全 文 ：园 艺 学 报 2006, 33 (5) : 1117～1120
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期 : 2006 - 01 - 04; 修回日期 : 2006 - 04 - 13
基金项目 : 国家自然科学基金项目 (30540056) ; 浙江省自然科学基金项目 (405185、303461) ; 浙江省生态学重点学科经费资助3 通讯作者 Author for correspondence ( E2mail: p liu99@1631com)
黄瓜根边缘细胞生物学特性及其对铝的响应
周 楠 陈文荣 刘 鹏 3 徐根娣 蔡妙珍
(浙江师范大学植物学实验室 , 浙江金华 321004)
摘 要 : 以黄瓜为试验材料 , 研究了黄瓜根边缘细胞的生物学特性及其对铝毒的响应。试验结果表明 ,
在黄瓜种子萌发过程中 , 根边缘细胞有很高的活性。当根长度在 25 mm, 根边缘细胞数目达到最高值 5 480
个 , 根伸长到 10 mm时 , PME (果胶甲基酯酶 ) 相对活性达到最高值 , 然后随着根的伸长 , PME相对活性
逐渐下降。在铝处理的条件下 , 黄瓜根长及边缘细胞的存活率会随着铝液浓度的升高依次递减 , 说明铝毒
对根的发育有明显的抑制作用及危害 , 而根冠的 PME活性却有所提高 , 说明了 PME与植物铝毒胁迫之间
存在着相关性。铝毒条件下边缘细胞 PME活性的提高 , 使细胞壁的果胶去甲基化 , 增加了 A l3 +的结合位
点 , 从而避免铝更多地进入细胞内 , 造成对植物的毒害。
关键词 : 黄瓜 ; 边缘细胞 ; 果胶甲基酯酶 ( PME) ; 根冠 ; 铝毒
中图分类号 : S 64212 文献标识码 : A 文章编号 : 05132353X (2006) 0521117204
B iolog ica l Character istic and the Respon se to A lum inum Tox ic ity of Cucum 2
ber Border Cells
Zhou Nan, Chen W enrong, L iu Peng3 , Xu Gendi, and CaiM iaozhen
( Key labora tory of B otany, Zhejiang N orm al U niversity, J inhua, Zhejiang 321004, China)
Abstract: B iological characteristic and response to alum inum toxicity of cucumber (Cucum is sa tiva) root
border cells have been studied. The experimental result indicated, during the sp rout p rocess of cucumber
seed, the root border cells had very high viability. W hen the root length was 25 mm, the number of the root
border cell reached its maximum ( about 5 480 ). The relative activity of PME ( Pectin methylesterase )
reached the maximum at 10 mm root length, then decreased gradually with the root elongating on. W ith the in2
creasing concentration of A l3 + , root length and survival rate of border cells decreased. These results showed
that alum inum toxicity had the obvious inhibition and harm to the growth of root and border cell. However,
PME activity enhanced with the increasing concentration of A l3 + , showing PME was related to the stress of a2
lum inum on p lant. Simultaneously, the increase of PME activity under alum inum treatment condition caused
demethylation of pectin in cucumber cell wall and increased A l3 + union position spots in the cell wall, thus
p revented much more alum inum from entering the cell and harm ing p lant.
Key words: Cucumber; Border cell; PME; Root cap; A lum inum toxicity
1 目的、材料与方法
根冠脱落细胞 ( Sloughed root cap cells) 被称为根边缘细胞 (Root border cells)〔1〕, 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 , 从而调节根
部环境〔2〕。边缘细胞的研究是一新兴领域 , 可望解决植物病理、植物营养及细胞学研究中很多悬而
未决的难题。目前铝毒被认为是一个限制占全球可耕地约 40%的酸性土壤地区作物产量的主要因素 ,
微量的 A l3 +即可抑制作物多数品种根的生长〔3〕。铝对植物的毒害在于降低了细胞成活率 , 增加了死
亡率。边缘细胞对铝敏感 , 在保护根尖和根冠免于铝毒害方面起到重要作用〔4〕。
园 艺 学 报 33卷
到目前为止 , 已经对 14个科 39属 48种植物边缘细胞的数量及其活性进行了检测〔5～11〕, 表明离
体的大麦 (Hordeum vu lga re) 边缘细胞在水中只能存活 3 d〔11〕, 但对黄瓜边缘细胞的生物学特性 , 及
其边缘细胞对铝毒响应的研究还未见报道。本文主要报告黄瓜边缘细胞的生物学特性及其对铝毒的响
应 , 为铝对植物的毒害过程和植物耐铝毒机理的研究提供资料。
以黄瓜 (Cucum is sa tiva) ‘津优 1号 ’为材料 , 将种子在 37℃蒸馏水中水浴 1 h, 然后置于含无
菌湿纱布的培养皿 (直径为 15 mm) 中 , 于 37℃保温箱中萌发 1 d, 用悬空气法培养露白种子 , 用橡
皮筋将纱网固定于 500 mL小烧杯中 , 杯底含有 200～250 mL蒸馏水 , 将露白种子播于网孔中 , 每杯
播 10～15粒露白种子 , 将播好种子的烧杯再放入盛有蒸馏水的 1 000 mL的大烧杯中 (小烧杯不浮起
为宜 ) , 用塑料薄膜和橡皮筋封口于 28℃保温箱中培养。铝处理时铝盐用无水氯化铝 (A lCl3 ) , 钙盐
用无水氯化钙 (CaCl2 )。
边缘细胞总数及死活数目检测 : 参照戚伟刚等方法〔12〕, 边缘细胞活性 =活细胞个数 /边缘细胞
总数 ×100%。
PME (果胶甲基酯酶 ) 的提取及活性测定 : 各剪取 0、5、10、15、20和 25 mm长度的 40个根
尖 (1～2 mm ) , 置于含 200μL的 PME提取液 ( Citric acid 011 mol/L、Na3 PO4 012 mol/L、NaCl 1
mol/L , pH518) 的研钵中 , 充分研磨后 , 将材料置于离心管中 , 充分振荡后于冰中放置 1 h, 每隔 20
m in振荡 1次 , 4℃、15 000 ×g离心 10 m in, 收集上清液 , 于 - 20℃保存。PME活性检测方法主要参
照 R ichard等〔13〕的方法 , 单位为 H +μmol/ h。
不同浓度铝对黄瓜根边缘细胞的影响 : 将已发芽 1 mm左右的黄瓜种子播于网孔中 , 然后按悬空
气法静置培养。分两组试验 : 试验一 , 铝处理离体培养。根据不同长度根边缘细胞总数统计试验发
现 , 在根长为 25 mm时边缘细胞数目达到最大值。剪取长度约 25 mm的根尖约 3mm, 置于盛有不同
浓度铝液的 Eppendorf管中分别培养 1、2、4、16、24 h, 然后计算边缘细胞的存活率。试验二 : 铝处
理活体培养。在根长至 2～3 mm时 , 每隔 1 h喷洒 1次铝液 , 在培养 4、8、12、16、20 h后 , 测量黄
瓜的根长及 PME活性。
各试验均设 4个铝处理 : R1: 25μmol/L , R2: 50μmol/L , R3: 100μmol/L , R4: 200μmol/L
的 A lCl3溶液 (pH 415, 各铝溶液中均含 200μmol / L CaCl2 ) , 并以 200μmol/L CaCl2作为对照 , 每个
处理 3次重复。根据 3次独立试验所得数据计算平均值和标准偏差 , 利用 SPSS1210分析软件进行方
差分析。
2 结果分析与讨论
211 黄瓜根边缘细胞的生物学特性
表 1显示 , 黄瓜第 1个边缘细胞几乎与根尖
同时出现。根长 5 mm时 , 已形成近 1 300个边缘
细胞 ; 在 5～25 mm, 随着根的伸长边缘细胞逐渐
增加 , 根长和边缘细胞数目表现出一定的相关性。
25 mm 根长时 , 边缘细胞总数目达到最高值
(5 480)。之后 , 根的伸长不再使边缘细胞数目增
加 , 并开始降低 , 30 mm根长时 , 边缘细胞降为
3 170个。同时边缘细胞的存活率随着根系的生长
也有所不同。在 5 mm时存活率最低 , 而在 10～
表 1 黄瓜根边缘细胞数、活性和根冠 PM E活性的变化
Table 1 Changes of border cell num ber, activ ity
and PM E activ ity of cucum ber
根长
Root length
(mm)
根边缘细胞数
Number of
border cell
根边缘细胞活性
Border cell
activity ( % )
PME活性
PME activity
(H +μmol/h)
5 1 300 ±148c 5314 ±213b 011305 ±010035a
10 3 833 ±156b 6612 ±510a 011420 ±010038a
15 4 013 ±309b 6514 ±115a 011160 ±010040b
20 4 127 ±143b 6210 ±816a 010840 ±010036c
25 5 480 ±252a 6219 ±619a 010565 ±010039d
25 mm的长度中 , 边缘细胞存活率基本保持相对稳定的状态 , 这些长度间的存活率没有显著性差异 ,
说明在黄瓜根系的不同发育时期所形成的边缘细胞具有较一致的生理活性。从我们的试验来看 , 黄瓜
边缘细胞在悬空气培养法中大约可存活 1～2 d, 低于马伯军等〔11〕所测的大麦边缘细胞最多能存活 3 d
8111
5期 周 楠等 : 黄瓜根边缘细胞生物学特性及其对铝的响应
的结果 , 说明不同物种之间存在着差异性。黄瓜属的哈密瓜最高边缘细胞数目 2 800个 , 活性 81% ～
89% , 丝瓜属的丝瓜最高边缘细胞数目 2 800个 , 活性 91% ～99% , 与本试验黄瓜有所差异 , 说明同
科不同属物种或同属不同种间存在着差异〔7〕。
从表 1还可以看出 , 黄瓜种子刚刚露白时 , 根冠 PME相对活性已达到了较高的水平 , 根长 10
mm时 , PME相对活性达到最高值。之后 , 随着根的伸长 , PME相对活性逐渐下降 , 根长 15、20和
25 mm时 PME活性都与根长 10 mm时的差异达到显著水平 ( P < 0105)。目前普遍认为 , PME是促进
边缘细胞脱离根系表面的主要因素〔10〕, 这可能是根长 0～5 mm时就已经有大量边缘细胞存在的原因
所在。
212 黄瓜根边缘细胞对铝毒的响应
表 2表明 , 同一时间内随铝液浓度的增加 , 边缘细胞存活率有依次递减的趋势 , 说明铝浓度的升
高对边缘细胞的伤害作用增强。随着铝处理时间的延长 , 在同一铝液浓度下 , 存活率也依次递减 , 说
明铝胁迫时间也会明显影响边缘细胞的活性 , 胁迫时间的增加会加大植物根边缘细胞所受到的抑制作
用。
Hawes等研究表明〔9〕, 铝中毒的前 2 h内 , 豌豆边缘细胞的死亡率与铝浓度呈线性关系 , 以后随
着毒害时间的延长 , 死亡的边缘细胞逐渐增多 , 与本试验结果相似。
表 2 铝液对黄瓜根边缘细胞发育的影响
Table 2 Effect of a lum inum on border cell developm en t in cucum ber
A l3 +浓度 Concentration
of A l3 + (μmol/L)
边缘细胞存活率 Survial rate of border cell ( % )
1 h 2 h 4 h 16 h 24 h
0 0172 ±0101a 0169 ±0103a 0167 ±0103a 0164 ±0104a 0137 ±0101a
25 0170 ±0103b 0165 ±0102b 0152 ±0103c 0143 ±0102b 0133 ±0102b
50 0167 ±0101c 0162 ±0103d 0153 ±0105b 0127 ±0102d 0121 ±0103c
100 0165 ±0102d 0163 ±0102c 0143 ±0104d 0132 ±0102c 0111 ±0102d
200 0142 ±0103e 0125 ±0103e 0123 ±0102e 0118 ±0104e 0105 ±0102e
多数研究表明 , 铝毒能在短时间内抑制根的伸长 , 并把根系伸长作为测定铝毒的重要指标〔3〕。
从表 3可以看出 , 相同处理时间下 , 随着铝处理浓度的增加 , 根的长度都明显下降。在相同的铝浓度
处理下 , 随着时间的延长 , 黄瓜根仍继续伸长。表 3的结果还显示 , 在相同处理时间下 , 各个铝液浓
度对黄瓜根冠 PME活性都有促进作用 , 尤其是当铝处理为 100μmol / L时 , PME活性明显高于其它
浓度铝处理 , 说明了 PME与植物抗铝毒之间存在着相关性。Stephenson等〔14〕对豌豆边缘细胞的研究
表明 , 根冠中编译 PME的 mRNA的增加先于 PME的增加 , Zhu〔15〕研究表明 , 边缘细胞 PME基因 1
( rcpm e1) 表达以后 , PME的活性增加 , 由此可推测 , 100μmol/L的 A l3 +对黄瓜而言诱导 rcpm e1基因
表达量达到最大 , 当 A l3 +浓度增至 200μmol/L时 , 已超过植物组织所能承受的极限 , 使整个代谢系
统紊乱 , 导致 PME活性也迅速下降。
表 3 铝液对黄瓜根长及对根冠 PM E活性的影响
Table 3 Effect of a lum inum on root length and activ ity of PM E in root cap of cucum ber
A l3 +浓度
Concentration
of A l3 +
(μmol/L)
4 h
根长
Length of
root (mm )
PM E
(H +
μmol/h)
8 h
根长
Length of
root (mm )
PM E
(H +
μmol/h)
12 h
根长
Length of
root (mm )
PM E
(H +
μmol/h)
16 h
根长
Length of
root (mm )
PM E
(H +
μmol/h)
20 h
根长
Length of
root (mm )
PM E
(H +
μmol/h)
0 1016 ±0184a 01150 ±01030d 1619 ±0199a 01151 ±01029d 2011 ±0174a 01141 ±01025c 2415 ±0150a 01142 ±01026e 2815 ±0197a 01104 ±01030d
25 710 ±0167b 01179 ±01039c 916 ±0170b 01149 ±01040d 1311 ±1130b 01116 ±01040d 1416 ±1120b 01157 ±01036d 2116 ±1180b 01135 ±01040c
50 611 ±0188b 01226 ±01040b 517 ±0182c 01182 ±01037c 714 ±0152c 01174 ±01036b 1017 ±0190c 01165 ±01038b 1211 ±1140c 01146 ±01040b
100 417 ±0148c 01311 ±01040a 319 ±0157d 01231 ±01038a 318 ±0163d 01218 ±01035a 710 ±0163d 01190 ±01040b 710 ±0167d 01153 ±01036a
200 316 ±0152c 01180 ±01037c 311 ±0132d 01193 ±01040b 216 ±0152d 01093 ±01040e 314 ±0192e 01204 ±01038a 313 ±1160e 01099 ±01038d
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边缘细胞及其细胞壁外的果胶层是植物抗铝毒胁迫的一个重要机制之一〔15〕。细胞壁所富含的果
胶是 A l3 +的主要结合位点〔16〕, 铝处理使 PME的活性显著提高 , 促使果胶去甲基化形成更多的羧基 ,
结果使更多的 A l3 +结合于细胞壁上的带负电位点 , 最终使 A l3 +禁锢于根尖表面并丧失对根尖的毒害
作用。我们的试验再次显示了各个铝液浓度对黄瓜根冠 PME酶活性都有促进作用。另一方面 , PME
活性在边缘细胞游离过程中起着重要作用 , Zhu等〔15〕的研究表明 , 大麦在铝处理初期 , PME活性显
著增加 , 使根表面带负电位点 , 使其结合的 A l3 +增加 , 之后 PME活性大幅下降 , 致使边缘细胞的产
生数量迅速下降。边缘细胞及其外裹的果胶层主要分布于根尖及根冠分裂组织周围 , 不仅减少根系伸
长过程中与土壤的磨擦作用 , 而且可以减少铝进入根尖、根冠分裂组织以保护植物根系免受铝毒伤
害〔2〕。本研究与大麦有不同的变化趋势 , 黄瓜根系 PME活性在各种铝浓度处理下均维持在较高水平 ,
致使边缘细胞数目也持续增长 , 显示出黄瓜对铝毒有较大的适应能力。
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