全 文 ：植物生理学通讯 第 44卷 第 5期，2008年 10月 865
高铁血红素对盐胁迫下小麦根部生长受抑的缓解和根尖中离子微域分布的
影响
胡冰 1, 贺子义 1, 林国庆 1, 谢彦杰 2, 齐继艳 2, 江丹君 3, 沈文飚 2, 黄丽琴 3,*
南京农业大学 1生命科学实验中心, 南京农业大学 -天美电镜合作示范实验室, 2生命科学学院, 3理学院, 南京 210095
提要: 小麦幼苗经不同浓度NaCl处理 1 d再转入Hoagland培养液中培养 2 d后, 浓度相对较低(100和 200 mmol·L-1)的NaCl
处理的幼苗根部生长抑制可以恢复, 而浓度相对较高(500 mmol·L-1)的NaCl 处理的则不能恢复; 预先以高铁血红素(5 µmol·L-1)
处理1 d就可以缓解随后200 mmol·L-1 NaCl处理引起的小麦根部生长受抑。X射线电子探针检测元素分布的结果表明, 高
铁血红素还可缓解由NaCl胁迫导致的小麦苗根尖表皮、皮层和中柱细胞中的K+流失, 并可提高根系中K+/Na+比, 从而维
持根部的离子稳态。
关键词: 高铁血红素; 盐胁迫; 小麦; 离子微域分布; X射线电子探针
Effects of Hematin on Mitigation of Growth Inhibition and Ion Micro-distribu-
tion of Wheat Roots under Salt Stress
HU Bing1, HE Zi-Yi1, LIN Guo-Qing1, XIE Yan-Jie2, QI Ji-Yan2, JIANG Dan-Jun3, SHEN Wen-Biao2, HUANG Li-Qin3,*
1Laboratory Center of Life Sciences, Nanjing Agricultural University Cooperative Demonstration Laboratory of HITACHI Elec-
tronic Microscope Technique, 2College of Life Sciences, 3College of Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095,
China
Abstract: Wheat seedlings subjected to salt stress for 1 d were then transferred to Hoagland solution for
another 2 d, the root growth inhibition caused by low concentration of salt stress (100 and 200 mmol·L-1 NaCl)
could be recovered, while high concentration (500 mmol·L-1) NaCl exhibited the opposite effect. Furthermore,
pretreatment with 5 µmol·L-1 hematin attenuated the root growth inhibition elicited by 200 mmol·L-1 NaCl stress.
By using X-ray electron probe analysis, we also discovered that pretreatment of hematin alleviated salinity-
induced K+ outfluxes in the epidermis, cortex and stele of the root cells, thus K+/Na+ increased and the ion
homeostasis could be reestablished.
Key words: hematin; salt stress; wheat (Triticum aestivum); ion micro-distribution; X-ray electron probe
收稿 2008-05-07 修定 2008-08-25
资助 国家自然科学基金(30 6 71 2 4 8)、国家基础科学人才培
养基金(J0730647)和南京农业大学 SRT项目(0706A01
和 0 7 1 2 A0 8 )。
* 通讯作者(E-ma il: lqhuangs@njau.edu.cn; Tel: 025-
8 4 3 9 5 2 0 7 )。
植物盐害包括离子毒害、渗透胁迫和营养不
平衡三个方面。植物耐盐性主要涉及 3个方面, 即
维持细胞内稳态(包括离子和渗透两个方面)、解
毒(抗氧化防护等)和生长调节(细胞分裂和伸展
等)。例如, 盐过度敏感(salt overly sensitive, SOS)
途径的生理功能就是通过离子稳态调节来提高植物
耐盐性的。因此, 通过各种方法维持植物细胞内稳
态、解毒和生长调节均可以提高植物耐盐性(Zhu
2001, 2003)。已经知道, 一氧化氮(nitric oxide,
NO)、ABA和 Ca2+等能通过上述三种方面来提高
植物的耐盐性(Ruan等 2002; Zhao等 2007; Zhu
2001, 2003)。
动物中的血红素加氧酶(heme oxygenase, HO,
EC 1.14.99.3)有 3种类型, 包括诱导型的HO-1和
组成型的HO-2/3。已经知道, HO是动物体中催化
血红素降解为一氧化碳(CO)、Fe2+和胆绿素的起
始酶和限速酶。其中, CO在动物中的调控作用包
括参与神经元的传递、调节血管收缩和抗炎作用
(Verma等1993; Morita和Kourembanas 1995; Morita
等 1995; Otterbein等 2003)。外施的 CO具有保护
和伤害双重生物学效应。Otterbein等(2003)发现
低浓度(0.025%)的CO 能够缓解老鼠肺部的氧化损
伤。此外, 业已证实, HO也是植物中的 CO合成
酶, 其活性上调可以缓解重金属镉导致的植物组
植物生理学通讯 第 44卷 第 5期，2008年 10月866
织氧化损伤(Han等 2008; Noriega等 2004)。
高铁血红素(hematin, Ht)是动物HO-1的诱导
物或底物(Lamar等 1996; Longo等 1999), 它也能
诱导植物HO-1转录本的增加(Han等 2007)。最近
我们实验室观察到, Ht共处理能缓解 300 mmol·L-1
NaCl胁迫导致的小麦品种 ‘扬麦 158’幼苗叶片的
氧化损伤, 诱导过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化
酶(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和过氧化氢
酶(CAT)等活性氧(reactive oxygen species, ROS)清
除酶的活性, 从而缓解盐胁迫导致的幼苗叶片细胞
的脂质过氧化 ; 加入 C O 的清除剂血红蛋白
(hemoglobin, Hb)可逆转Ht的缓解效应, 证实上述过
程与 CO有关(Huang等 2006)。但Ht提高小麦耐
盐性是否与其对植物在盐害下的生长调节和离子稳
态的维持有关还不太清楚。
本文以小麦品种 ‘扬麦158’为材料, 研究了不
同浓度NaCl胁迫后的小麦根系恢复过程中的生长
情况; 观察预先以外源Ht处理后, 盐胁迫处理下的
小麦根部生长受抑制能否得到缓解; 探测以Ht预处
理的盐胁迫下的小麦幼苗根尖不同部位离子微域分
布状况。
材料与方法
高铁血红素购自 Sigma公司。植物材料为小
麦(Triticum aestivum L.)品种 ‘扬麦 158’。种子用
2% NaClO消毒 5 min后, 用蒸馏水漂洗转入 25 ℃
暗处催芽培养 1 d。挑取大小一致的露白种子移入
光照培养箱中培养(光照强度约为 300 µmol·m-2·s-1,
光暗周期为 12 h/12 h, 温度为 25℃/18℃) , 用
Hoagland溶液培养长至两叶一心期进行各种处理。
处理有: (1)对照, 持续用Hoagland溶液培养 1、2
和 3 d; (2)小麦幼苗用含有 100、200和 500 mmol·L-1
NaCl的 Hoagland溶液分别预处理 1 d后, 转入
Hoagland培养液中继续培养 1和 2 d; (3)在含有 5
µmol·L-1 Ht的 Hoagland溶液中处理 1 d后, 转入
Hoagland溶液中培养 1 d; (4)含有不同浓度Ht (1、
5、10和 50 µmol·L-1)的Hoagland培养液预处理 1 d
后, 转入含有 200 mmol·L-1 NaCl的Hoagland溶液
中培养 1 d; (5)在Hoagland溶液中生长 1 d后, 转入
含有 200 mmol·L-1 NaCl的 Hoagland溶液中培
养 1 d。
根生长速度以每天每棵苗根组织鲜重的增加
量表示。各处理均重复 3次, 每一重复各取 10株
小麦幼苗为样品。
元素含量分布的检测参照梁永超和丁瑞兴
(2002)文中的方法制备样品。NaCl胁迫 1 d后, 用
双面刀片取距小麦根尖 3~4 mm的根段, 迅速投入
液氮(-196 ℃)中冷冻 2~3 min, 利用冷冻断裂获取
根的横截面, 以冷冻真空干燥仪(HUS-5GB, Hitachi)
干燥 12 h后, 再用离子溅射仪(E-1010, Hitachi)喷
镀金膜, 在扫描电子显微镜(S-3000N, Hitachi)上, 用
能谱仪(EMAX-250, Hitachi)分析元素。工作条件
为: 加速电压为20 kV, 束流 40 µA, 工作距离15 cm,
样品与能谱探头的夹角为 35°。
实验结果
1 不同浓度NaCl对小麦幼苗根部生长的抑制以及
胁迫解除后的生长恢复
100和 200 mmol·L-1 NaCl处理 1 d后, 小麦幼
苗根部生长速度仅为正常生长的51%和43.2%; 将
这两种处理的幼苗转移至无NaCl的Hoagland溶液
中恢复培养 1和 2 d后, 因盐胁迫受抑制的小麦幼
苗根部生长随着时间的增加, 开始逐步恢复至正常
水平(图 1); 而用 500 mmol·L-1 NaCl处理 1 d的根,
其生长几乎完全受抑, 即使转至无NaCl的Hoagland
培养液中, 根部生长仍然处于停滞状态(图 1)。
2 Ht对受盐抑制的小麦幼苗根部生长的缓解效应
图 2显示, 预先以一定浓度的Ht处理 1 d可以
不同程度的缓解随后以 200 mmol·L-1 NaCl处理
1 d所导致的小麦根部生长的受抑程度。其中,
图 1 受盐胁迫的小麦根部生长的恢复
Fig.1 Recovery of growth of wheat roots under salt stress
植物生理学通讯 第 44卷 第 5期，2008年 10月 867
以 5 µmol·L-1 Ht的缓解效应最为明显; 相反, 高
浓度 H t 反而对根的生长抑制有一定的加剧作
用。
3 盐胁迫下小麦根尖中的K+离子分布和K+/Na+比
200 mmol·L-1 NaCl处理的小麦根尖中的K+含
量下降(图 3)。由于K+严重流失, 小麦根尖中柱区
域和横切面中的 K+/Na+比值分别为 0.61±0.05和
0.87±0.11 (图 4)。
4 Ht对盐胁迫下小麦根尖中K+离子分布和K+/Na+
比值的影响
与未作Ht处理的相比, 5 µmol·L-1 Ht处理的根
尖中K+含量变化不大, 而K+的微区分布也未发生
明显改变(图 3)。与盐胁迫的相比, 5 µmol·L-1 Ht
预处理可减少由盐胁迫导致的根尖中K+的流失(图
3), 从而导致K+/Na+比提高(图 4)。另外, 由于K+
的流失明显减少, Ht预处理的根尖皮层区域的K+/
Na+比受盐胁迫的高。
讨 论
高铁血红素(Ht)对逆境下植物生长的影响已有
报道。Huang等(2006)的结果表明, 低浓度的Ht与
NaCl的共处理能降低由盐胁迫导致的生长抑制。
本文的结果也表明, 盐胁迫 1 d后, 小麦根部生长
速率明显受抑制, 并且此种抑制程度随着NaCl浓度
的提高而增加(图 1)。而以 100和 200 mmol·L-1
NaCl处理 1 d后, 小麦根部生长经历 2 d的恢复后
基本上可以回复到正常水平; 而500 mmol·L-1 NaCl
处理 1 d的, 即使是经历 2 d的恢复期, 小麦根部的
生长仍然无法恢复。另外, 在 200 mmol·L-1 NaCl
胁迫下, 一定浓度的Ht预处理能缓解NaCl胁迫导
致的小麦根部生长受抑程度, 其中以5 µmol·L-1 Ht
效果最好, 高浓度Ht对根的生长抑制有一定的加剧
现象(图 2)。
图 2 Ht对受盐胁迫小麦根部生长受抑制的缓解效应
Fig.2 Mitigative effect of hematin on the growth inhibition
of wheat roots under salt stress
*表示 H t 处理后未受 N aCl 胁迫。
图 3 Ht对受盐胁迫小麦根尖表皮、皮层
和中柱中K+含量分布的影响
Fig.3 Effects of hematin on K+ micro-distribution in
epidermis, cortex and stele of wheat
root tips under salt stress
图 4 Ht对受盐胁迫小麦根尖表皮、皮层、中柱以及整
个根尖横切面中K+/Na+比值的影响
Fig.4 Effects of hematin on K+/Na+ ratio in epidermis,
cortex, stele and transverse section of
wheat root tips under salt stress
植物生理学通讯 第 44卷 第 5期，2008年 10月868
Chen等(2007)报道, 植物体在累积过多的盐分
离子的同时, 也有大量K+流失, 从而干扰植物细胞
的正常生理代谢, 加剧盐离子对植物产生的离子毒
害效应。因此他们认为, K+含量是衡量植物遭受
盐离子毒害程度的标准之一, 缓解K+的流失并维持
胞内的K+/Na+稳态对植物耐盐性来说是至关重要
的。本文用X射线电子探针分析离子的分布表明,
在中等浓度盐(200 mmol·L-1 NaCl)胁迫下, 小麦根
系各个微区K+的含量大幅下降, 这意味着盐胁迫会
导致根系细胞中离子平衡的破坏。另以Ht预处理
后再进行盐胁迫, 小麦根中K+微区分布即可得到改
善, K+含量大幅增加, K+/Na+比提高(图 3、4), 重
新建立根部细胞的离子平衡, 因而小麦抗盐性提高,
根的生长部分恢复(图 1、2)。
参考文献
梁永超, 丁瑞兴(2002). 硅对大麦根系中离子的微域分布的影响
及其与大麦耐盐性的关系. 中国科学(C辑), 32 (2): 113~121
Chen Z, Pottosin II, Cuin TA, Fuglsang AT, Tester M, Jha D,
Zepeda-Jazo I, Zhou M, Palmgren MG, Newman IA et al
(2007). Root plasma membrane transporters controlling K+/
Na+ homeostasis in salt-stressed barley. Plant Physiol, 145:
1714~1725
Han Y, Xuan W, Yu T, Fang WB, Lou TL, Gao Y, Chen XY, Xiao
X, Shen WB (2007). Exogenous hematin alleviates mer-
cury-induced oxidative damage in the roots of Medicago
sativa . J Integr Plant Biol, 49: 1703~1713
Han Y, Zhang J, Chen XY, Gao ZZ, Xuan W, Xu S, Ding X, She WB
(2008). Carbon monoxide alleviates cadmium-induced oxi-
dative damage by modulating glutathione metabolism in the
roots of Medicago sativa . New Phytol, 177 (1): 155~
166
Huang BK, Xu S, Xuan W, Li M, Cao ZY, Liu KL, Ling TF, Shen
WB (2006). Carbon monoxide alleviates salt-induced oxida-
tive damage in wheat seedling leaves. J Integr Plant Biol, 48:
249~254
Lamar CA, Mahesh VB, Brann DW (1996). Regulation of gona-
dotrophin-releasing hormone (GnRH) secretion by heme
molecules: a r egu latory role for ca rbon monoxide?
Endocrinology, 137: 790~793
Longo M, Jain V, Vedernikov YP, Saade GR, Goodrum L,
Facchinetti F, Garfield RE (1999). Effect of nitric oxide and
carbon monoxide on uterine contractility during human and
rat pregnancy. Am J Obstet Gynecol, 181: 981~988
Morita T, Kourembanas S (1995). Endothelial cell expression of
vasoconstrictors and growth factors is regulated by smooth
muscle cell-derived carbon monoxide. J Clin Invest, 96:
2676~2682
Morita T, Perrella MA, Lee ME, Kourembanas S (1995). Smooth
muscle cell-derived carbon monoxide is a regulator of vascu-
lar cGMP. Proc Natl Acad Sci USA, 92: 1475~1479
Noriega GO, Balestrasse KB, Batlle A, Tomaro ML (2004). Heme
oxygenase exerts a protective role against oxidative stress
in soybean leaves. Biochem Biophys Res Commun, 323:
1003~1008
Otterbein LE, Otterbein SL, Ifedigbo E, Liu F, Morse DE, Fearns
C, Ulevitch RJ, Knickelbein R, Flavell RA, Choi AM (2003).
MKK3 mitogen-activated protein kinase pathway mediates
carbon monoxide-induced protection against oxidant-induced
lung injury. Amer J Pathol, 163: 2555~2563
Ruan HH, Shen WB, Ye MB, Xu LL (2002). Protective effects of
nitricoxide on salt stress-induced oxidative damage to wheat
(Triticum aestivum L.) leaves. Chin Sci Bull, 47: 677~681
Verma A, Hirsch DJ, Glatt CE, Ronnett GV, Snyder SH (1993).
Carbon monoxide: a putative neural messenger. Science, 259:
381~384
Zhao MG, Tian QY, Zhang WH (2007). Nitric oxide synthase-
dependent nitric oxide production is associated with salt tol-
erance in Arabidopsis. Plant Physiol, 144: 206~217
Zhu JK (2001). Plant salt tolerance. Trends Plant Sci, 6: 66~71
Zhu JK (2003). Regulation of ion homeostasis under salt stress.
Curr Opin Plant Biol, 6: 441~445