. Al also caused a decrease in membrane fluidity since the double bond index in galactolipids and
phospholipids were decreased. Taken together, the lipid content and composition were changed significantly un-
der Al stress in rice, and this change may lead to the decrease in membrane fluidity and increase in membrane
permeability, which lead to damages in membrane structure and function, and finally inhibit plant growth.
Key words: rice (Oryza sativa L. cv. Nipponbare); Al stress; cell membrane; membrane lipid
Received 2015-11-18 Accepted 2016-03-31
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 31200206) and West Light Foundation of the Chinese
Academy of Sciences.
*Corresponding author (E-mail: linayin@nwsuaf.edu.cn).
Zhan J, Li W, He HY, Li CZ, He LF (2014). Mitochondrial alterations
during Al-induced PCD in peanut root tips. Plant Physiol Bioch,
75: 105–113
Zhang GC, Slaski JJ, Archambault DJ, Taylor GJ (1996). Alumi-
num-indiuced alterations in lipid composition of microsomal
membranes from an aluminum-resistant and an aluminum-sensi-
tive cultivar of Tritieum aestivum. Physiol Plant, 96: 683–691
Zhao J, Wang CX, Bedair M, Welti R, Sumner LW, Baxter I, Wang
XM (2011). Suppression of phospholipase Dγs confers increased
aluminum resistance in Arabidopsis thaliana. PLoS One, 6 (12):
e28086
Zhao XQ, Shen RF (2015). Strategies for increasing the utilization of
nitrogen and phosphorus by plants under aluminum stress. Plant
Physiol J, 51 (10): 1583–1589 (in Chinese with English abstract)
[赵学强, 沈仁芳(2015). 提高铝毒胁迫下植物氮磷利用的策略
分析. 植物生理学报, 51 (10): 1583–1589]
Zheng GW, Tian B, Zhang FJ, Tao FQ, Li WQ (2011). Plant adapta-
tion to frequent alterations between high and low temperatures:
remodelling of membrane lipids and maintenance of unsaturation
levels. Plant Cell Environ, 34: 1431–1442