全 文 ：第 27 卷 第 6 期 作　物　学　报 V o l. 27, N o. 6
2001 年 11 月 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA N ov. , 2001
铝胁迫对小麦根呼吸作用和一些线粒体结合酶活性影响Ξ
何龙飞1, 2　刘友良1　沈振国1　王爱勤2
(1南京农业大学农学系, 江苏南京 210095; 2 广西大学农学院, 广西南宁 530005)
提　要　比较了耐铝性不同的两品种小麦A ltas 66 和 Scou t 66 根呼吸速率、线粒体 H + 2A T P 酶、
Ca2+ 2A T P 酶和焦磷酸酶活性变化。铝处理后, 两品种小麦根呼吸速率均下降, 随处理铝浓度增加而
加剧, 但对照和处理条件下, A ltas 66 根呼吸速率均高于 Scou t 66。两品种小麦根线粒体膜上都存在
H + 2A T P 酶、Ca2+ 2A T P 酶和H + 2PP 酶, 离体和活体铝处理后, 这些酶活性受到抑制, 在活体处理和
Scou t 66 中更为明显。呼吸速率下降可能与这些线粒体膜酶活性受到抑制有密切联系。
关键词　铝胁迫; 线粒体; 呼吸速率; H + 2A T P 酶; Ca2+ 2A T P 酶; H + 2PP 酶
Effects of A lum inum on Resp ira tory Ra te and Som e M itochondr ia l
Enzym es Activ it ies of W hea t Roots
H E L ong2Fei1, 2　L IU You2L iang1　SH EN Zhen2Guo 1　W AN G A i2Q in2
(1 D ep artm en t of A g ronomy , N anj ing A g ricu ltu ra l U niversity , N anj ing 210095; 2 Colleg e of A g ronomy , Guang x i
U niversity , N ann ing 530004, Ch ina)
Abstract 　　 T he changes in resp ira to ry ra te and in m itochondria l H + 2A T Pase, Ca2+ 2
A T Pase and H + 2PPase act ivit ies from the roo ts of tw o w heat ( T riticum aestivum L. )
cu lt ivars, A ltas 66 (A l2to leran t) and Scou t 66 (A l2sen sit ive)w ere com pared under a lum inum
stress. A lum inum trea tm en t inh ib ited the resp ira to ry ra te of tw o w heat cu lt ivars roo ts. It
w as m o re d ist inct as the a lum inum concen tra t ion increased, and the resp ira to ry ra te of Scou t
66 w as h igher than tha t of A ltas 66 under the con tro l and the trea tm en t. T he act ivit ies of
m itochondria l H + 2A T Pase, Ca2+ 2A T Pase and H + 2PPase of tw o w heat cu lt ivars roo ts w ere
inh ib ited by alum inum trea tm en t in v ivo and in v itro, and they w ere m o re seriou s in v ivo
t rea tm en t and in Scou t 66 than tho se in v itro t rea tm en t and in A ltas 66. T he decrease of
resp ira to ry ra te m ay be rela ted to the inh ib it ion of m itochondria l enzym es.
Key words 　　A lum inum stress; M itochondria; R esp ira to ry ra te; H + 2A T Pase; Ca2+ 2
A T Pase; H + 2PPase
早有研究表明, 铝降低总呼吸速率, 抑制根尖细胞代谢活动[ 1, 2 ]。但早期研究者认为铝对
线粒体并没有影响[ 3 ] , 他们认为铝处理引起呼吸作用下降只是表明铝处理后能量要求下降,
而不是铝直接作用的结果, 代谢活动降低则与呼吸作用降低有关[ 2 ]。不过, 越来越多研究表Ξ 国家自然科学基金资助项目 (39500088)
收稿日期: 2000205208, 接受日期: 2001201231
Received on: 2000205208, A ccep ted on: 2001201231

明, 铝能进入细胞质[ 4 ]和线粒体, 有多个报告认为铝处理后进入线粒体的铝量占根系匀浆中
铝的 10%～ 20% [ 5, 6 ], 由此必然也会影响到线粒体膜功能。另一方面, 线粒体也是钙库之一,
其膜上也存在Ca2+ 2A T P 酶[ 7 ]、H + 2A T P 酶[ 8 ]和H + 2PP 酶[ 9, 10 ]等。在这些酶的作用下, 建立
跨线粒体膜电化学势梯度和Ca2+ 梯度, 而A l3+ 阻塞质膜Ca2+ 通道[ 11 ] , 导致Ca2+ 下降, 如此
也可能影响线粒体膜。然而, 还未见有关报告。
1　材料和方法
1. 1　小麦幼苗培养和处理　　小麦 (T riticum aestivum L. ) 品种为耐铝的A ltas 66 和铝敏感
的 Scou t66。经消毒、浸种和催芽, 进行石英砂培养, 一周后, 转入无石英砂基质的营养液,
长至一心一叶, 向培养液中加入不同浓度的A lC l3 处理, A lC l3 浓度分别为: 0、20 和 100Λm o löL。每天调节 pH , 保持酸度稳定在 pH 4. 1, 每 2～ 3d 更换一次营养液, 处理 5d。
1. 2　小麦根呼吸速率的测定　　取约 0. 1g 根尖, 用氧电极法测定。
1. 3　线粒体提取　　取约 10g 小麦根尖 (约 1～ 2 cm ) , 加入 2 倍 (w öv) 体积预冷的研磨缓冲
液[ 12 ] , 在 0～ 4℃下研磨。匀浆经 2 层纱布过滤, 1800×g 离心 12 m in, 上清液在 17000×g 离
心 20 m in, 沉淀悬浮于悬浮液[ 12 ] , 即得线粒体悬浮液。
1. 4　线粒体 H+ -ATP 酶活性测定　　参考W ang 等[ 8 ]的方法。0. 5 mL 反应体系中含有
H epes2T ris (pH 8. 0) 30 mm o löL , M gSO 4 3 mm o löL , N a3VO 4 0. 1 mm o löL , N aNO 3 50
mm o löL , KC l 50 mm o löL , 0. 1 mm o löL 钼酸铵, 膜蛋白 20～ 40 Λg, 用 50 ΛL 30 mm o löL 的
A T P2T ris pH 8. 0 启动反应, 37℃下反应 30m in, 用 55% TCA 50 ΛL 终止反应。按O hn ish 等
( 1975) 方法测定释放无机磷量。离体处理则是在反应体系 (线粒体膜蛋白提取自 0 Λm o löL
A lC l3 处理小麦幼苗根)中加入一定浓度 (2、20、100、500 Λm o löL )A lC l3, 下同。
1. 5　线粒体 Ca2+ -ATP 酶活性测定　　0. 5 mL 反应体系中含有 H epes2T ris (pH 8. 0) 30
mm o löL , N a3VO 4 0. 1 mm o löL , N aNO 3 50 mm o löL , KC l 50 mm o löL , 0. 1 mm o löL 钼酸铵,
膜蛋白 20～ 40 Λg, 加或不加Ca (NO 3) 2 3 mm o löL 引起的酶活性之差为线粒体Ca2+ 2A T P 酶
活性。用 50 ΛL 30 mm o löL 的A T P2T ris (pH 8. 0)启动反应, 其后步骤同线粒体H + 2A T P 酶
活性测定。
1. 6　线粒体 H+ -PP 酶活性测定　　参考L undin 等[ 9 ]和 Zancan i 等[ 10 ]的方法。0. 5 mL 反应
体系中含有 H epes2T ris (pH 8. 0) 30 mm o löL , M gSO 4 3 mm o löL , N a3VO 4 0. 1 mm o löL ,
N aNO 3 50 mm o löL , KC l 50 mm o löL , 0. 1 mm o löL 钼酸铵, 膜蛋白 20～ 40 Λg, 用 50 ΛL 5. 0
mm o löL 的 PP i 启动反应, 其后步骤同线粒体H + 2A T P 酶活性测定。
2　结果
2. 1　铝对小麦根系呼吸作用的影响　　铝胁迫下, 两品种小麦根系呼吸速率均下降, 随处
理铝浓度上升, 下降幅度增加, 下降速度在两品种之间没有明显的差异, 但在对照和处理条
件下, A ltas 66 呼吸速率均高于 Scou t 66 (图 1)。
2. 2　离体铝处理对线粒体ATP 酶和 H+ -PP 酶活性的影响　　离体铝处理后, 两品种小麦
根H + 2A T P 酶活性表现出下降趋势, A ltas 66 较 Scou t 66 明显 (图 2)。
　　2 和 20 Λm o löL 铝处理对两品种线粒体膜Ca2+ 2A T P 酶活性基本没有影响, 但较高浓度
( 100 和 500 Λm o löL ) 铝时, 具有明显的抑制作用, 对 Scou t 66 抑制效果较A ltas 66 明显
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(图 3)。
图 1　　铝对小麦根呼吸速率的影响
F ig. 1　　Effect of A l on resp irato ry rate of w heat roo t
图 2　　离体铝处理对线粒体H + 2A T Pase 酶活性的影响
F ig. 2　　Effect of A l on M t2H + 2A T Pase activity in v itro
图 3　离体铝处理对线粒体Ca2+ 2A T P 酶活性的影响
F ig. 3　Effect of A l on M t2Ca2+ 2A T Pase activity in v itro 图 4　离体铝处理对线粒体H + 2PP 酶活性的影响F ig. 4　Effect of A l on M t2H + 2PPase activity in v itro
　　2 和 20 Λm o löL 离体铝处理对两品种线粒体 H + 2PP 酶活性影响也不大, 但 100 和 500Λm o löL 铝处理时, A ltas 66 酶活性下降, Scou t 66 略有下降 (图 4)。
2. 3　活体铝处理对线粒体 H+ -ATP 酶和 PP 酶活性的影响　　铝处理后, 两品种小麦线粒
体 H + 2A T P 酶活性明显下降, Scou t 66 降幅较A ltas 66 快。20 和 100 Λm o löL 铝处理后,
A ltas 66 和 Scou t 66 的H + 2A T P 酶活性分别下降 44%、58% 和 60%、64% (图 5)。两品种小
麦线粒体 Ca2+ 2A T P 酶和 H + 2PP 酶活性在铝处理后也明显下降, Scou t 66 下降较A ltas 66
快 (图 6, 7)。
3　讨论
3. 1　铝对小麦根呼吸作用的影响　　呼吸作用是生物的基本生理功能, 通过呼吸作用, 产
生各种中间产物和能量, 供给其他生命活动过程的需要。铝胁迫下, 两品种小麦根尖呼吸速
率下降, 这和早期研究结果一致[ 1 ]。呼吸速率下降, 呼吸代谢产生的中间产物和能量也就随
之下降, 妨碍其它生命过程的进行, 从而对植物体造成伤害作用。
9586 期　　　　　　何龙飞等: 铝胁迫对小麦根呼吸作用和一些线粒体结合酶活性影响　　　　　　　　　

图 5　活体铝处理对线粒体H + 2A T P 酶活性的影响
F ig. 5　Effect of A l on M t2H + 2A T Pase activity in v ivo 图 6　活体铝处理对线粒体Ca2+ 2A T P 酶活性的影响F ig. 6　Effect of A l on M t2Ca2+ 2A T Pase activity in v ivo
图 7　　活体铝处理对线粒体
H + 2PP 酶活性的影响
F ig. 7　　Effect of A l on M t2H + 2PPase
activity in v ivo
　　有人提出铝处理降低呼吸作用, 从而降低了阳
离子的吸收[ 3 ] , Ca2+ 、M g2+ 等阳离子吸收受抑制,
与A l3+ 竞争能力下降, A l3+ 吸收增加, 从而使根和
地上生长受抑制。在对照和铝处理后, A ltas 66 的根
呼吸速率均高于 Scou t 66, 对水分和阳离子吸收能
力稍强, 由此可能与其耐铝性差异有关。铝抑制呼
吸作用的原因可能是铝进入线粒体, 抑制己糖磷酸
激酶活性, 阻碍己糖磷酸化作用[ 13 ] , 许多研究表明,
铝处理后, 在线粒体中有铝的分布[ 5, 6 ]。也可能首先
是线粒体膜上H + 2A T P 酶和H + 2PP 酶活性受抑制,
跨线粒体膜电化学势梯度下降, 呼吸底物进入线粒
体减少的结果。
3. 2　铝对线粒体膜ATP 酶和 H+ -PP 酶活性影响　
　线粒体膜H + 2A T P 酶属于 F 0F 1 型A T P 酶, 具有A T P 水解和A T P 合成功能。王延枝等[ 8 ]
对线粒体H + 2A T P 酶水解酶活性作了较详细的研究, 比较了其与液泡膜A T P 酶的异同, 她
们指出两者都能催化A T P 酶水解, 推动H + 转运, 但线粒体H + 2A T P 酶对叠氮钠和寡霉素敏
感, 而液泡膜H + 2A T P 酶对NO -3 敏感。我们在反应体系中加入NO -3 , 测定线粒体H + 2A T P
酶活性, 结果表明, 铝胁迫下两品种小麦根细胞线粒体 H + 2A T P 酶活性下降, 随铝浓度上升
而加剧, Scou t 66 下降较A ltas 66 快, 其原因可能在于铝胁迫下呼吸速率下降, 产生A T P 减
少, 酶反应底物A T P 减少, 从而导致酶活性下降, 跨膜质子梯度下降, 进而又影响呼吸底物
运输进入线粒体, 降低呼吸作用。
植物细胞线粒体是植物体钙库之一, 但对植物细胞线粒体膜上 Ca2+ 转移系统还了解不
多, 可能是与电子传递链偶联的钙泵, 利用电子传递产生的电化学势将Ca2+ 主动泵进线粒体
内[ 14 ] , 但是否与内质网、液泡、高尔基体和质体外膜[ 7 ]类似, 也存在Ca2+ 2A T P 酶? 我们参考
液泡膜Ca2+ 2A T P 酶测定方法, 测定了铝对线粒体膜的酶活性, 发现其存在Ca2+ 刺激的A T P
酶活性, 该酶活性在铝胁迫下迅速下降, 并随处理铝浓度上升而加快, 与铝对呼吸速率影响
一致。由此, 我们认为在线粒体膜上也存在 Ca2+ A T P 酶, 该 Ca2+ 转运途径能利用呼吸作用
释放的A T P, 把胞质 Ca2+ 迅速转运到线粒体内, 参与胞质Ca2+ 调节。不过, 尚需做 Ca2+ 转
运测定, 进一步予以证实。
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焦磷酸酶在动物细胞和酵母线粒体内膜的存在已得到公认[ 15 ] , 而且已克隆到酵母线粒体
焦磷酸酶基因 P PA 2, 其序列与可溶性细胞质焦磷酸酶基因 P PA 1 有 49% 相同[ 9 ]。越来越多
的研究表明, 在植物细胞线粒体膜上也存在焦磷酸酶。Kow alczyk 等首先发现玉米地上部分
线粒体可进行电子依赖的 PP i 合成, 该过程受焦磷酸酶抑制剂的抑制[ 16 ]。豌豆茎线粒体上也
存在焦磷酸酶, 能在亚线粒体颗粒 (sub2m itochondria l part icles)内膜建立跨膜H + 梯度[ 17 ] , 并
证实焦磷酸酶位于线粒体内膜内表面[ 18 ] , 其催化头部含 35 kD 亚基[ 10 ] , 因为 35 kD 亚基的抗
体与液泡膜焦磷酸酶没有反应, 而不同于液泡膜焦磷酸酶[ 18 ]。
我们的实验结果表明, 两品种小麦根线粒体膜上也存在明显的水解 PP i 酶活性, 活体铝
处理后, 两品种小麦的这种酶活性均明显受到抑制。从活性大小以及铝处理后酶活性变化趋
势来看, 与液泡膜焦磷酸酶有较大区别[ 12 ] , 可能其即是线粒体上特有的焦磷酸酶。对于线粒
体焦磷酸酶的功能, 即其是水解酶还是合成酶? 还不清楚。最近, 在比较了绿豆线粒体 H + 2
A T P 酶、H + 2PP 酶和液泡膜H + 2A T P 酶、H + 2PP 酶 的反应动力学, H + ö底物之间的计量关
系后, Zancan i 等认为H + 2PP 酶更倾向于为合成酶。但从其分布部位来看, 在周围环境中存
在大量的呼吸产物 PP i, 这些 PP i 的积累会妨碍呼吸作用的进行, 有必要对其进行水解转
化[ 10 ] , 再结合我们的结果, 在铝处理后呼吸作用下降, PP i 积累减少, 从而H + 2PP 酶活性也
下降, 由此, 我们推测线粒体H + 2PP 酶应该也为水解酶, 或者至少具有水解酶活性, 与线粒
体H + 2A T P 酶活动相一致。事实上, 由于在植物细胞质中存在高浓度的 PP i, 除了能促进液
泡膜H + 2PP 酶[ 19 ] , UD P2葡聚糖焦磷酸化酶和焦磷酸ö果糖262磷酸磷酸转移酶[ 20 ]所催化的反
应外, 还可提高线粒体的H + 2PP 酶水解活性也就不足为奇了。
参　考　文　献
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