全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2008, 34(1): 318−325 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

基金项目: 国家“十五”科技攻关计划项目(2004BA52506)；国家自然科学基金项目(30540056)；浙江省自然科学基金项目(304185, 303461)
作者简介: 李荣峰(1980–)，女，广西桂林人，硕士研究生，主要从事植物生理生态研究。E-mail: anny1119520@tom.com
* 通讯作者(Corresponding author): 刘鹏。Tel: 0579-82282340; E-mail: sky79@zjnu.cn
Received(收稿日期): 2006-12-04; Accepted(接受日期): 2007-06-12.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2008.00318
边缘细胞对大豆根尖铝毒害的缓解效应
李荣峰 1,2 蔡妙珍 1 刘 鹏 1,* 徐根娣 1 梁 和 2 周主贵 2
(1 浙江师范大学植物学重点实验室, 浙江金华 321004; 2 广西大学农学院, 广西南宁 530005)
摘 要: 以大豆[Glycine max (L.) Merrill]浙春 3号为试验材料, 采用静置培养(保持边缘细胞附于根尖)和振荡培养(移
除根尖边缘细胞), 测定边缘细胞数目和活性、根相对伸长率和根内酶的活性, 研究了边缘细胞对大豆根尖铝毒害的
缓解效应。结果显示, 大豆发育过程中存活的边缘细胞数与总数之比达 60%~80%, 50~400 μmol L−1 Al3+胁迫 12 h能
诱导边缘细胞从根尖脱落, 200~400 μmol L−1 Al3+胁迫 24 h对边缘细胞的发育有抑制作用。Al3+处理抑制根伸长, 移
除边缘细胞的根相对伸长率低于保留边缘细胞的根。0~100 μmol L−1 Al3+胁迫 12 h, 0和 50 μmol L−1Al3+胁迫 24 h, 具
有边缘细胞的大豆根系的 POD、SOD 活性及蛋白质含量显著高于移除边缘细胞的根内酶活性和蛋白质含量, 但 200
和 400 μmol L−1 Al3+处理 12 h, 100~400 μmol L−1 Al3+处理 24 h时, 根尖有无边缘细胞对根系的酶活性及蛋白质含量
影响不显著。说明低浓度 Al3+胁迫下, 大豆通过增加边缘细胞数目、提高根尖蛋白质含量, 维持较高水平的 POD、
CAT和 SOD活性来对抗铝毒胁迫, 以缓解植物的铝毒害。
关键词: 边缘细胞; 大豆; 铝毒; 缓解效应
Border Cells Alleviating Aluminum Toxicity in Soybean Root Tips
LI Rong-Feng1,2, CAI Miao-Zhen1, LIU Peng1,*, XU Gen-Di1, LIANG He2, and ZHOU Zhu-Gui2
(1 Key Laboratory of Botany, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, Zhejiang; 2 Agricultural College of Guangxi University, Nan-
ning 530005, Guangxi, China)
Abstract: Root border cell (BC) is a group of cells from the apex of root, which has been considered to play a vital role in pro-
tecting root tip from extracellular biotic and abiotic stresses. It is known that the BC may secrete saccharide to chelate Al3+ and
alleviate cell damage under aluminum stress. In this paper, we aimed to reveal the effects of root BC on alleviation of aluminum
toxicity to root tips with soybean [Glycine max (L.) Merrill] cultivar Zhechun 3 during the development of roots. The BC number,
activities of peroxidase (POD), catalase (CAT), and superoxide dismutase (SOD) as well as protein content were measured under
0 (CK), 50, 100, 200, and 400 μmol L−1 Al3+ stress for 12 and 24 h respectively, with static culture (to maintain border cells ad-
hered to root tips) and shaking culture (to remove border cells from root tips completely). The results showed that the viable bor-
der cells accounted for 60%–80% when root length was 5 mm. 50–400 μmol L−1 Al3+ treatment for 12 h increased the number of
border cells, but inhibition of border cell development by Al3+ turned up after 200, 400 μmol L−1 Al3+ treatment for 24 h. When
soybean roots were cultivated by shaking to remove border cells from root tips, root elongation was decreased with increasing
Al3+ concentrations. However, this kind of inhibition of root growth was alleviated under static culture. At the same time, POD,
CAT (under Al stress for 12 h), SOD activities and protein content were higher significantly than those under shaking culture
withlower Al3+ concentration (0–100 μmol L−1 Al3+ treatment for 12 h and 0, 50 μmol L−1 Al3+ treatment for 24 h) stress. And no
significant difference in POD, SOD activities and protein content was observed between static culture and shaking culture under
higher Al3+ concentration (200, 400 μmol L−1 Al3+ treatment for 12 h and 100–400 μmol L−1 Al3+ treatment for 24 h) (P>0.05).
The results suggested that border cells adhered to the root tips can significantly affect root relative elongation rate, POD, CAT,
SOD activities and protein content of soybean root tip, and alleviate the toxicity Al3+ to plant root tips through increasing the

第 2期 李荣峰等: 边缘细胞对大豆根尖铝毒害的缓解效应 319


number of border cells, enhancing the protein content of root tips and maintaining higher POD and SOD activities.
Keywords: Border cell; Soybean; Aluminum toxicity; Alleviating effect
铝毒成为制约酸性土壤中植物生长的最主要因
素之一。根尖是受铝毒害的最初部位[1], 大多数植物
的根尖每天都要代谢产生大量的边缘细胞 (border
cell, 简称 BC), 包裹在根冠外围形成一套完整的
“套膜结构”。研究表明, 边缘细胞在调节根部生态环
境, 中和根际周围一些有毒化学物质(如铝毒等), 抵
抗各种环境胁迫造成的根尖伤害中起着多种防御和
保护功能 [2-3]。如 Tamas 等 [4]发现铝胁迫下大麦
(Hordeum sativum Jess)根边缘细胞能活跃地产生活
性氧(reactive oxygen species, ROS), Li等[5]证实玉米
(Zea mays L.)根冠细胞和边缘细胞分泌液中的柠檬
酸盐可以使结合在玉米根部黏液上的铝脱落, 但是
并不解除铝对根尖伸长的抑制作用 ; Miyasaka 和
Hawes[6]及 Bengough 等[7]指出, 边缘细胞在对抗铝
毒中能吸收和分泌糖类(如葡萄糖-C、多聚糖)及有机
酸等, 其中的多聚糖可以和铝结合成紧密的、无毒
性的复合物 , 起到螯合铝而使之静止固定的作用 ,
从而阻止 Al3+进入根部组织而造成危害。冯英明等[8]
及 Miyasaka和 Hawes[6]分别在豌豆(Pisum sativum)、
菜豆(Snapbean)等物种上证实边缘细胞通过分泌黏
液、增加黏液层的厚度来保护或减轻铝对植物的毒
害作用。然而边缘细胞是否对植物生理变化产生影
响还有待进一步研究。
硅[9]、钙[10]和有机酸[11-12]等都能从形态上、生
理上对植物铝毒害产生缓解作用, 而有关边缘细胞
对植物铝毒害的生理反应的影响, 主要是铝对果胶
甲基酯酶(PME)活性的研究 [13-14], 铝毒胁迫下边缘
细胞是否影响植物根系抗氧化酶变化以及如何从生
理变化方面来缓解铝毒害, 国内外未见报道。本试
验研究了大豆根边缘细胞发育过程中基本的生物学
特性及不同的铝胁迫下, 边缘细胞对大豆根尖细胞
活性、根相对伸长率、过氧化物酶(POD)、过氧化氢
酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性以及蛋白质含
量等生理指标的影响, 为植物抵抗铝毒的生理机制
提供依据。
1 材料与方法
1.1 材料及其培养
优质高产大豆[Glycine max (L.) Merrill]品种浙
春 3 号由浙江省农业科学院作物所大豆组提供。种
子用双蒸水浸泡 4 h 后, 转移至上铺湿润滤纸的搪
磁盘, 置 25℃恒温箱黑暗萌发 12 h。挑选刚露白的
种子分 3 组培养。第一组, 使边缘细胞完全附着于
根尖而不脱落, 进行悬空静置培养[15]。将露白种子
播于底部装有 200 mL无菌 ddH2O的塑料盆中, 待根
长至 1、5、10、15、20和 25 mm时取样, 用 FDA-PI
荧光染液观察边缘细胞的形状, 并检测细胞活性。
第二组, 保留根尖附着的边缘细胞, 进行静置培养
及铝处理。将露白种子播在 5 个底部垫有滤纸的培
养皿中, 定量喷洒不同浓度(0、50、100、200和 400
μmol L−1 Al3+)的铝溶液(用分析纯AlCl3· 6H2O配制),
再盖一张喷有同样量 Al3+液的滤纸, 于 25℃、湿度
为 90%的人工智能气候培养箱中暗培养, 每隔 2 h喷
一次铝液, 1 d喷 12 h次。不同处理每次所喷的铝液
量都相同, 分别于 12 h和 24 h后收集并统计边缘细
胞数目, 测定大豆根相对伸长率、根中 POD、CAT
和 SOD的活性以及蛋白质含量。第三组, 移除根尖
边缘细胞及其黏液, 进行振荡培养[16]及铝处理。将
露白种子分别放在 5个内装 100 mL不同浓度铝液的
培养皿中, 盖上保鲜薄膜, 并在薄膜上用针尖刺若
干小孔便于空气进出 , 温度和湿度条件同第二组 ,
于水浴恒温振荡器中进行振荡培养, 12 h和 24 h后
取样测定根相对伸长率、根中 POD、CAT 和 SOD
活性及蛋白质含量。每个处理均至少 3次重复。
1.2 测定指标及方法
1.2.1 边缘细胞的数目 预备试验发现, 在大豆
种子根长为 15 mm 时, 边缘细胞数量最大, 因而本
试验都挑选 15 mm长的根。每处理均取根 10个, 剪
取根尖 3 mm, 放入装有 1 000 μL蒸馏水的离心管中,
用吸管轻轻吹打 1~2 min, 使边缘细胞及其黏液在
水中充分展开。用移液枪吸取 20 μL 含边缘细胞的
悬浮液滴于干净的载玻片上, 盖上盖玻片, 在普通显
微镜下统计边缘细胞数目。5 次重复, 计算 1 000 μL
蒸馏水中所含边缘细胞的数目即为一个根尖的边缘
细胞总数。
1.2.2 边缘细胞活性 参照蔡妙珍等的方法 [17],
边缘细胞的活性(%) = 活的边缘细胞数/边缘细胞总
数×100%。
1.2.3 根相对伸长率 先测定 Al3+处理前大豆的
初根长, 然后将其分别进行铝处理 12 h和 24 h, 再
320 作 物 学 报 第 34卷

从每个处理组各取 20个根测定根长, 取平均值。根
相对伸长率 = 铝处理组大豆根伸长长度/对照组大
豆根伸长长度×100%。
1.2.4 酶活性 系列铝浓度处理 12 h和 24 h后,
分别剪取 20个根的 5 mm根尖, 称重后进行酶液提
取[18]。采用愈创木酚法测定 POD 活性[18], 单位为
△A470 g−1 min−1 FW; 采用 Na2S2O3滴定法测定 CAT
活性[19], 单位为 U g−1 FW; 采用王爱国等的方法测
定 SOD 活性[20], 以抑制氮蓝四唑(NBT)光氧化还原
50%的酶量为 1个活力单位, 记作U g−1 FW; 按色素
结合法测定蛋白质含量, 单位为 mg g−1 FW, 以牛血
清蛋白为标准蛋白[21-22]。
1.3 数据分析
用 SAS6.12 软件进行数据统计处理, 分别用单
因素(根长或 Al3+浓度)或二因素(边缘细胞和 Al3+浓
度)进行方差分析。
2 结果与分析
2.1 大豆边缘细胞发育的生物学特征
将根尖浸入水中几秒钟后, 即有大量边缘细胞
从根尖分离下来并聚集在根尖周围(图 1-A), 其能在
包括蒸馏水在内的很大渗透势范围内存活较长时间
而不发生解体或可见的细胞伤害。经 FDA-PI 染色
10 min后, 活细胞显示绿色荧光(图 1-B), 随着脱离
根尖时间的延长, 边缘细胞逐渐死亡, 呈现红色荧
光(图 1-C)。由图 1-B、图 1-C 可看出, 大豆边缘细
胞的形状大多数呈长椭圆形, 少数为方形。
随着根的伸长, 边缘细胞不断从根尖脱落, 其有
活性的细胞比率也发生改变, 但不同根长时的细胞
活性差异没有达到显著性水平, 至根长为 5 mm 时,
边缘细胞活性达最大值, 约(77±8)%。此后, 边缘细胞
活性下降至 60%~75%之间并趋于稳定 (图 2)。



图 1 大豆根尖边缘细胞及经 FDA-PI染色结果
Fig. 1 Border cells collected from root-tips of soybean and stained by fluorescein diacetate -pro pidium iodide
(FDA-PI) for 10 minutes
A：附着于根尖的边缘细胞, 未用 FDA-PI染色(×40); B：显示绿色荧光的活性边缘细胞, FDA-PI染色(×400); C：显示红色
荧光的死亡边缘细胞(×400)。
A: border cells adhered to root-tips of soybean without coloration (×40); B: green fluorescence exhibits viable border cells (×400);
C: red fluorescence exhibits dead border cells (×400).


图 2 大豆根发育过程中边缘细胞的活性
Fig. 2 Viability of border cells in development of soybean roots
图中不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。
Different letters in figure represents significant difference (P<0.05).
2.2 Al3+对大豆根边缘细胞数目的影响
铝胁迫对植物根边缘细胞的产生和发育有很大
的影响(图 3)。Al3+处理 12 h, 大豆根边缘细胞的数
目随着 Al3+浓度的增加而逐渐增大, 各 Al3+浓度下
边缘细胞数目分别是对照的 109%、136%、139%、
151%, 但不同浓度处理间差异不显著。随着 Al3+处
理时间的延长, 低 Al3+浓度下边缘细胞数目仍随着
Al3+浓度的增加而增多, 与对照相比, 在 100 μmol
L−1 Al3+处理时差异达到显著水平。而 200、400 μmol
L−1高浓度 Al3+处理时则分别下降 23.94%、36.71%。
说明适合的 Al3+浓度短时间作用能刺激边缘细胞的
产生, 而高浓度 Al3+长时间作用则会抑制边缘细胞
的发育。
第 2期 李荣峰等: 边缘细胞对大豆根尖铝毒害的缓解效应 321




图 3 不同浓度 Al3+处理对大豆根边缘细胞数量的影响
Fig. 3 Effect of Al on the number of root border cells of soybean
under different concentrations and durations of Al treatment
图中不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。
Different letters in figure represents significant difference (P<0.05).

2.3 铝胁迫下边缘细胞对大豆根相对伸长率的
影响
静置培养和振荡培养(表 1)的大豆根的相对伸
长率都随着 Al3+处理液浓度和培养时间的增加而降
低, 但后者低于前者, 尤其 Al3+处理时间越长, 铝对
根伸长的抑制效果越明显。说明静置培养时附着于
根尖的边缘细胞对 Al3+抑制根生长起到很大的缓解
作用。
2.4 铝胁迫下边缘细胞对大豆根 POD活性的影响
铝胁迫大豆根 12 h或 24 h, 根尖有无边缘细胞
对 POD活性有极显著影响, 保留根尖边缘细胞的根
内 POD 活性明显高于移除根尖边缘细胞的处理(表
2)。在根尖附着边缘细胞时, 短时间 Al3+处理下, 50
μmol L−1 Al3+显著增加 POD活性, 为对照的 140%,
但铝浓度大于 50 μmol L−1后, 活性随浓度的增加而
下降, 当 24 h铝处理时 POD活性明显下降, 分别为
对照的 82.2%、69.8%、67.9%和 65.7%。去除根尖
边缘细胞及其黏液后, 根细胞内 POD活性明显降低,
处理间差异不显著, 但不同 Al3+浓度及不同作用时
间下活性有很大差别, 表现在Al3+处理 12 h时, POD
活性随 Al3+处理浓度的增加先降低后增加, 而 Al3+
处理 24 h时, POD活性变为先增加后降低。

表 1 Al3+胁迫 12 h和 24 h条件下边缘细胞对大豆根相对伸长率的影响
Table 1 Effect of border cells on the relative length rates of soybean root under Al3+ stress (%)
12 h

24 h
Al
3+浓度
Al3+ concentration 有边缘细胞 BC existing 无边缘细胞 BC removed 有边缘细胞 BC existing 无边缘细胞 BC removed
50 μmol L−1 84.6±9.3 a 80.9±5.4 abc 85.5±7.3 a 83.8±7.5 a
100 μmol L−1 84.6±6.5 ab 80.8±4.8 abc 80.3±6.1 abc 80.0±5.5 ab
200 μmol L−1 83.7±3.9 ab 74.6±4.8 bc 74.9±11.5 abc 71.6±2.7 bc
400 μmol L−1 77.5±2.9 abc 71.3±5.2 c 74.2±8.2 abc 68.1±4.6 c
同一列中数据后不同字母表示差异达显著水平。方差分析显示, 12 h时边缘细胞和 Al3+因素的 F值分别为 7.22 (n = 20)和 3.37 (n
= 20), 二者互作 F值为 0.22 (n = 20); 24 h时分别为 0.197、5.53和 0.74。F0.05(1,20) = 4.35, F0.01(1,20) = 8.10, F0.05(4,20) = 2.87, F0.05(4,20) = 4.43。
Means within each column followed by a different letter are significantly different at 0.05 probability level. The F-values of BC and
Al3+ factors and their interaction are 7.22 (n=20), 3.37 (n=20), and 0.22 (n=20) at 12 h; 0.20, 5.53, and 0.74 at 24 h, respectively. F0.05(1,20) =
4.35, F0.01(1,20) = 8.10, F0.05(4,20) = 2.87, F0.05(4,20) = 4.43.

表 2 Al3+胁迫 12 h和 24 h条件下边缘细胞对大豆根尖 POD活性的影响
Table 2 Effect of border cells on the activity of POD in soybean root tips under Al3+ stress (△A470 g-1 min-1 FW)
12 h

24 h
Al
3+浓度
Al3+ concentration 有边缘细胞 BC existing 无边缘细胞 BC removed 有边缘细胞 BC existing 无边缘细胞 BC removed
0 μmol L−1 2.40±0.13 b 1.83±0.37 cde 3.38±0.74 a 1.64±0.07 cd
50 μmol L−1 3.36±0.07 a 1.53±0.18 e 2.78±0.65ab 1.66±0.05 cd
100 μmol L−1 2.53±0.05 b 1.60±0.22 de 2.36±0.14 bc 2.01±0.08 bcd
200 μmol L−1 2.33± 0.09 b 2.12±0.13 bcd 2.30±0.30 bcd 1.73±0.18 cd
400 μmol L−1 2.16±0.04 bc 2.23±0.39 bc 2.22±0.22 bcd 1.56±0.09 d
同一列中数据后不同字母表示差异达显著水平。方差分析显示, 12 h时边缘细胞和 Al3+因素的 F值分别为 42.64 (n = 3)和 1.698 (n
= 3), 二者互作 F值为 9.466 (n = 3); 24 h时分别为 36.71、2.140和 2.58。F0.05(1,20) = 4.35, F0.01(1,20) = 8.10, F0.05(4,20) = 2.87, F0.05(4,20) = 4.43。
Means within each column followed by a different letter are significantly different at 0.05 probability level. The F-values of BC and
Al3+ factors and their interaction are 42.64 (n = 3), 1.698 (n = 3) at 12 h, and 9.466 (n = 3); 36.71, 2.140, and 2.58 at 24 h, respectively.
F0.05(1,20) = 4.35, F0.01(1,20) = 8.10, F0.05(4,20) = 2.87, F0.05(4,20) = 4.43.
322 作 物 学 报 第 34卷

2.5 铝胁迫下边缘细胞对大豆根CAT活性的影响
随着 Al3+处理浓度的增加, 各个处理中的 CAT
活性都呈现出先升高后降低的趋势(表 3)。统计结果
表明, 边缘细胞对 CAT 活性影响的显著性与否随
Al3+处理时间而变, 短时间 Al3+胁迫下, 有无边缘细
胞时, Al3+浓度及其交互作用对 CAT 活性的影响都
达到显著水平。低浓度 Al3+(50、100 μmol L−1)对大
豆根内的 CAT 活性有促进作用, 而当 Al3+浓度达到
一定程度时, 则会降低 CAT 活性。随着 Al3+处理时
间的延长, 根系内 CAT 活性下降, 而根尖有无边缘
细胞对 CAT活性没有显著影响。
2.6 铝胁迫下边缘细胞对大豆根 SOD活性的影响
Al3+处理 12 h可以促进有或无边缘细胞附着的
大豆根尖内 SOD活性增加(表 4)。与对照相比, 附着
有边缘细胞的根内 SOD活性增加 12.8%~33.3%, 去
除边缘细胞的根内 SOD活性增加 19.6%~97.8%, 两
种培养类型中不同的是前者随 Al3+浓度的提升而降
低, 而后者与之相反。在 Al3+处理 24 h 时, 附着有
边缘细胞的大豆根内 SOD活性随着 Al3+浓度的增加
不断下降, 且以对照 SOD 活性最高, 而移除边缘细
胞的根尖细胞内 SOD活性随铝浓度的提升先上升后
降低, 且以对照 SOD 活性最低。两种培养类型中,
以静置培养附着有边缘细胞时各铝浓度处理下根内
的 SOD活性较大。统计结果表明, 短时间 Al3+处理
下边缘细胞、铝浓度对 SOD活性的影响达到显著水
平, 且具有极显著的互作效应, 根尖有无边缘细胞
对 SOD活性的影响在低铝浓度(0~100 μmol L−1 Al3+)
下差异显著。
2.7 铝胁迫下边缘细胞对大豆根蛋白质含量的
影响
大豆根尖 Al3+处理 12 h 后的蛋白质含量比无
Al3+处理时高(表 5), 以附着有边缘细胞时的增幅较
大 , 而移除边缘细胞后根内蛋白质含量增加缓慢 ,
分别为对照的 113%、114%、137%和 138%。在 Al3+
处理 24 h时, 根已较 12 h时明显伸长, 体内蛋白质
含量增多, 因而 Al3+处理则明显抑制蛋白质的合成,
和对照相比, 根尖附着有边缘细胞时下降 19%~34%,
移除边缘细胞后下降 14.4%~44.6%。在不同处理时

表 3 Al3+胁迫 12 h和 24 h条件下边缘细胞对大豆根尖 CAT活性的影响
Table 3 Effect of border cells on the activity of CAT in soybean root tips under Al3+ stress (U g−1 FW)
12 h

24 h

Al3+浓度
Al3+ concentration 有边缘细胞 BC existing 无边缘细胞 BC removed 有边缘细胞 BC existing 无边缘细胞 BC removed
0 μmol L−1 5.30±0.40 a 2.61±0.33 bc 1.48±0.80 b 1.55±0.56 b
50 μmol L−1 5.77±0.45 a 4.43±0.64 ab 2.59±1.34 ab 3.73±0.60 a
100 μmol L−1 5.42±0.25 a 3.71±0.87 b 1.57±1.22 b 2.36±0.51 ab
200 μmol L−1 4.65±0.26 ab 1.73±0.01 c 1.08±0.12 b 1.20±0.17 b
同一列中数据后不同字母表示差异达显著水平。方差分析显示, 12 h时边缘细胞和 Al3+因素的 F值分别为 34.27 (n=3)和 3.96 (n=
3), 二者互作 F值为 8.09 (n=3); 24 h时分别为 2.38, 5.04和 0.57。F0.05(1,20)=4.35, F0.01(1,20)=8.10, F0.05(4,20)=2.87, F0.05(4,20)=4.43。
Means within each column followed by a different letter are significantly different at 0.05 probability level. The F-values of BC and
Al3+ factors and their interaction are 34.27 (n=3), 3.96 (n=3) at 12 h, and 8.09 (n=3); 2.38, 5.04, and 0.57 at 24 h, respectively. F0.05(1,20)=4.35,
F0.01(1,20)=8.10, F0.05(4,20)=2.87, F0.05(4,20)=4.43.

表 4 Al3+胁迫 12 h和 24 h条件下边缘细胞对大豆根尖 SOD活性的影响
Table 4 Effect of border cells on the activity of SOD in soybean root tips under Al3+ stress (U g−1 FW)
12 h

24 h

Al3+浓度
Al3+ concentration 有边缘细胞 BC existing 无边缘细胞 BC removed 有边缘细胞 BC existing 无边缘细胞 BC removed
0 μmol L−1 476.7±57.4 c 271.7±5.7 e 566.9±110.9 a 226.5±3.12 cd
50 μmol L−1 635.4±34.0 a 324.9±3.8 de 542.1±194.0 a 360.4±66.5 bc
100 μmol L−1 602.6±77.7 ab 340.8±50.0 d 373.2±63.0 bc 302.2±82.7 cd
200 μmol L−1 562.3±24.0 b 479.3±73.8 bc 303.0±23.3 cd 286.9±0.18 cd
400 μmol L−1 537.5±4.5 bc 537.3±27.4 bc 298.7±61.5 cd 267.5±24.3 cd
同一列中数据后不同字母表示差异达显著水平。方差分析显示, 12 h时BC和Al3+因素的 F值分别为 117.0 (n=3)和 24.64 (n= 3), 二
者互作 F值为 26.17 (n=3); 24 h时分别为 3.71、6.77和 6.09。F0.05(1,20)=4.35, F0.01(1,20)=8.10, F0.05(4,20)=2.87, F0.05(4,20)=4.43。
Means within each column followed by a different letter are significantly different at 0.05 probability level. The F-values of BC and
Al3+ factors and their interaction are 117.0 (n=3), 24.64 (n=3), and 26.17 (n=3) at 12 h; 3.71, 6.77, and 6.09 at 24 h, respectively.
F0.05(1,20)=4.35, F0.01(1,20)=8.10, F0.05(4,20)=2.87, F0.05(4,20)=4.43.
第 2期 李荣峰等: 边缘细胞对大豆根尖铝毒害的缓解效应 323


表 5 Al3+胁迫 12 h和 24 h条件下边缘细胞对大豆根尖蛋白质含量的影响
Table 5 Effect of border cells on protein content of soybean root tips in Al3+ stress (mg g−1 FW)
12 h

24 h

Al3+浓度
Al3+ concentration 有边缘细胞 BC existing 无边缘细胞 BC removed 有边缘细胞 BC existing 无边缘细胞 BC removed
0 μmol L−1 15.4±3.2 cde 13.0±2.86 e 21.2±3.59 a 17.4±0.8 ab
50 μmol L−1 22.3±2.4 a 14.8±1.9 de 17.2±1.55 ab 9.8±2.1 d
100 μmol L−1 21.3±1.1 ab 14.9±1.3 de 16.0±2.3 bc 12.0±2.5 cd
200 μmol L−1 19.1±0.4 abc 17.9±2.3 bcd 14.0±1.6 bcd 12.1±0.6 cd
400 μmol L−1 19.3±0.4 ab 18.0±3.5 bcd 15.2±7.0 bc 14.9±2.6 bc
同一列中数据后不同字母表示差异达显著水平。12 h时边缘细胞和 Al3+因素的 F值分别为 25.43(n=3)和 5.23(n=3), 二者互作 F
值为 3.17(n=3); 24 h时分别为 14.44、6.15和 1.72。F0.05(1,20)=4.35, F0.01(1,20)=8.10, F0.05(4,20)=2.87, F0.05(4,20)=4.43。
Means within each column followed by a different letter are significantly different at 0.05 probability level. The F-values of BC and
Al3+ factors and their interaction are 25.43 (n=3), 5.23 (n=3), and 3.17 (n=3) at 12 h; 14.44, 6.15, and 1.72 at 24 h, respectively. F0.05(1,20)=4.35,
F0.01(1,20)=8.10, F0.05(4,20)=2.87, F0.05(4,20)=4.43.

间下, 在根尖附着有边缘细胞时都比移除边缘细胞
后的蛋白质含量高, 低 Al3+浓度下差异显著, 高铝
浓度时差异不明显。同时除对照外, 前者蛋白质含
量随着 Al3+浓度的增加而减少, 后者则增加。由统计
结果可知, 边缘细胞对铝胁迫下根尖蛋白质含量的
变化具有极显著的影响。
3 讨论
大多数植物的根尖每天都要代谢产生大量的边
缘细胞, 这些边缘细胞作为根表面和土壤间构建的
一个生物表界面, 在减少或避免外界的生物与非生
物胁迫, 如真菌、细菌、线虫的侵染和铝毒的伤害
中起着重要作用[23]。研究表明, 绝大多数物种都有
边缘细胞, 且 90%以上具有生物学活性, 一条根系
所产生的边缘细胞数量因物种而异。本试验结果表
明(图 1和图 2), 大豆根刚露出种皮 1 mm就有边缘
细胞产生, 根长 5 mm 时其细胞活性达到最大值(约
77%±8%), 说明大豆最早的边缘细胞几乎与根尖同
步产生[24], 但其活性与Hawes报道的 93%~99%有所
不同[15], 表明细胞活性受环境条件、染色及观察时
间等外界因素的影响较大。试验结果还显示, 短时
间(12 h)Al3+处理及 50、100 μmol L−1 Al3+作用较长
时间(24 h)后 , Al3+对边缘细胞的发育有促进作用 ,
而 200、400 μmol L−1 Al3+胁迫 24 h则起抑制作用。
潘建伟等对大麦 (Hordeum vulgare)的研究表明 [25],
铝毒能明显抑制根冠边缘细胞的发育, 50 μmol L−1
Al3+对大麦耐性品种和敏感性品种的边缘细胞发育
都有显著抑制。因此植物种类不同, 边缘细胞对铝
毒的响应也有较大差异。大豆作为酸性土壤中的先
锋植物, 有较强的耐铝性, 在酸、铝刺激下根系分泌
有机酸被认为是其耐铝毒的重要作用机制[26], 而铝
毒条件下边缘细胞的产生, 也应该是其缓解铝毒的
重要途径之一。
现今, 关于边缘细胞在提高植物抗逆性, 尤其
是抗铝毒方面的作用, 已成为植物学研究领域的新
热点之一[14,27-29]。Zhu等[16]报道, 悬空静置培养和溶
液培养中, 边缘细胞仍能直接或间接附着于根尖时,
铝对根伸长的影响是一样的, 而“静置培养和振荡培
养”则能通过影响边缘细胞在根尖上的附着, 进而影
响到根的伸长和根尖铝的积累。从本研究结果来看,
二种培养方法主要通过影响边缘细胞在根尖上的附
着而影响到根相对伸长率、根系 POD、CAT和 SOD
活性和蛋白质含量, 与上述研究结果相一致。本研
究结果表明, 振荡培养移走根尖周围的边缘细胞能
明显增强 Al3+胁迫对根尖的抑制, 且 Al3+浓度越高,
这种抑制作用越明显。低浓度(0~100 μmol L−1) Al3+
短时间(12 h)作用下, 具有根尖边缘细胞的大豆根系
的 POD、SOD活性及蛋白质含量显著高于用振荡培
养法移除边缘细胞的根系酶活性和蛋白质含量, 而
高浓度(200、400 μmol L−1)Al3+处理时两种情况下相
差不明显, 不同 Al3+浓度处理能使具根尖边缘细胞
的大豆根 CAT活性显著高于根尖移除边缘细胞时的
酶活性。当铝处理 24 h后, 两种培养中各酶与非酶
系统呈现出类似于 12 h时的变化情况, 不同的是此
时根尖是否附着边缘细胞对 CAT活性影响不大。此
外, 本试验中对照条件下(无铝), 与“静置培养”的根
系相比, 振荡培养的根系均具有较低的 POD、CAT
和 SOD 活性, 原因可能是振荡培养过程中, 因根尖
浸入到铝液中, 吸收铝的含量也较静置培养时多, 而
振荡中移除了根尖边缘细胞, 从而减少铝吸收必须
穿透的一层界面(边缘细胞在根冠周围形成的套膜结
构层)而使铝更容易进入根内层, 植物根尖受铝毒害
更加严重, 根系的各种抗氧化酶活性也受到很大抑
制。
324 作 物 学 报 第 34卷

在铝胁迫下, 植物体有各种防御机制提高其耐
铝性 [30-33], 如 Ma 等发现 [34], 在铝胁迫下荞麦
(Fagopyrum esculentum Moench)根系可以特异性地
分泌草酸, 螯合根际的Al3+, 从而降低铝的毒性; 黑
麦能通过 SOD、POD、CAT等酶活性增加, 把 O2܋和
H2O2控制在一定浓度范围内, 避免过度膜脂过氧化,
诱导抵御基因表达, 而不诱导细胞死亡[35]。本试验
中, Al3+胁迫能诱导大豆根尖脱落更多的边缘细胞,
当高浓度 Al3+作用达到一定程度后, 则会抑制边缘
细胞的发育, 从而对 Al3+引起的根生长抑制及体内
POD、CAT和 SOD活性和蛋白质含量产生一系列的
级联反应。在根尖附着有边缘细胞时, 大豆根系伸
长受抑制的程度降低, 体内 POD活性、12 h Al3+处
理的 CAT活性、SOD活性和蛋白质含量均较根尖移
除边缘细胞时高, 原因可能有二：一是边缘细胞在
分泌草酸氧化酶和过氧化物酶后刺激 H2O2 等 ROS
的产生, 再由 ROS作为信号分子激发细胞程序性死
亡的信号, 加快细胞的死亡, 再通过死细胞体内螯
合铝来阻止铝进入植物机体, 从而减少植物对铝的
吸收[9]。同时, 伴随着细胞内的氧自由基的增加, 植
物细胞启动一系列的反应酶保护系统和非酶保护系
统来清除过量的自由基, 降低其对细胞膜的伤害作
用[34-35,38]。二是边缘细胞能吸收和分泌黏液, 包括糖
类(如葡萄糖-C、多聚糖)及有机酸等, 其中的多聚糖
可以和铝结合成紧密的、无毒性的复合物, 黏液还
能够积累根尖分泌的有机酸, 和铝形成毒性较低的
有机酸-铝络合物, 起到螯合铝而使之静止固定的作
用, 从而阻止 Al+3进入根部危害植物[6-7,39-40]。其次,
低浓度铝胁迫下具有根尖边缘细胞的大豆根系的
POD、SOD 活性及蛋白质含量显著高于用振荡培养
法移除边缘细胞的根系酶活性和蛋白质含量, 而高
浓度铝时这种差异却不明显, 原因可能是在低铝浓
度条件下, 根尖周围的活性边缘细胞刺激 H2O2的产
生以供应信号分子并刺激根的抗氧化性防御体
系[3], 而使得 POD、SOD 活性和蛋白质含量增加。
Vranova等也证明 H2O2可适当地作为信号转导因子,
在生物和非生物胁迫下触发防御反应[41]。而高浓度
Al3+处理时, 振荡培养中更多根尖 ROS 的产生, 使油
脂过氧化造成 DNA 的破损[42], 静置培养中诱导更
多的边缘细胞死亡[16], 使边缘细胞所能激活的细胞
酶活性降低。
4 结论
振荡培养移走根冠周围的边缘细胞后, 低浓度
铝胁迫对根尖伸长有明显的抑制作用, 同时降低根
系的 POD、CAT 和 SOD 活性和蛋白质含量。但高
浓度铝胁迫下根尖有无边缘细胞对根系的酶活性及
蛋白质的影响不明显。大豆通过增加根边缘细胞数
目、提高根尖蛋白质含量, 维持较高水平的 POD、
CAT和 SOD活性来对抗铝毒胁迫, 是大豆耐铝毒的
一个重要机制。
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