全 文 ：Vol. 29 , No. 4
pp. 610～614 　July , 2003
作 　物 　学 　报
ACTA AGRONOMICA SINICA
第 29 卷 第 4 期
2003 年 7 月 　610～614 页
硅对盐胁迫烟草悬浮细胞的影响
房江育1 ,2 　王　贺1 　张福锁1 , 3
(1 中国农业大学植物营养系 ,北京 100094 ;2 甘肃农业大学农学系 ,甘肃兰州 730070)
摘 　要 　研究了硅对盐胁迫烟草 ( Nicotiana tabacum L. )悬浮细胞的影响。结果表明 ,硅通过提高盐胁迫细胞胞外过氧化
物酶 POD 活性、改善细胞的长宽比例使细胞更趋向于圆形和减少盐胁迫引起的畸形细胞等作用使细胞保持较旺盛的分
裂和代谢能力 ,硅可进一步调节细胞内水分状况 ,增强细胞的耐盐性。本文对这一影响的可能机制进行了讨论。Ξ
关键词 　硅 ;盐胁迫 ;烟草 ;悬浮细胞
中图分类号 : S572 　　　文献标识码 : A
Effect of Silicon on Tobacco Suspension Cells under Salt Stress and Related Mecha2
nism
FANGJiang2Yu1 ,2 　WANG He1 　ZHANG Fu2Suo1 , 3
(1 Plant Nutrition Department . China Agricultural University , Beijing 100094 ; 2 Agronomy Department , Gansu Agricultural University , Lanzhou , Gansu 730070 ,
China)
Abstract 　　To understand the interaction of silicon and salt in plant and the possible mechanism ,2 mmol/ L silicon was
put into tobacco cell suspension together with 3 different salt levels of 0 ,50 and 100 mmol/ L NaCl . The results showed that
silicon could significantly increase POD activity in tobacco cell suspension system under salt stress condition. The increased
enzymatic activity that might modify the structure and properties of the cell wall induced a serial biochemical reaction in the
cells. An active metabolism in the cells not only raised cells’fresh weight and dry weight ,but also improved the cells shape
from abnormal to round ,because the ratio of the length to the width of the cells trended to 1 when silicon was available. It
seemed that fresh weight increased more than dry weight when silicon was added ,suggesting that silicon might be useful to
alleviate water stress induced by salinity.
Key words 　　Silicon ;Salt stress ;Tobacco ;Suspension cells
　　土壤含硅量一般较丰富 ,在地壳元素含量中排
第二[1 ] ,然而硅是否是植物必需营养元素还未被证
实。缺硅可以导致植物对环境胁迫的适应能力减
弱[1 ] ,而施用硅肥可促进植物生长、提高植物机械组
织支持力、增强植物对逆境的抗性。近年来的研究
表明 ,适量施硅可显著提高作物的抗盐性 ,降低作物
盐害[1～8 ] 。梁永超在研究硅对大麦适应盐胁迫能力
的影响时发现 ,硅可提高大麦叶片光合作用速率 ,促
进大麦对钾的吸收 ,抑制对钠的吸收 ,降低细胞质膜
透性 , 使盐胁迫大麦能保持完好的叶绿体结
构[2 ,5～7 ] 。鉴于这些研究大都集中在富硅的禾本科
植物中 ,国内、外有关硅对其他植物耐盐性影响的报
道甚少。本文以烟草悬浮细胞为研究材料 ,研究了
硅对盐胁迫植物细胞生长状况及有关生理生化特性
的影响及其作用机理 ,为进一步研究盐胁迫下植物
细胞生长的内在机制及硅在这一过程中的调节作用
提供理论依据。Ξ基金项目 :国家自然科学基金项目 (30170550) 。
作者简介 :房江育 (1962 - ) ,女 ,江苏溧阳人 ,博士研究生 ,主要研究方向 :植物生理学。3 通讯作者 :张福锁。E2mail :Zhangfs @mail . cau. edu. cn
Received(收稿日期) :2002203204 ;Accepted(接受日期) :2002210215.

1 　材料与方法
111 　材料及其处理
　　烟草 ( Nicotiana tabacum L. ) 悬浮细胞来源于中
国农业大学生物学院 ,采用改良 MS 培养基 (MS +
KH2PO4200 mg/ L + Gly 2 mg/ L + VB1 1 mg/ L + VB6
015 mg/ L + 肌醇 100 mg/ L + 蔗糖 30g/ L) ,pH 518 ,置
120r/ min 旋转摇床上 ,28 ℃遮光培养。硅处理为培
养基中不加硅 ( Si0) 和加入 K2SiO3·nH2O 2 mmol/ L
(Si1) ,增加的钾从 KH2PO4 中扣除 ,用稀磷酸补充减
少的 PO3 -4 ;盐胁迫处理为培养基中分别加入 NaCl
0 (Na0) 、50 (Na1) 、100 (Na2) mmol/ L。培养和试验用
水皆取自 MILLIPORE系统的高纯水 ,用高温灭菌后
的塑料瓶分装悬浮细胞进行培养 ,每一处理 3 瓶 ,共
18 瓶。在培养后的第 10～12 d 进行各项测定。
112 　悬浮细胞生长状况及有关生理生化特性测定
　　在刻度离心管中将 15 mL 细胞悬浮液在 200 g
下离心 5 min ,根据沉淀物体积得出细胞的密实体积
(PCV) ;将此沉淀物转至已知重量的尼龙丝网上 ,真
空抽滤除去多余水分 ,称出鲜重 ;再在 60 ℃干燥箱
中干燥 24 h 后称干重 ;将 1 份培养物加入到 2 份
8 %CrO3 溶液中 ,在 70 ℃水浴中保温 15 min ,再用力
振荡 10 min 使细胞团分散 ,以提高细胞计数的准确
性 ,用血球计数板测定细胞密度[9 ] ,每一样品观测
20 个大方格后求其平均值 ;然后将分散处理后的细
胞培养物用 013 %伊文思蓝染色 ,观察细胞形态 ,按
参考文献[10 ]方法 ,用显微测微尺测定细胞长和宽 ,
每个样品的测定值来自于对 50 个细胞的测定 ;用
Beckman 酸度计测培养物的 pH值。
以直径为 30μm 的尼龙丝网过滤 40 mL 细胞悬
浮培养液后弃去滤液 ,加入 50 mmol/ L pH 619 磷酸
缓冲液匀浆离心 (27 ,000 ×g ,15 min ,4 ℃) 3 次 ,收集
上清液 ,以牛血清蛋白为标准 ,按考马斯亮蓝方
法[11 ]在 UV2120202 可见分光光度计上比色后得到蛋
白质含量 ,每一样品做 3 次平行 ;采用愈创木酚
法[12 ]测 POD 活性 ,以细胞悬浮液代替酶提取液 ,反
应体系包括 50μL 细胞悬浮液、3 mL 011 mmol/ L pH
718 磷酸缓冲液、015 mL 015 %愈创木酚、015 mL
115 %H2O2 ,在紫外分光光度计中反应 180 s ,得到活
细胞外 POD 活性与时间间的线形关系。以每分钟
A470变化 0101 所需酶量为 1 个 POD 活性单位 ,以每
mL 悬浮液酶活性单位数表示 POD 活性 ,每一样品
测 3 次。
2 　结果与分析
211 　细胞生长状况
　　从图 1 可以看出 ,高盐浓度下加硅培养比不加
硅培养烟草悬浮细胞的 PCV 增加了 64 % ,而在低盐
胁迫时二者之间差异不大 ,正常生长的烟草悬浮细
胞中加硅后 PCV 下降。关于硅对盐胁迫烟草悬浮
细胞密度的影响 ,加硅后细胞数量明显增加 (见图 2
和图 3B、C) ,在低盐和高盐中差异都较大 ,单位体积
悬浮液中细胞数分别增加了 83 %和 36 %。同样 ,在
正常生长的烟草悬浮细胞中加硅比不加硅的细胞数
量少了 54 %。
图 1 　　硅对盐胁迫烟草悬浮细胞 PCV 的影响
Fig. 1 　　Effect of silicon on PCV of tobacco
suspension cells under salt stress
图 2 　　硅对盐胁迫烟草悬浮细胞密度的影响
Fig. 2 　　Effect of silicon on density of
suspension cells under salt stress
从表 1 和图 3 可看出 ,盐胁迫下细胞的长和宽
都逐渐变小 ,细胞大小相差增大 ,畸形细胞显著增
多 ;加硅处理使盐胁迫烟草悬浮细胞的形态有了明
显的改变 ,细胞长、宽比例缩小 ,圆形细胞增多 ,畸形
细胞明显减少 ;表 2 表明 ,盐胁迫降低了细胞的干重
116　4 期 房江育等 :硅对盐胁迫烟草悬浮细胞的影响 　　　

及鲜重 ,加硅则缓解了盐胁迫造成的这种伤害 ,反映
在细胞的干重及鲜重比不加硅处理有所上升 ,尤其
是鲜重上升更多 ,反映出硅对盐胁迫烟草悬浮细胞
含水量具有积极的调节作用。
图 3 　　不同生长条件下的烟草悬浮细胞 ( ×50)
A :正常生长的细胞 ;B :50mmol/ L NaCl 盐胁迫下的悬浮细胞。与 A 相比 ,细胞数量减少 ,畸形细胞增多 ;
C :50 mmol/ L NaCl 盐胁迫时加 2 mmol/ L K2SiO3 的悬浮细胞 ,与 B 相比 ,细胞数量增多 ,畸形细胞减少。
Fig. 3 　　Microphotographs of tobacco suspension cells in different environments( ×50)
A :Normal cells ;B :Cells under salt stress of 50 mmol/ L NaCl ,with fewer cells and more abnormal cells than those in A ;
C :Cells in 50 mmol/ L NaCl and 2 mmol/ L K2SiO3 ,with more cells and less abnormal cells than those in B.
表 1 不同浓度硅盐组合下烟草悬浮细胞的长宽变化
Table 1 The changes in length and width of tobacco
suspension cells under different concentrations
of silicon and salt
处理
Treatment
长
Length
(μm)
宽
Width
(μm)
长/ 宽
Length/ Width
Si0Na0 8132 ±0155 7112 ±1135 1117 ±0112
Si1Na0 7179 ±0135 5107 ±0176 1137 ±0117
Si0Na1 7125 ±0145 5167 ±0168 1128 ±0107
Si1Na1 7118 ±0106 5198 ±0165 1120 ±0103
Si0Na2 7131 ±0151 5104 ±0169 1136 ±0115
Si1Na2 6153 ±0127 5129 ±0113 1123 ±0107
　　注 :所有表格中数值均为平均值 ±标准误。Note :All the values
are mean ±SD。
212 　过氧化物酶活性的变化
由表 3 可见 ,与不加硅处理相比较 ,加硅处理的
烟草悬浮细胞蛋白质含量以及酸碱度没有明显变
化 ,受到较大影响的是过氧化物酶 POD 的活性 (见
图 4) :硅大幅度地提高了盐胁迫烟草细胞悬浮系的
酶活性 ,使低盐胁迫下悬浮系 POD 活性提高 0136
倍 ,高盐胁迫下 POD 活性提高 0170 倍。
表 2 不同硅盐组合下烟草悬浮细胞的干重及鲜重
Table 2 The dry and fresh weights of tobacco suspension cells
treated with different concentrations
of silicon and salt
处理
Treatment
鲜重
Fresh weight
(mg/ mL)
干重
Dry weight
(mg/ mL)
含水量
Water content
(mg/ mL)
Si0Na0 71050 ±01071 51350 ±01071 11700 ±01141
Si1Na0 51800 ±01500 41367 ±01513 11433 ±01115
Si0Na1 51200 ±01600 31833 ±01551 11367 ±01351
Si1Na1 51300 ±01283 31850 ±01071 11450 ±01212
Si0Na2 31977 ±01111 31060 ±01197 01917 ±01189
Si1Na2 41477 ±01051 31350 ±01137 11127 ±01186
216 　　　作 　　物 　　学 　　报 29 卷 　

表 3 不同硅盐组合下烟草悬浮细胞的蛋白质
含量及其培养液的酸碱度
Table 3 The protein contents of tobacco suspension cells
and the pH values under different
concentrations of silicon and salt
处理
Treatment
蛋白质含量
Protein content
(μg/ mL)
pH
　
Si0Na0 13145 ±2111 4122 ±0117
Si1Na0 13112 ±2138 4117 ±0110
Si0Na1 10174 ±1100 4116 ±0102
Si1Na1 10197 ±1176 4108 ±0133
Si0Na2 11123 ±2166 4129 ±0104
Si1Na2 11160 ±2157 3197 ±0113
图 4 不同硅盐组合下烟草悬浮系的 POD 活性
Fig. 4 POD activity in tobacco cell suspensions with different
concentrations of silicon and salt
3 　讨论
盐生植物适应盐胁迫的机制主要包括拒盐、细
胞或组织的区隔化以及通过盐腺泌盐等[13 ] 。对于
缺乏相应组织结构例如盐腺的非盐生植物来说 ,其
耐盐、抗盐主要是通过增强新陈代谢和清除自由基
进行。本试验中 ,硅使盐胁迫烟草细胞单位体积悬
浮液中的细胞数量比不加硅增加更快 ,使悬浮液细
胞 PCV 随着盐胁迫程度的增加也增加更快 ,说明硅
对受盐害细胞的作用在于能够保持细胞的旺盛分裂
以及调控细胞的向外伸长 ;进一步的实验表明 ,硅对
胁迫条件下细胞分裂的积极作用是通过调节细胞的
长、宽比例 ,改善其形态得以完成的 ,因为盐胁迫使
细胞数量增长速度下降的同时也引起细胞悬浮液出
现更多的畸形细胞 (比较图 3 中 A 和 B) ,此类细胞
基本不分裂 ,并且也失去分化能力 ,加硅则不仅保持
了细胞数量增长速度 ,也稳定了细胞的均匀形态 ,减
少畸形细胞 (比较图 3 中 B 和 C) 。另一方面 ,Binzel
等人[14 ]曾经报道了适应 NaCl 胁迫的烟草细胞体积
缩小 , Iraqui [15 ]认为这可能是由于细胞壁性质发生了
变化 ,因为此时的细胞膨压已经比正常环境中生长
的细胞上升了 3 倍 ;研究还发现硅在植物次生细胞
壁上以无定形 SiO2·nH2O 沉积并发挥作用[16 ] ,本研
究中盐胁迫使细胞的长和宽都变小 ,加硅并没有恢
复或加大它们的长和宽 ,尤其在 50 mmol/ L NaCl 下
密实体积 PCV 没有明显变化的同时细胞密度却有
所增加 ,是悬浮细胞积极分裂 ,对更低水势环境 (同
样盐浓度下添加硅后环境水势降低) 的一种积极适
应 ,由于硅在进入次生细胞壁之前必须首先通过初
生细胞壁 ,对于只有初生细胞壁的悬浮细胞而言 ,硅
的作用位点可能在细胞壁上。环境渗透压是决定植
物生长发育的关键因素之一。在盐胁迫下 ,离子对
水分运动的影响深刻地改变着植物对水分的利
用[17 ] 。本研究中硅提高了盐胁迫细胞的干重及鲜
重 ,尤其是鲜重的增加更加明显 ,使细胞含水量有所
上升 ,从而提高了植物细胞的水分利用率 ,增强了细
胞的耐盐性。
据报道[18～21 ] ,过氧化物酶 POD 能够催化细胞
壁果胶和阿魏酸取代物之间的横向联接 ,也催化细
胞壁伸展蛋白中酪氨酸残基间的交联 ,这些联接在
相当程度上控制着细胞壁的延展 ;此外 ,胞外基质蛋
白间的横向交联有可能是真核细胞在各种胁迫条件
下的一种保护机制[22 ] 。Levine 等人[23 ]发现在一个
突发的连锁氧化反应中 ,积累的 H2O2 能够激发细胞
壁结构蛋白的横向交联 ,而催化这一反应的正是
POD[24 ] 。由此可以推断 ,本试验中所测到的加硅盐
胁迫烟草悬浮活细胞胞外 POD 活性的显著上升 ,有
可能是细胞壁发生一系列连锁反应的表征之一 ,由
此调节细胞内、外水分和离子交换 ,激发细胞物质代
谢 ,改善细胞的长宽比例及其形状 ,加速细胞分裂 ,
提高细胞的耐盐性。
本试验中观察到的介质 pH 值没有显著改变 ,
排除了硅通过影响细胞生存介质酸碱度来调节细胞
对矿质离子选择性吸收的可能性。试验表明 ,无盐
胁迫下硅影响着烟草悬浮细胞的正常生长 ,表现在
加硅培养比不加硅培养的细胞 PCV、密度、含水量等
下降 ,而长宽比值和 POD 活性略有上升 ,呈现出毒
316　4 期 房江育等 :硅对盐胁迫烟草悬浮细胞的影响 　　　

害作用以及细胞的适应调节。
综上所述 ,烟草属于不喜硅植物 ,正常培养的烟
草悬浮细胞不需要添加外源硅。硅作为一种防御武
器 ,只有在烟草细胞遭遇盐胁迫时才能发挥其积极
的调节作用 ,增强细胞对逆境的适应能力。
References
[1 ] 　Epstein E. The anomaly of silicon in plant biology. Proc Natl Acad Sci
USA ,1994 ,91 :11 —17
[2 ] 　Liang Y2C(梁永超) ,Ding R2X(丁瑞兴) ,Liu Q (刘谦) . Effects of
silicon on salt tolerance of barley and its mechanism. Scientia Agricul2
tura Sinica (中国农业科学) ,1999 ,32 (6) :75 —83
[3 ] 　Ahmad R ,Zaheer S ,Ismail S. Role of silicon in salt tolerance of wheat
( Tritium aestivum L. ) . Plant Sci ,1992 ,85 (1) :43 —50
[4 ] 　Bradbruy M ,Ahmad R. The effect of silicon on the growth of Prosopis
juliflora growing in saline soil . Plant and Soi ,1990 ,125 (1) :71 —75
[5 ] 　Liang Y C ,Shen Q R ,Shen Z G, et al . Effects of silicon on salinity
tolerance of two barley cultivars. J Plant Nutr ,1996 ,19 (1) :173 —183
[6 ] 　Liang Y C. Effects of Si on leaf ultrastructure ,chlorophyll content and
photosynthetic activity in barley under salt stress. Pedosphere ,1998 ,8 :
289 —296
[7 ] 　Liang Y C. Effects of silicon on enzyme activity ,and sodium ,potassium
and calcium concentration in barley under salt stress. Plant and Soil ,
1999 ,209 (2) :217 —224
[8 ] 　Matoh T ,Kairusmee P ,Takahashi E. Salt2induced damage to rice plants
and alleviation effect of sillicate. Soil Sci Plant Nutr , 1986 ,32 (2) :
295 —304
[9 ] 　中国科学院上海植物生理研究所 ,上海植物生理实验室 ,上海
植物生理学会编. 现代植物生理学实验指南. 北京 :科学出版
社 ,1999. 38 —42
[10 ] 　颜昌敬. 植物组织培养手册. 上海 :上海科学技术出版社 ,
1990. 210
[ 11 ] 　Bradford M N. A rapid and sensitive method for the quantitation of mi2
crogram of protein utilizing the principle of protein dye binding. Anal
Biochem ,1976 ,72 :248 —254
[12 ] 　张志良. 植物生理学实验指导. 北京 :高等教育出版社 ,1996.
154 —155
[ 13 ] 　Cheeseman J M. Mechanisms of salinity tolerance in plants. Plant
Physiol ,1988 ,87 (3) :547 —550
[14 ] 　Binzel M L ,Hasegawa P M ,Handa A K, et al . Adaptation of tobacco
cells to NaCl . Plant Physiol ,1985 ,79 (1) :118 —125
[15 ] 　Iraqui N M ,Bressan R A , Hasegawa P M , et al . Alteration of the
physical structure of the primary cell wall of growth2limited plant cells
adapted to osmotic stress. Plant Physiol ,1989 ,91 (1) :39 —47
[16 ] 　Xing X2R(邢雪荣) ,Zhang L (张蕾) . Review of the Studies on Sili2
con Nutrition of Plants. Chinese Bulletin of Botany (植物学通报) ,
1998 ,15 (2) :33 —40
[17 ] 　Maria A. Sancho ,Silvia Milrad de Forchetti ,Fernando Pliego , et al .
Peroxidase activity and enzymes in the culture medium of NaCl adapt2
ed tomato suspension cells. Plant Cell , Tissue and Organ Culture ,
1996 ,44 (2) :161 —167
[18 ] 　Fry S C. Cross2linking of matrix polymers in the growing cell walls of
the angiosperms. Annu Rev Plant Physiol ,1986 ,37 :165 —186
[19 ] 　Brett C ,Waldron K. Control of cell wall extensibility. In :Black M ,
Chapman J ( eds) Physiology and Biochemistry of Plant Cell Walls.
London :Unwin Hyman ,1990. 101 —113
[20 ] 　Fry S C. Xyloglucan :A metabolically dynamic polysaccharide. Trends
Glycosci . Glycotechnol ,1992 ,4 :279 —289
[21 ] 　Shedletzky E ,Shmuel M ,Delmer D P , et al . Adaptation and growth of
tomato cells on the herbicide 2 ,62dichlorobenzonitrile leads to produc2
tion of unique cell walls virtually lacking a cellulose2xyloglucan net2
work. Plant Physiol ,1990 ,94 (3) :980 —987
[22 ] 　Bradley D J , Kjellbom P ,Lamb C J . Elicitor2and wound2induced ox2
idative cross2linking of a proline2rich plant cell wall protein :A novel ,
rapid defense response. Cell ,1992 ,70 (1) :21 —30
[23 ] 　Levine A ,Tenhaken R ,Dixon R , et al . H2O2 from the oxidative burst
orchestrates the plant hypersensitive disease resistance response. Cell ,
1994 ,79 (4) :583 —593
[24 ] 　Brisson L F ,Tenhaken R ,Lamb C J . Function of oxidative cross2link2
ing of cell wall structural proteins in plant disease resistance. The
Plant Cell ,1994 ,6 :1703 —1712
416 　　　作 　　物 　　学 　　报 29 卷