全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2011, 47 (1): 97~101 9 7
收稿 2010-11-02 修定 2010-11-29
* 通讯作者(E-mail: qiaoyx123@163.com; Tel: 0315-3863212)。
NaCl胁迫对黄瓜根系边缘细胞发生的影响
乔永旭 *
唐山师范学院生命科学系, 河北唐山 063000
摘要: 以黄瓜为试材, 研究了NaCl处理对植株生物量、根长、根系活力、根边缘细胞的数目和活性及黏胶层厚度的影响。
结果表明, NaCl处理降低了植株生物量与根系长度, 增加了黄瓜幼苗的根系活力。黄瓜边缘细胞的出现几乎与根同时发生,
当根长达到25 mm时, 边缘细胞的数目与活性均达到最大值。NaCl处理对边缘细胞的数目与活性表现出一定的抑制作用。
离体根尖的边缘细胞活性也随NaCl处理浓度与处理时间的增加而逐渐减小, 但根边缘细胞黏胶层厚度却随NaCl处理浓度
的增加而增加。总之, NaCl对黄瓜幼苗造成一定伤害, 但根系边缘细胞可通过降解死亡与增加黏胶的分泌量在一定程度上
减轻这种伤害程度。
关键词: NaCl胁迫; 黄瓜; 边缘细胞; 黏胶层
Effects of NaCl Stress on Generation of Root Border Cells in Cucumber
(Cucumis sativus L.)
QIAO Yong-Xu*
Department of Life Science, Tangshan Normal University, Tangshan, Hebei 063000, China
Abstract: The effects of NaCl on cucumber (Cucumis sativus) plant biomass, root length, root activity and the
generation of the root border cells were investigated. The results showed that NaCl treatment led to decrease of
plant biomass and root length and increase of root activity. The primal border cells occurred nearly synchro-
nously with primary root tip growth in cucumber. The number and the viability of border cells reached maxi-
mum when root length extended to 25 mm. Both the number and activities of the border cells in vitro roots were
gradually dropped while NaCl concentration increased and treatment time extended. In contrast, the mucilage
thickness increased with elevation of NaCl concentration. In general, the root border cells could secrete muci-
lage and self-decompose under NaCl stress, which might protect root tip from NaCl toxicity in some degree.
Key words: NaCl stress; cucumber (Cucumis sativus); border cell; mucilage
根的生长导致根与土壤间的摩擦, 新生成的根
冠细胞不断被转移到根尖后转化为边缘细胞, 过去
人们认为边缘细胞是一群死亡的根冠脱落细胞(马
伯军等 2003), 但近年来发现这类细胞对植物有特
殊生理活性和生物学意义(喻敏等2004), 它们能够
合成并向外分泌一系列具有生物活性的化学物质,
诱导和控制根际微生物的生长, 中和有毒物质(李荣
峰等 2007a)。土壤盐渍化是影响作物生产的主要
因素之一。全世界盐渍土约有 1.0×109 hm2, 占陆
地总面积的 10%, 我国盐渍土约有 2.6×107 hm2
(Tester和Davenport 2003), 主要为NaCl危害, 它通
过渗透胁迫、离子毒害、营养失衡等引起植物体
内许多生理变化, 抑制植株生长(段九菊等 2006)。
研究表明, 在黄瓜种子萌发过程中, 根边缘细胞有
很高的活性, 当根长度为 25 mm时, 根边缘细胞数
目达到最高值 5 480个(周楠等 2006)。但NaCl胁
迫对黄瓜幼苗根系边缘细胞发生影响的研究还未见
报道, 因而研究黄瓜边缘细胞的生物学特性以及对
NaCl胁迫的响应, 有利于进一步阐述边缘细胞在植
物抗逆境胁迫中的作用和机制。
材料与方法
黄瓜(Cucumis sativus L.) ‘精品唐秋 1号 ’种子
购自唐山市农业科学研究院。选取饱满、整齐一
致的种子 100粒, 用 7%的漂白粉消毒 2~3 min, 晾
干, 在NaCl (0、25、50、100和 150 mmol·L-1)中
植物生理学报9 8
处理(37 ℃水浴) 1 h, 然后移至铺有两层无菌湿纱布
及一层滤纸的培养皿中, 在种子上方再铺一层滤纸,
然后滴加相应浓度的NaCl, 溶液量以上层滤纸湿润,
倾斜时皿底无溶液聚合为宜, 每皿20粒, 于(25±1) ℃
恒温培养箱中培养, 观察生长发育情况。之后分别
测量种子的露白率、根长、生物量、根系活力、
边缘细胞数目及活性和根系黏胶层厚度。
露白率测定时, 测量NaCl处理 24、36、48、
60、72和 84 h后的露白种子的百分率; 根长采用
李荣峰等(2007a,b)的方法测定; 生物量测定时, 选
取不同浓度NaCl处理的黄瓜幼苗置于120 ℃下烘
15 min, 再在 80 ℃下烘至恒重, 温度降至室温后再
称重; 根系活力采用郑炳松(2006)的方法测定; 边
缘细胞数目及活性采用戚伟刚等(2006)的方法测定;
黏胶层厚度采用蔡妙珍等(2008)的方法测定。各
实验均重复 3次, 数据用SPSS软件分析, 结果以平
均数±标准误(SE)表示。
实验结果
1 NaCl浸种对黄瓜种子露白率的影响
如图 1所示, 浸种后 24 h, 所有处理均未露白;
至 36 h, 对照及低浓度(25及 50 mmol·L-1) NaCl处
理的种子大部分已经露白, 露白率达 75.56%, 而高
浓度(100及150 mmol·L-1) NaCl处理的种子露白率
图 3 NaCl胁迫对黄瓜根系生物量的影响
Fig.3 Effects of NaCl stress on the root biomass of cucumber
明显低于对照及低浓度NaCl处理的, 分别为36.25%
和 18.75%; 处理后的 36~84 h, 对照及低浓度NaCl
处理的黄瓜种子露白率仍有少量增加, 而高浓度
NaCl处理的黄瓜种子露白率则持续增加, 基本上一
直低于对照及较低浓度NaCl处理的。因此, 低浓
度(小于 50 mmol·L-1) NaCl处理对种子的露白起促
进作用; 而高浓度(大于 100 mmol·L-1) NaCl处理则
有明显的抑制作用。
2 NaCl胁迫对黄瓜根长的影响
如图2所示, 随着NaCl浓度的增加, 黄瓜幼苗
的根伸长生长呈下降的趋势, 而且培养的时间越长,
根长的差异性就越大。高浓度的NaCl能明显抑制
根系的生长, 100和150 mmol·L-1 NaCl处理48 h后,
根伸长已基本停止。
图 1 NaCl浸种对黄瓜种子露白率的影响
Fig.1 Effects of NaCl soaking on the seed
scab rate of cucumber
图 2 NaCl胁迫对黄瓜根长的影响
Fig.2 Effects of NaCl stress on the root length of cucumber
3 NaCl胁迫对黄瓜地下部分生物量的影响
如图3所示, 根系的生物量随NaCl处理浓度的
上升而降低。50 mmol·L-1 NaCl处理使根系鲜重
和干重降低, 150 mmol·L-1 NaCl处理时降至最低。
乔永旭: NaCl胁迫对黄瓜根系边缘细胞发生的影响 9 9
4 NaCl胁迫对黄瓜根系活力的影响
图4表明, 随NaCl处理浓度的增加, 幼苗根系
的总吸收面积和活跃吸收面积均呈先上升后下降的
变化趋势, 当NaCl浓度达到50 mmol·L-1时, 根系活
力达到最大。低浓度的NaCl对幼苗根系活力有一
定的促进作用, 而高浓度的NaCl处理则抑制黄瓜幼
苗的生长。
图 4 NaCl胁迫对黄瓜根系活力的影响
Fig.4 Effects of NaCl stress on the root activity of cucumber
图 5 不同浓度NaCl对黄瓜根伸长过程中
根边缘细胞数目和活性的影响
Fig.5 Effects of different NaCl concentrations on numbers
and activities of border cells during
root elongation of cucumber
5 NaCl胁迫对黄瓜幼苗根系边缘细胞的影响
5.1 NaCl胁迫对不同根长黄瓜边缘细胞数目和活
性的影响
从图 5-A可以看出, 不同浓度NaCl处理的黄
瓜幼苗均在根长达到 25 mm时边缘细胞数目达到
最大, 之后, 随着NaCl浓度的增加, 细胞数目不断
降低。不同浓度处理的幼苗不同根长的边缘细胞
数目变化的总趋势基本一致, 在 5 mm时已经出现
边缘细胞, 10~20 mm时趋于稳定, 在 25 mm时达
到最大, 大于 25 mm, 边缘细胞的数目随根长的增
加而减少。经 100和 150 mmol·L-1 NaCl处理的幼
苗根长达到 25 mm后, 根的伸长速度较慢, 边缘细
胞越来越少, 当根长为 30和 35 mm时边缘细胞已
观察不到。另外, 边缘细胞数目还随着NaCl浓度
的增加而减少, 25 mmol·L-1 NaCl处理与未经处理
的对照, 其幼苗根系边缘细胞数目差异不明显; 50、
100和150 mmol·L-1 NaCl处理的幼苗根系边缘细胞
数目在 3 670~4 300个范围内, 均与对照组有较大
差异。由图 5-B可见, 边缘细胞活性与数目的变化
规律相似, 当幼苗根系长度达到 25 mm时, 边缘细
胞的活性最大, 且随NaCl浓度的增加而不断降低。
最高的边缘细胞活性达 75.34%, 最低的活性则为
62.70%。
5.2 不同时间NaCl胁迫对离体黄瓜根尖边缘细胞
活性的影响
表1表明, 随着NaCl处理时间的延长, 边缘细
胞活性明显下降。相同时间处理下, 当NaCl处理
浓度为 25和 50 mmol·L-1时, 根边缘细胞活性相差
不大; 而NaCl处理浓度为 100和 150 mmol·L-1时,
边缘细胞活性随NaCl浓度的升高而下降。结果还
显示, 当处理时间为 24 h, 黄瓜边缘细胞仍有存活,
说明边缘细胞在离开植物体后仍有一定的生活能
力, 这对于黄瓜抵御NaCl胁迫有一定意义。
6 NaCl胁迫对黄瓜幼苗根系边缘细胞黏胶层厚度
的影响
如图6所示, 随着NaCl处理浓度的增加, 根系
边缘细胞黏胶层厚度也在增厚, 而且浓度越大, 增
加的厚度越多。当NaCl处理浓度达到 150 mmol·L-1
时, 边缘细胞黏胶层厚度达到了14.2 μm, 比对照组
黏胶层厚度增厚了66.19%。说明高浓度的NaCl处
理能促使黄瓜根系产生较厚的黏胶层。
植物生理学报100
表 1 不同时间NaCl胁迫对黄瓜根边缘细胞活性的影响
Table 1 Effects of different periods of NaCl treatment on activities of root border cells of cucumber
NaCl浓度 /mmol·L-1
处理时间 /h
0 25 50 100 150
1 72.56±0.029a 57.76±0.018a 56.11±0.007a 53.79±0.005a 51.60±0.028a
2 65.65±0.021b 56.27±0.009a 54.43±0.008a 52.85±0.025a 50.85±0.001ab
4 62.22±0.016b 54.37±0.005b 51.62±0.004b 51.60±0.005a 48.18±0.008bc
1 6 54.53±0.005c 50.64±0.006c 46.59±0.013c 46.29±0.001b 43.32±0.020c
2 4 52.09±0.011c 48.52±0.007d 44.58±0.009d 44.00±0.015b 39.54±0.001d
小写字母表示在 5 % 水平上差异显著。
图 6 NaCl胁迫对黄瓜根系边缘细胞黏胶层厚度的影响
Fig.6 Effect of NaCl stress on cucumber thickness
of mucilage of root border cells
讨 论
有关植物根边缘细胞产生的时间有两种模式:
一种是根边缘细胞几乎与根尖同时出现; 另一种是
当初生根长到一定长度时才有根边缘细胞产生。
大麦和水稻的根边缘细胞发生属于第一种模式(马
伯军等 2003; 章艺等 2008); 而豌豆根长到 5 mm时
才出现第一个根边缘细胞, 根长≥ 25 mm时边缘
细胞数目达到 4 000个(刘家友等 2009), 为后一种
模式。本文结果表明, 黄瓜边缘细胞的出现几乎
与根同时发生, 根长为 5 mm时已经达到 1 300个,
边缘细胞数目及活性随着根长的逐渐伸长而增加,
随后随根长的伸长而降低。
目前, 关于边缘细胞在植物受到铝害、温度
胁迫、高浓度CO2及H2O2等胁迫时可能起到的作
用的研究已有报道, 其中抗铝毒的研究较为深入, 而
有关植物受到盐害时边缘细胞受到的影响及在其中
可能起的作用还未见有正式报道。在本研究中,
NaCl浸种使边缘细胞活性降低, 这可能与盐胁迫下
活性氧代谢平衡的失调有关。包括盐处理在内的
各种环境胁迫均会导致活性氧(reactive oxygen
species, ROS)的产生, ROS作为信号分子可激发细
胞的程序性死亡, 而边缘细胞很可能是通过分泌草
酸氧化酶和过氧化物酶, 随后刺激H2O2等 ROS的
产生而加快边缘细胞的死亡, 再通过死亡细胞螯合
一些有害离子来使根尖抵抗NaCl的危害。边缘细
胞活性降低也有可能是由于盐胁迫导致ROS增加
引起膜透性的增加从而使细胞内容物大量外渗造成
的。但同时根尖周围边缘细胞中增加的H2O2含量
可直接作为一种信号分子刺激根抗氧化防御系统减
轻植物根尖细胞的受伤害程度。
在土壤逆境条件下, 植物可通过改变根系分泌
物的种类和数量来适应环境胁迫。边缘细胞从根
尖分离后, 向外分泌一系列糖类、小分子蛋白、
氨基酸、花色素苷、酚类及类黄酮抗生素、过
氧化物酶、半乳糖苷酶等化学物质, 这些物质包被
在边缘细胞的外侧构成黏胶层(Hawes等 2000)。
黏胶层对根际养分和离子的形态和有效性可能产生
很重要的影响(喻敏等 2004)。边缘细胞分泌并合
成的黏胶层能形成一个根系的外围环境, 在这个区
域内可暂时保证根尖及顶端分生区不受外界胁迫的
伤害(Miyasaka和Hawes 2001)。如边缘细胞黏胶
层中的多聚糖和铝结合成无毒性的复合物, 而黏胶
层积累的根尖分泌的有机酸与铝形成毒性较低的络
合物, 从而阻止Al3+进一步危害植物(Miyasaka和
Hawes 2001)。黄瓜根系边缘细胞在离开植物体后
仍能存活24 h, 说明边缘细胞在短时间内对NaCl胁
迫有一定的抗性。随着NaCl浓度的增大, 黏胶层
乔永旭: NaCl胁迫对黄瓜根系边缘细胞发生的影响 101
厚度也逐渐增厚, 原因可能是边缘细胞特异性地合
成并向外分泌的一系列具有生物活性的化学物质来
缓解根际周围Na+与Cl-的危害, 从而增加其厚度。
类似的结果出现在蔡妙珍等(2008)的研究中, 大豆
的边缘细胞在铝胁迫环境中也出现了黏胶层厚度增
加的现象。这些研究结果进一步说明边缘细胞黏
胶层可通过调节根部生态环境, 从而在抵抗环境胁
迫造成的根尖伤害中可能起着重要的防御和保护功
能。
参考文献
蔡妙珍, 邢承华, 刘鹏, 徐根娣, 吴韶辉, 何璠(2008). 大豆根尖边
缘细胞和粘液分泌对铝胁迫解除的响应. 植物生态学报, 32
(5): 1007~1014
段九菊, 郭世荣, 樊怀福, 王素平, 康云艳(2006). 盐胁迫对黄瓜
幼苗根系脯氨酸和多胺代谢的影响. 西北植物学报, 26 (12):
2486~2492
李荣峰, 蔡妙珍, 刘鹏, 梁和, 徐根娣(2007a). 植物根边缘细胞的
抗逆性研究进展. 广西植物, 27 (3): 497~502
李荣峰, 蔡妙珍, 刘鹏, 徐根娣, 梁和, 章月琴(2 00 7 b). 大豆
(Glycine max L.)边缘细胞对铝毒的生理生态响应. 生态学
报, 27 (10): 4182~4190
刘家友, 喻敏, 刘丽屏, 萧洪东(2009). 铝胁迫下豌豆根边缘细胞
和根细胞壁多糖组分含量的变化. 中国农业科学, 42 (6 ):
1963~1971
马伯军, 潘建伟, 顾青, 郑科, 叶丹, 华靖, 朱睦元(2003). 大麦根
边缘细胞发育的生物学特性. 植物生理与分子生物学学报,
29 (2): 159~164
戚伟刚, 刘鹏, 徐根娣, 蔡妙珍(2006). 铝毒对水稻边缘细胞的影
响. 河南农业科学, (3): 22~24
喻敏, 崔志新, 温海祥, 萧洪东, 张英慧, 何丽烂, 梁火娣(2004).
根际新发现的一类活细胞群——根边缘细胞. 华中农业大学
学报, 23 (2): 275~280
章艺, 刘鹏, 宋金敏, 徐根娣, 蔡妙珍, 王婷婷(2008). 高 Fe2+对水
稻离体根边缘细胞的影响. 生态学报, 28 (6): 2925~2930
郑炳松(2006). 现代植物生理生化研究技术. 北京: 气象出版社,
115~116, 234~237, 266~267
周楠, 陈文荣, 刘鹏, 徐根娣, 蔡妙珍(2006). 黄瓜根边缘细胞生
物学特性及其对铝的响应. 园艺学报, 33 (5): 1117~1120
Hawes MC, Gunawardena U, Miyasaka S, Zhao XW (2000). The
role of root border cells in plant defense. Trends Plant Sci, 5
(3): 128~133
Miyasaka SC, Hawes MC (2001). Possible role of root border
cells in detection and avoidance of aluminum toxicity. Plant
Physiol, 125: 1978~1987
Tester M, Davenport R (2003). Na+ tolerance and Na+ transport
in higher plants. Ann Bot, 91 (5): 503~527