全 文 ：林业科学研究　1999, 12( 4) : 346～349
For es t R esear ch　　　　　　　　　　
　　* 1996～1998年国家自然科学基金资助课题“干旱胁迫下杨树气孔运动机制研究”的部分内容。
1999-02-10收稿。
渗透胁迫下群众杨根细胞中的 K +累积效应*
周晓阳　张　辉　夏新莉
(北京林业大学生物学院, 100083,北京;第一作者 33岁,男,副教授)
　　摘要　群众杨插条苗经 PEG 渗透胁迫处理后,取根部样品, 经过快速冷冻、冷冻干燥、乙醚真
空渗透及塑料包埋后, 用透射电镜 X-射线能谱微区分析技术, 对根表皮层、皮层及中柱薄壁组织细
胞的细胞壁、细胞质和液泡中的 K +含量与分布进行了测定。结果表明,在渗透胁迫下,在根各部位
组织细胞的细胞壁、细胞质和液泡中, K + 含量都有不同程度的增加, 增加的 K+ 主要积累在液泡中。
渗透胁迫所促进的 K + 吸收可被蛋白质合成抑制剂环己酰亚胺所抑制。
　　关键词　群众杨; 根细胞 K + 累积; 渗透胁迫; 环己酰亚胺; X-射线微区分析
　　分类号　S718. 43
　　渗透调节是植物适应干旱逆境的重要生理机制,是植物抵抗水分胁迫的一种重要而有效
的方式[ 1]。植物细胞的渗透调节依赖于无机离子和有机小分子的积累、转运以及区域化。[ 2]。植
物细胞内渗透势的变化由决定渗透势的渗透调节物质所控制,植物累积这些物质的能力,包括
无机离子的吸收、运输、区域化和有机渗透调节物质的合成和转化,反映了植物渗透调节的能
力[ 3]。K +是植物细胞中起渗透调节作用的重要无机离子,细胞内K +累积是对渗透胁迫的早期
反应,在一定渗透胁迫范围内, 植物细胞以 K +为主要的渗透剂单独地或和其它渗透剂一起均
衡外界渗透压和维持膨压[ 4, 5]。细胞内 K + 浓度的变化可诱导或有利于某些与抗渗透胁迫有关
的物质的合成和基因表达, 从而调节细胞的功能 [ 6～9]。因此, K +的累积在渗透调节中起着重要
作用,本文采用生物制备新技术 [ 10] ,以保持 K +在植物组织细胞中的原位固定,用透射电镜 X-
射线能谱微区分析方法 [ 10～11] , 研究群众杨根的各部位组织细胞中的 K +含量变化, 以期从细胞
和亚细胞水平对根细胞中 K +的吸收、累积及区域化有一个深入的了解。
1　材料与方法
1. 1　植物材料的培养和处理
以群众杨( Populus × x iaoz huanica W. Y. Hsu et L iang cv. ‘Popularis’35-44) 1年生插
条苗为实验材料,在温室中用 1/ 2强度的 Hoagland溶液进行水培。待长到 10片叶时, 将PEG-
6000(聚乙二醇,分子量 6 000)加到营养液中,配成水势为- 1. 0 MPa 的溶液, 用 PEG处理苗
木根系 12、24、36 h后采样,以同样条件下生长未经 PEG 处理的植株为对照。当观察蛋白质合
成抑制剂环己酰亚胺( CHM )的抑制作用时, 将浓度为 0. 2 mmol·L - 1的 CHM 加到有或无
PEG 的营养液中,处理时间为 24 h。
1. 2　X-射线微区分析样品的制备
在距根尖 2 cm 处,用锋利刀片切取 2 mm 长的根段, 迅速投入到液氮中进行冷冻固定, 样
品经冷冻干燥,乙醚真空渗透,塑料包埋后,制成 1
m 厚的半薄切片,喷碳后备用。
1. 3　X-射线微区分析的测定
将制备好的切片,在配有EDAX-9100能谱仪的日立 H-800型透射电镜下进行测定。加速
电压为 150 keV,取出角为 25°, 样品的测量计数时间为 60 s,测出的数值分别表示每种元素的
峰值减去其背景值后的每秒脉冲数( CPS)。在检测时,对每组处理的两株群众杨苗的根切片进
行重复检测, 在所测每一组织区域的微区, 至少测试 7个点[ 11]。
2　结果与分析
2. 1　渗透胁迫下根不同部位组织细胞中 K +的含量与分布
X-射线微区分析结果显示(图 1) ,在 PEG胁迫处理 12、24、36 h后,根表皮层细胞的细胞
壁 K + 含量分别比对照增加 8. 5%、17. 8%和 1. 7%; 细胞质 K + 含量分别比对照增加 21. 5%、
44. 6%和 18. 5% ;而液泡中 K + 含量则分别比对照增加 40. 4%、71. 6%和 39. 0%。根皮层细胞
的细胞壁K + 含量分别比对照增加 18. 7%、29. 3%和 21. 1%;细胞质 K +含量分别比对照增加
20. 0%、54. 1%和 19. 3% ;液泡 K + 含量则分别比对照增加了 46. 9%、73. 4%和 40. 6%。除在
PEG 处理 24 h 后细胞质 K + 与对照相比增加较多外, 在 3个不同时间处理下细胞壁与细胞质
K
+ 含量增加并不多,都在 20%左右。K + 含量增加最多的部位仍是液泡。根中柱薄壁组织细胞
的细胞壁 K + 含量分别比对照增加 14. 5%、27. 3%和 7. 3% ,细胞质 K + 含量分别比对照增加
21. 4%、40. 0%和 20. 7% ;液泡 K + 含量分别比对照增加 67. 4%、80. 3%和 59. 8%。
图 1　不同时间PEG 处理下的不同部位细胞的细胞壁、细胞质和液泡中的 K+含量
综上结果看出,在 PEG 模拟的渗透胁迫处理下, K +在根各部位组织细胞中的含量都有不
同程度的增加,表明渗透胁迫显著刺激了根各部位组织细胞中 K + 的累积。
在不同时间的 PEG处理下,在根各部位组织细胞中 K + 含量变化又是各不同的。在 PEG
处理 12 h后, K + 开始积累,提示植物细胞已开始对渗透胁迫作出反应; 在 PEG 处理 24 h 后,
K + 累积达到最大,表明此时 K + 对渗透胁迫的调节能力已达最大范围;随着 PEG 处理时间延
长至 36 h, K + 含量已从最高点开始下降,表明 K +对渗透胁迫的调节能力开始下降。不同胁迫
时间刺激 K + 累积的差异表明, 渗透胁迫诱导 K + 累积的增加与 K + 对渗透调节的作用和敏感
性密切相关, 随着胁迫时间的延长, K +累积达到最大, 说明 K +的调节作用是有限的, K + 积累
只在植物渗透调节初期起重要作用, 当胁迫时间更长时, 则需要其它有机小分子物质的渗透调
节系统来配合,如脯氨酸和甜菜碱等以及与其有关的运输和合成系统。
在细胞壁和细胞质中, K + 虽有增加,但增加的量并不多,增加的 K + 主要累积在液泡,这说
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明液泡是渗透胁迫下 K + 累积的主要场所。这个结果也表明了 K + 的转运途径,即在渗透胁迫
下 K + 通过质膜转入细胞质中, 然后又通过液泡膜进入到液泡,最后积累在液泡中。
2. 2　蛋白质合成抑制剂 CHM (环己酰亚胺)对 K + 累积的抑制作用
从图 2可以看出,在营养液中单独加入 CHM 时, K +在根表皮层的细胞壁、细胞质和液泡
中的含量与对照相比几乎没有变化。在培养液中单独加入 PEG 造成渗透胁迫 24 h 后, K + 在
细胞壁、细胞质和液泡中的含量分别比对照增加 17. 8%、44. 6%和 71. 6%;但在培养液中同时
加入 CHM 和 PEG时, K + 在细胞壁和液泡中的含量分别比对照增加 3. 4%和 7. 8% ,而细胞
质中K +含量比对照减少 2. 3%。
在图 2中还可见,单独用 PEG处理时, K +在根皮层细胞的细胞壁、细胞质和液泡中的含
量分别比对照增加 29. 3%、54. 1%和 73. 4%; 而在 CHM 与 PEG 同时处理时, K +在上述 3个
部位的含量分别比对照增加 5. 7%、4. 4%和 11. 9%。
在根中柱薄壁组织细胞中, 当 CHM 与 PEG 同时处理时, K + 在细胞壁、细胞质和液泡中
的含量分别比对照增加9. 1%、9. 3%和12. 1% (图 2) , K + 含量与对照相比,同根表皮层和皮层
细胞中的情况相似,即没有太大的改变。
CHM 是一种阻遏蛋白质合成的抑制剂,它本身对根中K + 的累积无影响(图2)。在营养液
中单独加入 CHM 时, 植物根能正常吸收 K + , 根各部位组织细胞中的 K + 含量与对照相似, 没
有什么差别。在营养液中单独加入 PEG处理 24 h后, K + 在根各部位组织细胞中的累积达到
最大,但如果在加入PEG 的同时加入CHM ,则PEG胁迫所促进的K +的累积效应基本消失或
大大降低,即 CHM 抑制了渗透胁迫下 K +的累积效应(图 2)。
图 2　PEG 和CHM 同时处理 24 h 后的不同部位细胞的细胞壁、细胞质和液泡中的K+ 含量
　　CHM 可抑制由 PEG刺激的 K + 累积说明,由渗透胁迫诱导的 K + 累积需要某些新合成的
蛋白质的参与。本文的结果表明, 渗透胁迫所诱导的 K +累积依赖于对 K + 具有高亲和力的蛋
白质的合成, 已有研究表明, PEG胁迫下高粱根中 66KD多肽的增多与 K + 累积增加有密切的
相关性[ 12]。这进一步证实了渗透胁迫下所诱导的 K +累积进程依赖于蛋白质的合成。
3　结　论
　　K + 的吸收是植物对水分胁迫适应过程中渗透调节的一个重要环节, K + 的累积在渗透调
节中起着重要作用。外界渗透胁迫在很大程度上刺激了 K +的累积,在渗透胁迫下 K + 在 1年
生群众杨插条苗根各部位组织细胞中都有明显的增加, 但增加的 K + 在细胞中有一个区域化
效应,主要积累在液泡中, X-射线微区分析结果证实了这一点。延长胁迫时间诱导了 K +累积,
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但是超过一定范围后, 植物 K + 累积减缓, 提示 K + 积累只在植物渗透调节初期起重要作用。
CHM 的抑制实验证实,渗透胁迫可刺激根细胞对 K +的吸收,但这种 K +的吸收过程依赖于蛋
白质的合成。这也说明应在与 K +吸收相关蛋白质的分离及特性方面进行深入的探讨。
参　考　文　献
　　1　汤章城.对渗透和淹水胁迫的适应机理.见:余叔文,汤章城主编.植物生理与分子生物学.北京: 科学出版社, 1998.
739.
　　2　Spicket t C M , Smirnof f N, Ratcl iff e R G. Metabolic responses of maize root s to hyperosmot ic shock. Plant Ph ysi-
ol . , 1992, 99: 856～863.
　　3　汤章城.植物对环境的适应和环境资源的利用.植物生理学通讯, 1994, 30(6) : 401～405.
　　4　 Sutherland L, Cair ney J, E lmore M J. Osmot ic regulat ion of t ranscr ipt ion induct ion of the proU b etaine t ransport
gene is d ependent on accumu lat ion of int racellu lar potassium. J. Bacteriol. , 1986, 168: 805.
　　 5　Binzel M L , Hess F D, Bress an R A. Int racellular Compartmen tat ion of ion in salt adapted tobacco cell s. Plant
Physiol . , 1988, 86: 607.
　　6　M unro G F, S au erbier W. Osm ot ical ly induced ex cretion of put res cine by muntants of Escherichia col i defect ive in
p otass ium tr ansport . J . Bacteriol . , 1973, 116: 488.
　　7　汤章城,王育启,吴亚华,等.钾在高粱苗水分亏缺时脯氨酸累积中的作用.植物生理学报, 1984, 10( 3) : 209～215.
　　8　Pollard A, Wyn Jones R G. Enzyme act ivity in concent rated s olut ions of glycinebetain e and other s olut ions . Planta,
1979, 144: 291.
　　9　Hand S C, S omero G N. Urea and m ethylamin e ef fect on rabb it muscle phosph ofru ctokinase. J. Bio. Chem. , 1983,
257: 734.
10　Frit z E . X-ray microanalys is of d iffus ible elem ents in p lan t cells af ter f reeze-drying, pres sure in fil t rat ion with ether
an d embedding in plast ic. S canning Micr os c. , 1989, 3: 517～526.
11　Li Qi, Frit z E. X-ray microanalys is of ion contents in root s of p op ulus max imow iz ii grow n under potass ium and
phosphorus deficiency. J. Plant Phys iol. , 1991, 138: 180～185.
12　贺志理,汤章城. PEG 胁迫下高粱根中 66KD 多肽的增多与 K+累积增强的关系.科学通报, 1993, 38( 23) : 2190～
2193.
K
+
Accumulation in Poplar Roots Induced by Osmotic Stress
Zhou X iaoyang　Zhang H ui　X ia X inli
( College of Plant Science, Beijing For est ry Universty, 100083, Beijin g, China)
　　Abstract　Cut t ings of Pop ulus × x iaoz huanica W. Y. Hsu et L iang cv .‘Popularis’35-44
w er e t reated w ith PEG solution. After fast f reezing, freeze-drying , pressure inf ilt rat ion w ith
ether and embedding in plast ic, K + content w er e measured by X-ray m icroanalysis in cell
w all, cytoplasm and vacuo le of rhizoderm is, cortex and stelar parenchyma cells of roo ts.
Compared to the controls, K
+
content in al l ro ot t issues w ere increased by o smo tic st ress. In
part icular, the increasing K
+
was larg ely accumulated in vacuole. T he K
+
accumulat ion in-
duced by o smo tic str ess could be inhibited completely by cyclohexim ide.
　　Key words　poplar; K + accumulat ion in root ; osmot ic st ress; cyclohex imide; X-ray mi-
cro analysis
349第 4 期　　　　　　　　　周晓阳等: 渗透胁迫下群众杨根细胞中的 K + 累积效应