全 文 ：Vol131 , No12
pp1 165 - 169 　Feb1 , 2005作 　物 　学 　报ACTA AGRONOMICA SINICA第 31 卷 第 2 期2005 年 2 月 　165～169 页
大豆根边缘细胞的发育及其影响因子
马伯军1 　潘建伟2 　傅昭娟1 　张萍华1 　朱睦元2
(1 浙江师范大学化学与生命科学学院 ,浙江金华 321004 ;2 浙江大学生命科学学院 ,浙江杭州 310012)
摘 　要 : 根边缘细胞是由根冠游离并大量积累在根尖上的一群细胞 ,具有保护根尖免受生物和非生物的胁迫的作用。
本文研究结果表明 ,大豆 (8157 毛豆)根边缘细胞 (BC)游离发育的启动与初生根发育几乎同步 ,并且在初生根长至 15 mm
时 ,BC的数目达到最大值 ,约 5 300 个。与 25 ℃、35 ℃相比 ,15 ℃低温更容易对初生根生长及 BC 的发育产生胁迫作用。
根边缘细胞离体收集后培养在甘露醇或 MS培养基上 ,其细胞活性显著高于培养在双蒸水中 ,表明必要的渗透压有利于
维持 BC的活性。在大豆根边缘细胞的发育过程中 ,根冠的果胶甲酯酶 (PME)的活性与根 BC发育、诱导存在一定的相关
趋势 ,说明其对 BC产生、发育和游离可能起重要作用。
关键词 : 大豆 ; 根边缘细胞 ; 发育 ; 温度 ; 果胶甲酯酶 (PME)
中图分类号 : S565 ,Q25
Development and Influencing Factors of Soybean Root Border Cell
MA Bo2Jun1 ,PAN Jian2Wei2 ,FU Zhao2Juan1 ,ZHANG Ping2Hua1 ,ZHU Mu2Yuan2
(1 College of Chemistry and Life Sciences , Zhejiang Normal University , Jinhua 321004 , Zhejiang ; 2 College of Life Sciences , Zhejiang University , Hangzhou
310012 , Zhejiang , China)
Abstract : Root border cells are a population of rhizosphere cells surrounding but separated from the root apex and have
been considered to play a role in the protection of the root tip from extracellular biotic and abiotic stresses1 In this paper ,
the production and development of border cells in Glycine max (L1) Merr1 were investigated1 It was showed that the first
border cell formation almost synchronized with root tip emergence in soybean cultivar“8157 Maodou”1 The number of
border cells increased with the development and elongation of the root1 When the root length was about 15 mm grown at
25 ℃, the number of border cells reached the maximum , that was about 5 3001 Temperature may directly or indirectly
infect root growth , as well as regulate the production and development of border cells1 The root length of soybean at the
lower temperature 15 ℃is significantly shorter than that at the higher temperature 25℃or 35 ℃1 And the number of border
cells released at 15 ℃is also significantly less than that at 25 ℃or 35 ℃1 It was suggested that the lower temperature could
be more harmful to the development of the root of soybean1 Significant difference in activity of detached border cells was
observed under different culture conditions1 The survival percentage of detached border cells was significantly higher in the
cultural condition of mannitol or MS medium than that cultured in ddH2O1 The pectin methylesterase (PME) may play an
important role in production and development of border cell in Glycine max (L1) Merr1
Key words : Soybean ; Root border cell ; Development ; Temperature ; Pectin methylesterase (PME)
　　高等植物的根冠脱落细胞 ( sloughed root cap
cells)一般被认为是根生长过程中因根冠与土壤摩
擦而游离并大量积累在根尖上的一类死亡脱落细
胞 ,也有人认为这类细胞是根冠组成型表达代谢的
副产品 ,没有生物学活性 ,只是在根生长过程中起润
滑作用[1 ] 。而另一种观点认为这类细胞是有活性
的 ,早在 1919 年 , Knudson 就已指出植物根冠脱落细
胞是有活性的 ,而且可以保持几个月之久[2 ] 。但一
直没引起学者们的关注。1900 年以来 ,越来越多的
证据表明 ,绝大多数物种的根冠脱落细胞是有活性
的 ( ≥90 %) ,其发育受胞内外信号调控 ,根冠脱落细
胞的游离是根冠发育的重要阶段 ,脱落细胞是根冠
繱基金项目 : 国家自然科学基金项目 (30370867 ,30370876) , 浙江省自然科学基金项目 (300255 ,Y304050) 。
作者简介 : 马伯军 (1965 - ) ,男 ,硕士 ,副教授 ,主要从事植物逆境生理与植物基因工程研究。E2mail :mbj @zjnu1cn
Received(收稿日期) :2003208219 ,Accepted(接受日期) : 20042062021

细胞发育的最终产物 , Hawes 等[3 ] 将这类细胞改称
为根边缘细胞 (border cell , BC) ,用以说明这类细胞
不属于根冠的一部分 ,并强调它们所处的根表面与
土壤之间的特殊位置 ———生物 边 界 层 ( biotic
boundary layer) 。根据 Hawes 等[3～7 ]长达 20 多年关于
BC的研究表明 ,在脱离根冠前 BC 可以感知重力并
分泌黏液起润滑作用 ,减少根尖和土壤间的摩擦 ,可
以保证根尖生长过程中尽可能少受伤害。在脱离根
冠后 ,BC 较其起源的根冠细胞更活跃 ,能改变自身
的基因表达产生独有的 RNA 和蛋白质 ,并迅速向外
界环境释放从而控制根际细菌、真菌、病毒、寄生虫、
线虫等生物体的生长发育 ;另一方面这些 BC 分泌
物也可以用于中和根系周围一些有毒化学物质 ,如
铝等[8～11 ] 。
根边缘细胞在逆境中起多重生物学防御功能 ,
并为研究细胞功能和细胞生长过程中细胞壁降解酶
的作用提供便利的模型系统。现阶段为止 ,已有人
对 12 个科近 34 个物种的边缘细胞数量和活性进行
了检测统计[12 ] ,针对豌豆、绿豆等豆科植物边缘细
胞发育的研究已有报道[13 ] ,但对豆科中大豆 Glycine
max (L1) Merr1 根边缘细胞的国内外研究很少。鉴
于大豆是主要的油料作物和植物蛋白质的主要来
源 ,因此对大豆根边缘细胞发育及其影响因子的研
究是有必要的。
1 　材料与方法
111 　材料
　　大豆 Glycine max (L1) Merr1 品种“8157 毛豆”。
112 　种子萌发及其悬空培养法
11211 　种子萌发 　　挑选无病斑、霉点、虫害的大
豆种子用自来水洗净 ,NaClO (活性氯含量约 512 % ,
NaOH含量 7 %～8 %) 浸种 10～20 s ,用 ddH2O 充分
清洗 ,播于预先高压灭菌的沙子内 ,于黑暗 25 ℃条
件下培养 ,24 h ,收集露白种子进行以下实验。
11212 　悬空培养法 　　用塑料带将纱布悬空固定
于底部含有 500～600 mL ddH2O 的医用铁磁盘中 ,
再在纱布上铺 1 张湿滤纸 ,然后将露白种子播于湿
滤纸上 ,每盘播 20～30 粒 ,最后用保鲜薄膜封磁盘
口 , 并在薄膜上用针尖刺若干个小孔便于空气进
出 , 于黑暗 25 ℃条件下培养。
113 　边缘细胞数目统计
随机剪取 3 mm 根尖 10 个 ,放入预先装有 1 mL
ddH2O 的 115 mL 离心管中 , 静置 1～2 min , 待边缘
细胞及其黏液在水中展开 , 同时用吸管反复吹打溶
液使 BC在水中充分散开 ,形成 BC 悬浮液。在显微
镜下观察计数 (观察时血球计数板上每 1 小格细胞
数不多于 30 个) 。每个根尖的总细胞数 (个ΠmL) =
CΠ( S ×V ×10) ,式中 C 为所数细胞总数 ; S 为所数
方格数 ; V 为每小格的体积 (mL) 。
114 　边缘细胞的活性测定
将含有 BC的溶液与 FDA 染液以体积比 1∶1 混
合 , (其中 FDA 为 25μgΠmL 荧光素双醋酸溶液[11 ] ) ,
黑暗室温染色 10 min 后 ,在荧光显微镜下观察 ,发
绿色荧光的 BC 为活细胞。BC 活性 = 活细胞数Π细
胞总数 ×100 %。
115 　果胶甲酯酶( PME)的提取及其活性检测
在 PME 作用下 ,果胶去甲基化 ,释放出 H+ ,使
溶液的 pH 值下降 ,甲基红 (methyl red) 由黄色变成
红色 ,适于紫外可见分光光度计检测。由 525 nm 吸
光度变化计算 PME活性。
剪取 30 个 1～2 mm 的根尖 ,于含 200μL PME
提取液 (citric acid 011 molΠL ,Na2 HPO4 012 molΠL ,NaCl
1 molΠL) 研钵中充分研磨后 ,于冰中放置 1 h ,每隔
20 min 震荡 1 次。随后在 4 ℃下 ,15 000 ×g 离心 10
min ,收集上清液 , 于 - 20 ℃条件下保存。参考
Richard 等 (1994) [14 ]的方法 ,取上述上清液 20μL ,加
PME提取液 4 mL ,37 ℃温浴 2 h ,用紫外可见分光光
度计 (上海精密科学仪器有限公司产 LENG GUANG
752 型)在 525 nm 处测量其 OD 值。制作标准曲线
时将 80、90、100、110、120、140、160、180、200、220、240
μL 0101 molΠL HCl 分别加到 4 mL 底物溶液中 ,用
ddH2O 将前 10 种标准样各总体积调至最后一种标
准样一致的 4124 mL 并摇匀 ,于 525 nm 测其 OD 值 ,
重复 2 次。利用回归方程计算不同 PME 样品的酶
活性 (μmolH+ ·root cap - 1·h - 1 ) 。
116 　温度试验
将刚露白种子分别在 15 ℃、25 ℃和 35 ℃的光照
培养箱中黑暗悬空培养 ,对 48 h 内不同时点 3 种不
同温度下根长情况及不同根长的 BC数进行统计。
117 　离体边缘细胞的培养
将收集后的BC分别于 015 molΠL 甘露醇、MS基
本培养基和 ddH2O ,黑暗 25 ℃培养 24 h ,测定 BC
活性。
118 　数据分析
各实验根据 3 次独立数据计算平均值和标准
误 ,利用 SPSS1010 分析软件进行方差分析。
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2 　结果与分析
211 　大豆边缘细胞的发育
　　如图 1 所示 , 悬空气培过程中 ,大豆最早的 BC
几乎与根尖同步产生 , 当根仅为 1 mm 时 ,已能产生
近 60 个 BC ;当根生长到 10～15 mm 时 ,BC 数目达
到最大值 (约为 5 300 个) 。大豆种子在 25 ℃萌发过
程中 ,BC 数目随着初生根的伸长而线性增加 ,两者
表现一定的相关性。当 BC 数目达到最大值时 ,其
数目不再与根的生长呈正相关 ,而是保持在一个较
恒定的水平 ,不再出现较大变化。
图 1 大豆根生长过程中边缘细胞的发育
Fig. 1 The development of border cells during root growth
under aeroponic condition in soybean( cv. 8157 maodou)
大豆 BC发育过程中 ,根冠 PME 的活性变化如
图 2 ,从图中可知 ,25 ℃条件下初生根在根长为 1 mm
时 ,根冠 PME活性最高 (100 %) ,随着大豆初生根的
生长 ,根尖的 PME活性逐渐降低 ,直到 BC数量发育
至最大值即根长生长至 15 mm 时 , PME 相对活性
(与最高活性相比) 降到一个相对较低水平 ,以后
PME活性基本上维持在这一水平不再有较大的
变化。
212 　温度对 BC发育的影响
从图 3 可知 ,在悬空气培过程中 ,不同温度对根
伸长有显著的影响 ,15 ℃的低温有明显的延迟作用。
不同温度对 BC 的发育影响也十分明显 ,图 4 中 ,
15 ℃的低温下在根长 10 mm 时 BC 数不到 1 000 ,在
根长 25 mm 时才达到最大值 (约 5 000) ,也就是说
15 ℃条件下露白种子培养了 72 h 后 BC 才达到最
大值。
213 　不同培养液对离体边缘细胞活性的影响
悬空气培后的大豆根尖 (根长为 15 mm) 浸入
ddH2O中收集 BC ,并立即用 FDA 检测细胞活性 ,可
图 2 大豆 BC发育过程中的 PME活性变化
Fig. 2 Changes of PME activity during border cells development
under aeroponic condition in soybean( cv. 8157 maodou)
图 3 温度对大豆根伸长长度的影响
Fig. 3 Effect of temperature on root elongation
in soybean ( cv. 8157 maodou)
图 4 温度对 BC发育的影响
Fig. 4 Effect of temperature on border cell development
in soybean( cv. 8157 maodou)
高达94 %。将收集的 BC 分别培养在 015 molΠL 甘露
醇、MS 液体培养基和无菌 ddH2O 中 24 h 后 ,BC 活
性如图 5 所示。015 molΠL 甘露醇和 MS 培养基中的
761　第 2 期 马伯军等 :大豆根边缘细胞的发育及其影响因子 　　　

BC活性无显著性差异 ;但无菌 ddH2O 中培养的离体
BC活性在 24 h 后丧失 80 %。然而这时在根尖黏液
层上附着的 BC 仍保持较高的活性。3 种培养液试
验说明甘露醇、MS、根尖黏液层的渗透压维持对 BC
的生长更为重要。
图 5 不同培养条件下的离体 BC活性
Fig. 5 Viability of detached border cells under
different culture conditions
3 　讨论
25 ℃大豆根生长到 10～15 mm 时 ,BC 数目达到
最大值。在 15 ℃低温下 ,根生长到 10 mm 时 BC 数
目不到最大值的 1Π5 ,培养 72 h 后根长至 20～25 mm
时才达到最大 ,推测低温胁迫可能阻断了大豆的根
尖分生组织与根冠分生组织的联系 ,使两者的有丝
分裂处于独立调控状态 ,据此也表明根冠分生组织
比根尖分生组织对低温更敏感。35 ℃培养时 ,根生
长和 BC发育与 25 ℃培养时相近 ,但 BC产生相对较
快 ,数量较多 ,最大可达 6 000 多个。对于这一现象
可能有两种解释 : (1) 高温条件下 ,大豆种子增加根
冠周围的 BC 数量进而增加了 BC 分泌的黏液量 ,产
生隔热作用从而起到保护根尖的作用 ; (2)高温条件
下 ,可能有利于根周围某些生物体的生长发育或增
强其新陈代谢 ,促使根冠释放出更多的 BC ,更好地
发挥其生物学防御功能。
目前已报道有两种与 BC 发育相关的基因 ,一
种是与其发育早期相关的 PsUGT1 ( Pisum 　sativum
UDP2glucuronosyltransferase , 与根冠的有丝分裂有
关) ,另一种是与 BC 游离关系密切的 RCPME1 (root
cap2expressed pectin methylesterase) ,BC 的游离是根冠
PME 活性表达的结果[15 ,16 ] 。根据 Hawes[4 ] 和 Zhao
等[17 ]报道 ,豌豆等植物根长到 5 mm 时 ,才出现 BC ,
根长 ≥25 mm 时 ,BC 数目达到最大值 (4 000) ;大麦
的BC与根同步出现 ,在根长为 20～25 mm 时 ,BC 达
到最大值 (约 1 400) [18 ] ;本文中 ,大豆的 BC 几乎与
根同步出现 ,当根露出种皮仅 1 mm 时 ,已有 50～60
个 BC ,当根长到 10～15 mm 时 ,BC 数目达到最大值
(5 300) ,说明 BC 发育程序的启动、最大数目的形成
在不同的物种之间有差异 ,其差异很可能是由 BC
发育相关的基因特异性表达所引起。
在大豆根边缘细胞的发育过程中 ,根冠的果胶
甲酯酶 (PME) 活性与根 BC 发育、诱导存在正相关
性。根据笔者的实验结果和文献报道[13 ,19 ,20 ] ,提出
以下 BC 游离的可能模式。当种子露白时 ,根冠细
胞壁 PME 活性迅速上升 ,使果胶去甲基化 ,利用其
释放出的 H+ 使细胞壁的 pH 值下降 ,间接激活了多
聚半乳糖醛酸酶 PG(polygalacturonases , PG) 和果胶
水解酶 PL (pectatelyases , PL) ,从而使果胶酸分解成
小果 胶 碎 片 和 半 乳 糖 醛 酸 ( galacturonic acid ,
GA) [21 ,22 ] ;另一方面 ,小果胶碎片的产生可以进一步
诱导其他果胶酶基因的表达[23 ] ,最后由于果胶层的
降解导致 BC 从根冠表皮细胞上游离。PME 在 BC
发育和游离过程中起着重要作用 ,虽然对于大豆 BC
发育过程已有大概了解 ,但要从分子水平上充分认
识其发育机制仍是项很艰巨的任务。
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