全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(4): 695−703 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家“十一五”科技攻关计划项目(2004BA525B06), 国家自然科学基金项目(30540056), 浙江省自然科学基金项目(303461和 304185)资助。
*
通讯作者(Corresponding author): 刘鹏, E-mail: sky79@zjnu.cn
第一作者联系方式: E-mail: huina2142004@163.com
Received(收稿日期): 2008-06-07; Accepted(接受日期): 2008-12-15.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.00695
铝胁迫下大豆根尖细胞铝的微区分布与耐铝性分析
俞慧娜 刘 鹏* 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: 以浙春 3 号为实验材料, 利用透射电镜(TEM: Transmission Electron Microscope)-X-射线能谱(EDS: Energy
Dispersive X-ray), 调查铝胁迫下大豆根尖铝的微区分布及耐铝性。结果表明, Al3+胁迫导致根尖细胞细胞壁不规则加
厚, 线粒体数量增多, 核膜膨胀, 液泡中存在较多的电子致密沉淀物。90 mg L−1 Al3+处理的根尖细胞内含物完全降解
消失, 仅剩细胞壁。10 mg L−1 Al3+处理的线粒体、细胞壁和液泡电子致密沉淀物中均检测到 Al; 随着 Al3+处理浓度
的增大, 各细胞器中 Al的质量和原子数百分比逐渐增大。线粒体在 60 mg L−1和 90 mg L−1Al3+处理下, 液泡电子致
密沉淀物在 90 mg L−1Al3+处理下, 均未被检测出 Al。在 60 mg L−1Al3+处理下唯一一次在细胞核中检测到 Al。Al3+抑
制了根系生长, 根系细胞中细胞壁的 Al3+含量受影响最明显。P/Al 在细胞壁和线粒体中的相对原子数随 Al3+浓度的
增大而下降。研究结果表明 X-射线能谱对铝在亚显微结构上的定位是一种快速、有效的方法。铝最先积累在细胞壁
上, 随 Al3+处理浓度增大逐渐积累于部分细胞器和细胞核中, 且含量在细胞中的分布亦由外向里呈递减趋势。
关键词: 铝胁迫; 大豆; 根尖细胞; 透射电镜-X-射线能谱分析; 根系生长
Distribution of Al3+ in Subcellular Structure of Root Tips Cells and Alu-
minum Tolerance in Soybean
YU Hui-Na, LIU Peng*, XU Gen-Di, and CAI Miao-Zhen
Key Laboratory of Botany, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China
Abstract: Aluminum (Al) toxicity is a major limiting factor for yield and quality in crop production in acid soil. Micromolar con-
centrations of Al3+ may inhibit root elongation and consequently influence water and nutrient uptake, resulting in poor plant
growth. The microanalysis of the elements was conducted on Zhechun 3 by using Transmission Electron Microscope (TEM) and
Energy Dispersive X-ray (EDS) to examine the distribution of Al3+ in root tips and Al resistance of soybean. We found that Al3+
stresses resulted in irregularly thickened cell wall, increased number of mitochondria, expanded nuclear membrane, and densified
precipitates of vacuole. Under the highest Al3+ concentration, the mitochondria and other organelles disappeared but cell wall. We
detected Al in cell wall, mitochondria and electron-dense precipitates of vacuole of root tip cell under the 10 mg L−1Al3+ stresses
by EDS. With the increase of external Al3+ concentration treated, the weight and atomic percentage of Al in the organelles in-
creased. The Al3+ was found in nuclei when the external Al3+ was over 60 mg L−1. And there was no Al3+ in mitochondrion under
60 mg L−1 and 90 mg L−1Al3+ treatments and electron-dense precipitates of vacuole under the 90 mg L−1 Al3+ stresses. The 14 days
Al3+ stresses significantly inhibited the growth of root system. The content of Al3+ in cell wall was most significantly impacted by
the external Al3+ concentration. The atomic number of P/Al in cell wall and mitochondria decreased with increased Al3+ content.
EDS can be used to determine the subcellular location of Al3+. As the treatment concentrations of Al3+ increased, Al3+ primarily
accumulated in the cell wall, gradually gathered in part of the organelles and nuclei. The Al3+ concentrations also decreased from
out layer to insider in the cell.
Keywords: Al3+ stresses; Soybean; Root tip cell; Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray Analysis; Root
growth
铝毒是酸性土壤中限制作物生长的主要因素 ,
铝抑制作物根系的生长从而影响其水分和矿质吸收,
最终导致作物生长缓慢[1]。通常认为, 植物对铝毒的
反应首先表现在根系上[2]。根尖是感受铝毒的最初
696 作 物 学 报 第 35卷

部位, 且铝在根尖细胞壁上的积累是铝对植物根尖
产生毒害的首要条件, 是铝毒敏感性的主要特征[3]。
对于植物根尖铝含量的测定已有较多的方法, 如苏
木精染色、盐酸脱色测定大麦(Hordeum vulgare L.)
根的铝相对含量 [4], 电感耦合高频等离子体原子发
射光谱(ICP)测定茶树(Camellia sinensis)根中 Al 的
积累 [5], 以及利用不同离心速度提取龙眼(Dimocar-
pus longana Lour)根系各个细胞器, 测定亚细胞水
平上的铝含量[6]。但这些方法并不能充分提供有关
铝在根尖分布的信息。X-射线能谱分析技术是利用
样品中的元素原子在受到外源电子束轰击时产生的
特征 X 射线, 对样品表面确定区域内存在的元素进
行定性和定量分析 [7]。近年来 X-射线能谱 (EDS:
Energy Dispersive X-ray)仪与扫描电镜(SEM: Scan-
ning Electron Microscope)和透射电镜(TEM: Trans-
mission Electron Microscope)结合, 对铝在植物体中
的微区分布展开了研究。何龙飞等[8]采用 SEM-EDS
研究耐 Al 性不同的小麦(Triticum aestivum L.)品种
根系中铝、钙、钾在表皮细胞、皮层细胞和中柱细
胞壁的分布。也有的采用 TEM-EDS 结合的方式测
定 Al3+胁迫下玉米(Zea mays L.)根尖细胞壁和液泡
中的铝含量[9]。不同于用苏木精、ICP测定根系总铝
含量, 用差数离心提取各细胞器测定其绝对铝含量
和以 EDS 研究铝及其他元素在细胞中的相对含量,
可更好揭示铝在细胞器中的分布规律。本文采用水
培法及 TEM-EDS技术分析大豆根尖细胞中细胞壁、
线粒体、液泡、细胞核等细胞器的相对铝含量, 并
结合根系细胞器铝含量及根系生长特性研究铝在根
尖细胞不同细胞器的分布规律, 以期从铝的微区分
布丰富大豆的耐铝毒机理。
1 材料与方法
1.1 材料和处理
以铝敏感大豆[Glycine max (L.) Merrill]品种浙
春 3 号[10]为材料进行水培。选大小一致、健康饱满
的种子植入消毒过的沙土中进行萌发。当幼苗长至
第 1片真叶完全展开时, 将其移入 5 L的不透光的塑
料水桶中 , 用 1/2 Hoagland 营养液 , 加分析纯
AlCl3·6H2O 配制的铝溶液胁迫培养, 用羊毛铬青 R
比色法[11]测定溶液中的 Al3+含量, 使 Al3+浓度分别
为 10、30、60、90 mg L−1[10,12], 用不含 AlCl3的 1/2
Hoagland营养液为对照(CK)。培养过程中每 5 d更
换一次营养液, 用 NaOH 和 HCl 每天 2 次调节 pH,
使其控制在 5.0, 用气泵每天 2次通气, 每次 2 h。每
个 Al3+处理重复 3 次。Al3+处理 14 d 时进行 TEM-
EDS微区成分分析及根系相关指标的测定。
1.2 TEM-EDS微区成分分析
将大豆根系洗净、擦干, 取根尖 0.5 cm, 用 2.5%
的戊二醛(用 0.1 mol L−1 pH 7.2的磷酸缓冲液稀释而
成)进行前固定, 0.1 mol L−1 pH 7.0磷酸缓冲液冲洗,
用 1%的锇酸后固定, 酒精系列脱水、渗透, Epon 812
环氧树脂包埋, 用钻石刀在超薄切片机上切成 120
nm的薄片, 展开于不锈钢网(含有铁、铬)。通过 JEM-
2010(HR)透射电镜寻找样品细胞中电子云密度小体
的分布位点, 以 EDS(Oxiford-INCA)能谱仪分析样
品中的铝等元素的亚细胞分布。以附带标样程序的
计算机判断各峰值代表的元素种类, 并自动计算出
峰值中 C、O、P、Al等元素分别占细胞中相对质量
和原子数的百分数。
能谱仪的加速电压为 200 kV, 最小光斑直径
(Spotsize)为 80 nm, 样品台倾角为 35º, 保持每秒所
读信息量(CPS)为 350左右, 收录时间为 100 s, 分辨
率 MnKα为 133 eV, 最小微区为 5 nm。
1.3 根系细胞器铝含量的测定
参照潘根生等 [13]法提取根系细胞器 , 消化后 ,
用羊毛铬青 R 法测定铝含量, 用单位鲜根所含的铝
含量(μg g−1)表示。
1.4 根系干重
取大豆根系, 用去离子水冲洗干净, 放在称量
瓶中, 在 105℃下杀青 0.5~2.0 h之后于 75℃恒温处
理 48 h, 用 1/10000电子天平称其干重。
1.5 根系分析
采用 STD 1600+型根系分析仪对大豆根系进行
扫描, 用图像分析软件 Win RHIZO 分析根系总长
度、根系总体积。
2 结果与分析
2.1 铝对大豆根尖亚细胞结构的影响
在对照中(图 1), 大豆根尖细胞结构清晰, 细胞核
完整, 核膜核仁清晰。线粒体结构正常, 呈圆形或肾
形, 分布在细胞中。液泡散在于整个细胞, 内含电子
致密沉淀物。用 10 mg L−1Al3+处理后(图 2), 根尖细
胞线粒体数目增多, 双层膜完好。液泡中存在较多
的电子致密沉淀物。核膜膨胀, 模糊不清, 不如对照
清晰。细胞壁不规则加厚, 受损小。用 30 mg L−1 Al3+
处理后(图 3), 大豆根尖细胞间隙变大, 质膜部分向内
第 4期 俞慧娜等: 铝胁迫下大豆根尖细胞铝的微区分布与耐铝性分析 697





图 1 正常培养后大豆根尖细胞的亚显微结构图
Fig. 1 Image of the ultrastructure of root tip cells under normal culture
A: 根尖细胞的完整结构图; B: 细胞壁的正常结构; C: 细胞核的正常结构; D: 线粒体和液泡的正常结构。
cw: 细胞壁; m: 线粒体; mn: 核膜; n: 细胞核; v: 液泡; 放大倍数 2 μm。
A: complete structure of root tip cell; B: natural structure of cell wall; C: natural structure of nucleus; D: natural structure of mitochondrion
and vacuoles. Scale bar is 2 μm; cw: cell wall; m: mitochondrion; mn: external membrane of nucleus; n: nucleus; v: vacuole; TEM: transmis-
sion electron microscopy.



图 2 10 mg L−1 Al3+处理大豆根尖细胞的亚显微结构图
Fig. 2 Image of the ultrastructure of root tip cells with 10 mg
L−1 Al3+ treatment by TEM
A: 细胞壁加厚; B: 细胞核结构图, 核膜膨胀。cw: 细胞壁; m:
线粒体; mn: 核膜; n: 细胞核; v: 液泡; 放大倍数 2 μm。
A: thickened cell wall; B: integrity structure of nucleus, external
membrane of nucleus was swollen. Scale bar is 2 μm; cw: cell wall;
m: mitochondrion; mn: external membrane of nucleus; n: nucleus;
v: vacuole; TEM: transmission electron microscopy.
波折。液泡中的电子致密沉淀物较对照少, 细胞核
仁解体, 核膜结构仍完整。线粒体内膜逐渐解体, 外
膜部分出现损伤。TEM观察发现 60 mg L−1 Al3+处理
的大豆根尖(图 4-A), 细胞结构不完整, 发生严重的
质壁分离 , 细胞质降解 , 细胞核开始解体 , 线粒体
等细胞器消失。用 90 mg L−1Al3+处理后(图 4-B), 细
胞结构不完整, 细胞内容物完全降解消失, 细胞呈
空泡化, 仅剩细胞壁且不完整。
2.2 铝在大豆根尖的微区分布特点
表 1和表 2表明, 采用 EDS法均未检测到对照
大豆根尖各细胞器中的 Al分布。10 mg L−1 Al3+处理
下, 用 EDS检测到细胞壁上、线粒体和液泡电子致
密沉淀物中有 Al 存在, 但在各细胞器中 Al 的质量
和原子数百分比均较小。随着 Al3+处理浓度的增加,



图 3 30 mg L−1Al3+处理大豆根尖细胞的亚显微结构图
Fig. 3 Image of the ultrastructure of root tip cells with 30 mg L−1 Al3+ treatment by TEM
A: 细胞核仁开始解体; B: 线粒体解体; C: 细胞间隙变大。cw：细胞壁; cy：细胞质; mn: 核膜; m: 线粒体; v: 液泡; 放大倍数 2 μm。
A: disorganized nucleus; B: disorganized mitochondrion; C: widened intercellulan space. Scale bar is 2 μm; cw: cell wall; cy: cytoplasm; mn:
external membrane of nucleus; m: mitochondrion; v: vacuole; TEM: transmission electron microscopy.

698 作 物 学 报 第 35卷



图 4 60 mg L−1和 90 mg L−1 Al3+处理大豆根尖细胞的
亚显微结构图
Fig. 4 Image of the ultrastructure of root tip cells with 60 and
90 mg L−1 Al3+ treatment by TEM
A: 60 mg L−1Al3+处理, 细胞严重质壁分离, 细胞质降解, 细胞核解
体, 线粒体消失; B: 90 mg L−1 Al3+处理, 细胞内容物降解, 细胞呈空
泡化。cw：细胞壁; cy：细胞质; 放大倍数：A = 2 μm; B = 5 μm。
A: 60 mg L−1 Al treatment, showing cell plasmolysis, degradated
cytoplasm, disintegrated nucleus, disappeared mitochondrion; B: 90
mg L−1 Al3+ treatment, showing degradated cellular content and
vacuoligation. Scale bars are 2 μm for A and 5 μm for B; cw: cell
wall; cy: cytoplasm; TEM: transmission electron microscopy.

细胞壁、线粒体和液泡电子致密沉淀物上 Al的质量
和原子数百分比逐渐增大, 例如线粒体的该参数在
30 mg L−1Al3+处理中约为 10 mg L−1 Al3+处理的 3倍
(图 5-B)。在 60 mg L−1 Al3+处理下, 开始解体的细胞
核中检测到 Al, 这是本实验中唯一一次在细胞核中
检测到Al的存在(图 5-D), Al的质量和原子数百分比
分别为 0.10%和 0.67%。在此处理中, 液泡电子致密
沉淀物中的 Al 的质量和原子百分比达到最大(图
5-C)。在 60和 90 mg L−1 Al3+处理中, 细胞质开始解
体, 线粒体消失, 因此也无法检测线粒体中是否有
Al的存在。且 90 mg L−1 Al3+, 残存细胞壁中的 Al
原子数百分比达到最大(图 5-A)。从空间上看, Al的
亚细胞分布由外向里呈递减趁势 , 即细胞壁>线粒
体>液泡中的电子致密沉淀物>细胞核。
2.3 铝在大豆根系的亚细胞分布特点
图 6表明, 根细胞细胞壁和各细胞器 Al含量为
细胞壁>线粒体>细胞核。随着 Al3+浓度的增大, 各
细胞器的 Al含量均有所增加。在 90 mg L−1Al3+浓度
下, 细胞壁达到 18.2 μg g−1, 为对照的 13.8倍; 线粒
体达到 5.5 μg g−1, 为对照的 7.4倍; 细胞核达到 4.9
μg g−1, 为对照的 5.8 倍。由此可见细胞壁的含 Al
量受 Al3+浓度的影响最明显, 细胞核的含 Al量相对
较稳定, 线粒体铝含量的变化比细胞核明显, 各处
理与对照的差异均显著(P<0.05)。

表 1 不同铝浓度下大豆根尖细胞器的部分元素质量百分比
Table 1 Weight percentage for some elements in the organelles of root tip cells in soybean under different Al3+ stresses (%)

细胞壁
Cell wall


细胞核
Nucleus


线粒体
Mitochondrion

液泡电子致密沉淀物
Electron-dense precipitates of
vacuole

铝浓度
Al3+
concentration
C O P Al C O P Al C O P Al C O P Al
0 mg L−1(CK) 1.05 0.57 0.26 − 0.77 0.44 0.70 − 1.38 0.76 0.40 − 0.63 0.32 0.15 −
10 mg L−1 0.52 0.34 0.15 0.09 0.68 0.35 0.40 − 1.50 0.57 0.42 0.02 0.31 0.18 0.07 0.05
30 mg L−1 0.75 0.56 0.21 0.15 0.76 0.37 0.18 − 0.44 0.22 0.07 0.06 0.82 0.44 0.20 0.11
60 mg L−1 0.84 0.67 0.29 0.19 0.55 0.21 0.20 0.10 − − − − 0.61 0.29 0.23 0.12
90 mg L−1 0.59 0.44 0.21 0.18 − − − − − − − − − − − −
−: 在细胞壁、部分细胞器和细胞核中没有发现。−: not detected in the cell wall, organelles, and nucleus.

表 2 不同铝浓度下大豆根尖细胞器的部分元素原子数百分比
Table 2 Atomicity percentage for some elements in the organelles of root tip cells in soybean under different Al3+ stresses (%)

细胞壁
Cell wall


细胞核
Nucleus


线粒体
Mitochondrion

液泡电子致密沉淀物
Electron-dense precipitates
of vacuole

铝浓度
Al3+
concentration
C O P Al C O P Al C O P Al C O P Al
0 mg L−1(CK) 93.73 3.20 0.16 − 93.76 3.01 0.22 − 89.38 5.83 0.45 − 92.97 2.90 0.18 −
10 mg L−1 94.86 2.82 0.20 0.15 89.38 5.93 0.45 − 85.85 2.74 0.65 0.04 95.25 2.18 0.06 0.03
30 mg L−1 92.79 5.15 0.28 0.21 92.31 2.04 0.37 − 89.11 4.15 0.21 0.11 93.98 2.89 0.18 0.10
60 mg L−1 92.15 6.11 0.46 0.41 90.38 3.40 1.66 0.67 − − − − 77.16 7.14 2.39 1.08
90 mg L−1 86.70 8.23 1.59 1.74 − − − − − − − − − − − −
−: 在细胞壁、部分细胞器和细胞核中没有发现。−: not detected in the cell wall, organelles, and nucleus.
第 4期 俞慧娜等: 铝胁迫下大豆根尖细胞铝的微区分布与耐铝性分析 699




图 5 大豆根尖细胞细胞器的 EDS谱图
Fig. 5 EDS spectrogram in cell organelles of root tip cells of soybean under different Al3+ stresses
A: 在 90 mg L−1Al3+处理中的细胞壁 EDS谱图; B: 在 30 mg L−1Al3+处理中的线粒体 EDS谱图; C: 在 60 mg L−1 Al3+处理中的液泡电子
致密沉淀物 EDS谱图; D: 在 60 mg L−1Al3+处理中的细胞核 EDS谱图。图中标注的铜(Cu)、铁(Fe)和锇(Os)为样品制备过程中引入的
金属元素。图中箭处指 EDS谱图中 Al的位置。
A: cell wall under 90 mg L−1 Al3+ treatment; B: mitochondrion under 30 mg L−1 Al3+ treatment; C: electron-dense precipitates of vacuole
under 60 mg L−1 Al3+ treatment; D: nucleus under 60 mg L−1 Al3+ treatment. The metal elements such as copper(Cu), iron(Fe), and osmic(Os)
acid were adhibited with the processes of sample preparation. The arrow represented the position of Al in the EDS spectrogram.




图 6 不同铝浓度下大豆根系亚细胞铝含量的变化
Fig. 6 Change of Al3+content in the root subcellular structures
in soybean under different Al3+ stresses
图中不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。
Letters indicate statistical significance for the content of Al3+.
The Al3+contents with a different letter are significantly
different (P<0.05).
2.4 铝与其他元素微区分布间的关系
由表 1 和表 2 可见, 只有 P 的原子数百分比在
细胞壁中随着 Al3+浓度的增加而增大, 其余的变化
规律均不明显。进一步研究 C、O、P 相对于 Al 的
质量和原子数比值(表 3和表 4)表明, C/Al在细胞壁
和线粒体中有下降的趋势 , O/Al 在线粒体中随着
Al3+浓度的增加而降低, 在细胞壁中 10 mg L−1和 30
mg L−1 Al3+处理的 P/Al基本一致, 随着 Al3+浓度的
增加而下降, 线粒体中 P/Al 也随 Al3+浓度的增加而
下降, 而液泡黑色内含物的 P/Al 随着 Al3+浓度的增
加变化不明显。
2.5 铝对大豆根系生长的影响
铝对浙春 3 号根系生长的影响主要体现在其
根系干重、根系总长度和根系总体积上(表 5)。随着
Al3+处理浓度的增加根系干重明显减小, 在 Al3+浓
度为 90 mg L−1下达到最小值, 与对照相比, 减幅达
67.98%。Al3+胁迫下大豆根系的伸长受抑制程度加
700 作 物 学 报 第 35卷

表 3 不同铝浓度下大豆根尖细胞细胞器部分元素相对铝的质量比值
Table 3 Weight ratio for Al and partial elements in the organelles of root tip cells in soybean under different Al3+ stresses

细胞壁
Cell wall


细胞核
Nucleus


线粒体
Mitochondrion

液泡电子致密沉淀物
Electron-dense precipi-
tates of vacuole

铝浓度
Al3+ concentration
C/Al O/Al P/Al C/Al O/Al P/Al C/Al O/Al P/Al C/Al O/Al P/Al
0 mg L−1(CK) − − − − − − − − − − − −
10 mg L−1 5.78 3.78 1.67 − − − 75.00 28.50 21.00 6.20 3.60 1.40
30 mg L−1 5.00 3.73 1.40 − − − 7.33 3.67 1.17 7.45 4.00 1.82
60 mg L−1 4.42 3.53 1.53 5.50 2.10 2.00 − − − 5.08 2.64 1.92
90 mg L−1 3.28 2.44 1.17 − − − − − − − − −
−：在细胞壁、部分细胞器和细胞核中没有发现。−：not detected in the cell wall, organelles and nucleus.

表 4 不同铝浓度下大豆根尖细胞细胞器部分元素相对铝的原子数比值
Table 4 Atomicity ratio of partial elements to Al in the organelles of root tip cells in soybean under different Al3+ stresses

细胞壁
Cell wall


细胞核
Nucleus


线粒体
Mitochondrion

液泡电子致密沉淀物
Electron-dense precipitates
of vacuole

铝浓度
Al3+ concentration
C/Al O/Al P/Al C/Al O/Al P/Al C/Al O/Al P/Al C/Al O/Al P/Al
0 mg L−1(CK) − − − − − − − − − − − −
10 mg L−1 632.40 18.80 1.33 − − − 2146.25 68.50 16.25 3175.00 72.67 2.00
30 mg L−1 441.86 34.33 1.33 − − − 810.10 37.73 1.91 939.80 28.90 1.80
60 mg L−1 224.76 14.90 1.12 134.90 5.07 2.48 − − − 71.44 6.61 2.21
90 mg L−1 49.83 4.73 0.91 − − − − − − − − −
−: 在细胞壁、部分细胞器和细胞核中没有发现。−: not detected in the cell wall, organelles and nucleus.

表 5 不同的铝浓度对大豆根系生长的影响
Table 5 Root growth in soybean under different Al3+ stresses
铝浓度 Al3+ concentration 性状
Trait 0 mg L−1(CK) 10 mg L−1 30 mg L−1 60 mg L−1 90 mg L−1
根系干重
Dry matter of root system (mg)
63.40± 3.50 a 42.80±1.20 b 34.60±3.50 c 24.60±3.10 d 20.30± 4.00 d
根系总长度
Total length of roots (cm)
622.10±8.45 a 528.10±10.65 b 377.10±22.39 c 115.00±6.01 d 85.95±8.83 e
根系总体积
Total volume of roots (cm3)
1.26±0.18 a 0.98±0.07 b 0.63±0.03 c 0.44±0.03 cd 0.28±0.03 d
表中不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。
Values for an indicate followed by a different letter are significantly different (P<0.05).

剧, 对根系总长度的抑制明显, 与对照均存在显著
差异(P< 0.05)。根系总体积在 90 mg L−1 Al3+下达到
最小, 仅为对照的 22.05%。根系干重与细胞壁铝含
量(n = 14, r = –0.960)和线粒体铝含量(n = 14, r =
–0.961)均极显著负相关 , 根系总长度(n = 14, r =
–0.980)和根系总体积(n = 14, r = –0.943)均与细胞壁
铝含量极显著负相关。
3 讨论
铝的毒害作用是铝在植物体, 尤其是在根中积
累的结果。Ryan 等[14]研究表明, 将玉米根顶端 2~3
mm(包括根冠、分生组织和伸长区)暴露在 Al3+溶液
中, 即可引起根生长的抑制, 而将除根尖外的其他
部位暴露到 Al3+溶液中 , 根生长不受到影响。
Delhaize 等[1]研究表明, 根尖积累的 Al 及其产生的
物理损伤远远超过根的其他部位。因此根尖被认为
是植物受 Al毒胁迫的首要位点[14]。
本研究表明, 在铝毒胁迫下根尖细胞的亚显微
结构受到影响。10 mg L−1 Al3+处理下线粒体数目增
加, 可能是因为植物增加了呼吸作用, 保持了植物
维持正常生理功能所需要的能量[15]。在 30 mg L−1
Al3+处理中细胞间隙增大 , 是大豆对外界条件的一
种反应, 这在先前研究中均有报道[16-17]。液泡是植
物细胞内的一个多功能细胞器, 尤其是根细胞内的
第 4期 俞慧娜等: 铝胁迫下大豆根尖细胞铝的微区分布与耐铝性分析 701


液泡, 具有一定的储藏功能。有研究表明, 在重力作
用下的大豆根尖细胞, 液泡数目增多[16]; Zaalishvili
等[18]研究表明, 硝基苯作用下的大豆根部液泡内有
电子致密沉淀物。本研究显示在 10 mg L−1 Al3+处理
中液泡的电子致密沉淀物数量要比对照多, 但是随
着 Al3+浓度的增加, 电子致密沉淀物数目又有所减
少。推测电子致密沉淀物的多少可能与根系生长有
关[18]。至于电子致密沉淀物中除了 Al等一些基本元
素外, 还有什么物质, 需要进一步的研究。
细胞壁作为植物防御不良环境的第一道屏障 ,
在植物抗铝毒机理中的作用备受关注。铝能在细胞
壁上积累已经早有报道。早在 1967 年, Clarkson[19]
发现, 进入大麦根系的 Al 有 85%~90%以上存在于
细胞壁中, 进入黄秋葵(Abelmaschus esculentus)胚轴
细胞的Al也有 95%结合于细胞壁上[20], 在珊瑚轮藻
(Chara corallina)中甚至有 99.99%的 Al结合在细胞
壁上[21]。但铝能否跨质膜进入细胞质一直是令人感兴
趣的问题, 也是解决铝毒害机理的前提。Marienfeld
等 [22]和 Mariedfeled 等 [23]发现在燕麦(Avena sativa
Linn)根尖细胞的细胞壁上有大量 Al 积累, 但在细
胞内部没有 Al 的存在。Delhaize 等[24]用 X-射线微
区分析对小麦根的 Al分布进行了初步研究, 推断短
时间的 Al3+处理(8 h和 24 h)后, Al可能进入细胞质,
但缺乏直接的证据。Lazof等[25]用次生离子质谱法测
定 Al3+处理大豆根距根顶端不同距离处的 Al3+含量,
也认为 Al能进入细胞质。20 μmol L−1 Al3+处理 4 h,
在玉米根尖细胞的细胞壁和液泡内的沉积物中有 Al
被检测到[9]。何龙飞等[8]测定 Al3+处理后小麦根不同
组织细胞壁和细胞质的元素分布, 表明 Al能够进入
表皮和皮层的细胞质。本实验表明 Al最先积累在细
胞壁上, 随后相继在线粒体、液泡电子致密沉淀物
和细胞核中被检测到。Al 在细胞壁上积累量最多,
与前人的研究结果基本一致。铝在细胞壁上大量积
累, 对有效阻止铝进入细胞内部起了非常重要的作
用, 增加了铝耐性, 为铝的外部解毒机理提供了又
一佐证。由于细胞壁、细胞器和细胞核结合、积累
铝的能力有差异, X-射线能谱可以快速、有效地对铝
在亚显微结构上的定位进行分析。
植物铝毒害最容易识别的症状就是根的生长受
到抑制, 肉眼可见的铝毒症状包括根伸长生长的抑
制[1]、根尖膨大[26]、表皮脱落[27]等。目前有关研究
表明, 水培条件下, 100 mg L−1 Al3+即抑制大豆的根
系生长, 主根长、根生物量均下降[28]。沙培条件下,
低Al3+促进大豆的根系长度、体积和表面积的增长, 高
Al3+则明显抑制根系的增长, 不利于大豆的生长[29]。本
试验在低 Al3+浓度下的研究结果与先前的有所差异,
随着 Al3+浓度的增大, 根系生长受到显著抑制, 这
一方面是因为沙子具有吸附作用, 使得 Al3+浓度降
低, 而水培法能更好地体现植物的 Al 毒害, 另一方
面是因为 Al3+对大豆的胁迫时间过长, 根系破坏明
显, 在低浓度下就已得到充分体现。但其生长的变
化是否与根系 Al含量存在着关系, 需要做进一步的
探讨。相关分析表明, 根系生长指标包括根系干重、
根系总长度和根系总体积均与根尖细胞壁的 Al 含
量极显著负相关, 也表明细胞壁 Al含量与根系生长
密切相关。根系生长慢, 根尖细胞壁上 Al 含量则
增加。
磷(P)是植物生长和发育所需的一种重要的营
养元素, 显著影响着植株的生长和代谢[30]。磷能够
缓解或消除铝的毒害作用被认为是植物耐铝毒的重
要机制之一。Al3+胁迫下, 花生[31]、小麦[8]幼苗对 P
的吸收与Al3+胁迫浓度呈极显著负相关; Al3+处理 10
d后, 随着 Al3+浓度的增加, 荞麦根中 P含量相应增
大[32]。P的加入会提高大豆的 Al耐性[33], 且玉米根组
织受到 P胁迫后, Al耐性与根中固定的 Al有关[34]。
本实验结果发现细胞壁和线粒体中的 P/Al随着 Al3+
浓度增大而下降。细胞壁中 P 的原子数百分比随着
Al3+浓度增加而上升 , 而在其他细胞器上没有发现
类似的结果。细胞壁作为 Al在根尖细胞中的主要积
累部位, 随着外界 Al3+浓度的增加, 积累在细胞壁
上的Al增多, 植物为了抵抗Al毒害, 使细胞壁中的
P含量也有所增加。这在一定程度上缓解了植物的 Al
毒害, 但 P含量的增加幅度不及Al, 最终导致 P/ Al下
降。固定在根中的铝可能与磷结合, 在细胞壁上形
成铝-磷交互物, 如 Al4(PO4)3, 以不溶的形式对铝进
入细胞质有阻碍作用。在一定程度上可能对大豆的
铝毒害起到缓解作用[32]。
4 结论
Al3+胁迫首先反映在大豆根上 , 表现为根系生
长受到显著抑制; 根尖细胞的亚显微结构受到影响,
90 mg L−1 的 Al3+处理下, 细胞结构不完整, 呈空泡
化, 仅剩细胞壁且不完整; Al 最先积累在细胞壁上,
随后进入细胞内部, 在线粒体、液泡电子致密沉淀
物和细胞核中被检测到; Al可在细胞壁上大量积累,
有效地阻止了 Al 进入细胞内, 增加了铝耐性, 为铝
702 作 物 学 报 第 35卷

的外部解毒机理提供了又一佐证; 由于细胞壁、细
胞器和细胞核结合、积累铝的能力有差异, X-射线能
谱可以快速、有效地对在亚显微结构上的定位进行
分析。磷能缓解或消除铝的毒害作用是植物耐铝毒
的重要机制, 本实验表明, 固定在根中的铝可与磷
结合, 在细胞壁上形成铝-磷交互物, 以不溶的形式
阻碍铝进入细胞质。
References
[1] Delhaize E, Ryan P R. Aluminum toxicity and tolerance in plants.
Plant Physiol, 1995, 107: 315–321
[2] Juan B, Charlotte P. Fast root growth responses, root exudates,
and internal detoxification as clues to the mechanisms of alumi-
num toxicity and resistance: A review. Environ Exp Bot, 2002, 48:
75–92
[3] Yan H(阎华), Shen X-R(沈秀荣). The mechanism of aluminum
toxicity and anti aluminum in plant. J Anhui Agric Sci (安徽农业
科学), 2006, 34(20): 5201–5202, 5204(in Chinese with English
abstract)
[4] Ladislar T, Jana H, Igor M, Marta S, Beata S. Aluminum-induced
drought and oxidative stress in barley roots. J Plant Physiol, 2006,
163: 781–784
[5] Li H-S(李海生 ), Zhang Z-Q(张志权 ). The absorption and
accumulation of aluminum and mineral nutrient in tea (Camellia
sinensis) under different Al levels. Ecol Environ (生态环境),
2007, 16(1): 186–190(in Chinese with English abstract)
[6] Xiao X-X(肖祥希). Characteristics of aluminum absorption by
Longan (Dimocarpus longan) seedlings. Sci Silv Sin (林业科学),
2005, 41(3): 43–47 (in Chinese with English abstract)
[7] Lin Y-M(林玉满). Qualitative and quantitative determination of
trace elements in fruits of Dictyophora indusiata with SEM an
EDAX. Anal Instrum (分析仪器), 1996, (2): 52–54 (in Chinese
with English abstract)
[8] He L-F(何龙飞), Liu Y-L(刘友良), Shen Z-G(沈振国), Wang
A-Q(王爱勤), Li Y-R(李扬瑞). Effect of aluminum on the ab-
sorption and distribution of nutrient element of wheat seedling. J
Chin Electron Microsc Soc (电子显微学报 ), 2000, 19(5):
685–694(in Chinese with English abstract)
[9] Vázquez M D, Poschenrieder C, Corrales I, Barceló J. Change in
apoplastic aluminum during the initial growth response to alumi-
num by roots of a tolerant maize variety. Plant Physiol, 1999, 119:
435–444
[10] Yu H-N(俞慧娜), Liu P(刘鹏), Xu G-D(徐根娣). Responses of
growth and chlorophyll fluorescence characteristics of soybean to
aluminum. Chin J Oil Crop Sci (中国油料作物学报), 2007,
29(3): 257–265(in Chinese with English abstract)
[11] Li C-S(李朝苏), Liu P(刘鹏), Xu G-D(徐根娣), Zhang X-Y(张
晓燕), He W-B(何文彬), Zhou D-Y(周迪莹). Ameliorating ef-
fects of exogenous organic acids on aluminum toxicity in buck-
wheat seedlings. Acta Agron Sin (作物学报 ), 2006, 32(4):
532–539(in Chinese with English abstract)
[12] Yu H-N(俞慧娜), Liu P(刘鹏), Xu G-D(徐根娣), Chen W-R(陈
文荣), Zhou J(周菁), Li C-Y(李传勇). Comparative study on
root growth and chlorophyll fluorescence characteristics of
soybean with aluminum responses. J Shanghai Jiaotong Univ
(Agric Sci)(上海交通大学学报 ·农业科学版 ), 2007, 25(2):
138–146(in Chinese with English abstract)
[13] Pan G-S(潘根生), Masaki T, Shigeki K(小西茂毅). Isolation of
cell organelles from the lip-root cells of tea and their distribution
of aluminum. Acta Agric Univ Zhejiangensis (浙江农业大学学
报), 1991, 17(3): 255–258 (in Chinese with English abstract)
[14] Ryan P R, Ditomaso J M, Kochian L V. Aluminum toxicity in
roots: An investigation of spatial sensitivity and the role of the
root cap. J Exp Bot, 1993, 44: 437–446
[15] Wang J-S(王金胜), Ji M-X(冀满祥), Zhao R-Y(赵如意), Cheng
Y-X(程玉香). Protective effect of cerium on mitochondria wheat
under salinity stress. J Chin Rare Earth Soc (中国稀土学报),
1999, 17(2): 187–190 (in Chinese with English abstract)
[16] Klymchuk D O, Kordyum E L, Vorobyova T V, Chapman D K,
Brown C S. Changes in vacuolation in the root apex cells of soy-
bean seedling in microgravity. Adv Space Res, 2003, 31:
2283–2288
[17] Chen Y X, He Y F, Yang Y, Yu Y L, Zheng S J, Tian G M, Luo Y
M, Wong M H. Effect of cadmium on nodulation and N2-fixation
of soybean in the contaminated soils. Chemosphere, 2003, 50:
781–787
[18] Zaalishvili G, Sadumishvili T, Scalla R, Laurent F, Kvesitadze G.
Electron microscopic investigation of nitrobenzene distribution
and effect on plant root tip cell ultrastructure. Ecotoxicol Environ
Saf, 2002, 52: 190–197
[19] Clarkson D T. Interaction between aluminum and phosphorus on
root surfaces and cell wall material. Plant Soil, 1967, 27:
347–356
[20] Ma J F, Yamamoto R, Nevins D J, Matsumoto H, Brown P H. Al
binding in the epidermis cell wall inhibits cell elongation of Okra
hypocltyl. Plant Cell Physiol, 1999, 40: 549–556
[21] Taylor G J, Mcdonald-Stephens J L, Hunter D B. Direct meas-
urement of aluminum uptake and distribution in single cell of
Characorallina. Plant Physiol, 2000, 123: 987–996
[22] Marienfeld S, Stelzer R. X-ray microanalyses in Al-treated Avena
sativa plants. J Plant Physiol, 1993, 141: 569–573
[23] Marienfeld S, Lehmannn H, Stelzer R. Ultrastructural investiga-
tions and EDX-analyses of Al treated oat (Avena sativa) roots.
Plant Soil, 1995, 171: 167–173
[24] Delhaize E, Craig S, Beaton C D, Bennet R J, Jagadish V C, Ran-
dall P J. Aluminum tolerance in wheat (Triticum aestivum L.): I.
Uptake and distribution of aluminum in root apices. Plant Physiol,
1993, 103: 685–693
[25] Lazof D B, Goldsmith J G, Rufty T W, Linton R W. Rapid uptake
of aluminum into cells of intact soybean root tips: A microana-
lytical study using secondary ion mass spectrometry. Plant
Physiol, 1994, 106: 1107–1114
第 4期 俞慧娜等: 铝胁迫下大豆根尖细胞铝的微区分布与耐铝性分析 703


[26] Jones D L, Kochian L V. Aluminum inhibition of 1,4,5-trisphos-
phate signal transduction pathway in wheat roots: A role in alu-
minum toxicity? Plant Cell, 1995, 7: 1913–1922
[27] Larsen P B, Degenhardt J, Tai C Y, Stenzler L M, Howell S H,
Kochian L V. Aluminum-resistant Arabodopsis mutants that ex-
hibit altered patterns of aluminum accumulation and organic acid
release form roots. Plant Physiol, 1998, 117: 9–17
[28] Hu L(胡蕾), Ying X-F(应小芳), Liu P(刘鹏), Xu G-D(徐根娣),
Zhu S-L(朱申龙). The effect of agriculture characters of soybean
to aluminum. J Zhejiang Agric Sci (浙江农业科学), 2004, (3):
148–150 (in Chinese with English abstract)
[29] Liu P(刘鹏), Yang Y-S(杨悦锁), Xu G-D(徐根娣), Zhu S-L(朱申
龙 ). The effect of aluminum stress on morphological and
physiological characteristics of soybean root of seedling. Chin J
Oil Crop Sci (中国油料作物学报 ), 2004, 26(4): 49–54(in
Chinese with English abstract)
[30] Liao H(廖红), Yan X-L(严小龙). Adaptive change and genotypic
variation for root architecture of common bean in response to
phosphorus deficiency. Acta Bot Sin (植物学报), 2000, 42(2):
158–163 (in Chinese with English abstract)
[31] Yang Q(杨庆), Jin H-B(金华斌). The effect of aluminum stress
on N, P and Ca absorption of peanut varieties. Chin J Oil Crop
Sci (中国油料作物学报), 2000, 22(2): 68–73 (in Chinese with
English abstract)
[32] Zheng S J, Yang J L, He Y F, Yu X H, Zhang L, You J F, Shen R F,
Matsumoto H. Immobilization of aluminum with phosphorus in
roots is associated with high aluminum resistance in buckwheat.
Plant Physiol, 2005, 138: 297–303
[33] Liao H, Wan H Y, Shaff J, Wang X R, Yan X L, Kochian L V.
Phosphorus and aluminum interactions in soybean in relation to
aluminum tolerance. Exudation of specific organic acids from
different regions of the intact root system. Plant Physiol, 2006,
141: 674–684
[34] Gaume A, Machler F, Frossard E. Aluminum resistance in two
cultivars of Zea may L.: Root exudation of organic acids and
influence of phosphorous nutrition. Plant Soil, 2001, 234: 73–81