鋁脅迫下植物根尖細胞壁組成物質(zhì)變化抑制根伸長的生理機制研究

楊 野，王巧蘭，趙磊峰，年夫照，趙竹青

(1昆明理工大學生命科學與技術(shù)學院，昆明650000;2華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，武漢430070;3武漢軍事經(jīng)濟學院，武漢430035)

植物受鋁毒害的主要癥狀為根生長迅速受抑制［1］，根系形態(tài)改變，根尖腫脹、根毛減少［2］，根系活力降低，從而造成根對水分及養(yǎng)分吸收能力變?nèi)酰?］，最終導致植物生長發(fā)育受限制。鋁脅迫抑制植物根生長存在多方面原因。如鋁脅迫導致植物根尖尤其是伸長區(qū)細胞的細胞壁組成物質(zhì)含量、比例及結(jié)構(gòu)的改變，從而造成細胞壁彈性降低，抑制根尖伸長細胞的伸長;此外鋁脅迫還可以造成植物根尖細胞的氧化脅迫損傷，影響細胞的正常生理代謝活動，甚至造成細胞死亡，從而抑制根生長;最后鋁還可進入根尖細胞的細胞核，同核內(nèi)染色體相結(jié)合，造成有絲分裂障礙，抑制根生長。

本文僅從鋁脅迫下影響細胞壁彈性物質(zhì)(木質(zhì)素、胼胝質(zhì)、纖維素、半纖維素、果膠和細胞壁多糖蛋白等)的變化對植物根伸長影響的角度，結(jié)合作者對該問題的研究，對該領(lǐng)域國內(nèi)外的研究進展作以綜述，以期為今后的研究工作提供參考。

1 鋁對植物根伸長的抑制及在根中的累積

1.1 鋁脅迫抑制植物根尖細胞伸長

鋁脅迫下植物根伸長迅速受抑制。如玉米根系受鋁脅迫 30 min［4］，綠豆根系經(jīng)鋁脅迫 20～30 min［5］，根生長受抑制顯著。因此，根相對伸長率被廣泛作為篩選耐鋁植物的指標［6］。Sasaki等［7］在對耐鋁小麥品種Atlas 66的研究中發(fā)現(xiàn)，無鋁脅迫細胞的縱向長度與橫向長度的比值約為20 μmol/L鋁脅迫下比值的 3～4倍;Konarska［8］研究發(fā)現(xiàn)，40 mg/L鋁處理紅辣椒14 d后，分生區(qū)和伸長區(qū)細胞變短。說明鋁脅迫造成根尖細胞由縱向生長變?yōu)闄M向生長。楊野等［9］研究發(fā)現(xiàn)50 μmol/L鋁處理24 h，不同耐鋁型小麥品種ET8(耐鋁型)和ES8(鋁敏感型)根尖均腫脹變粗、彎曲，伸長區(qū)皮層細胞嚴重變形，而且鋁脅迫造成根尖細胞相對長度降低，根相對伸長率與根尖細胞相對長度之間呈極顯著正相關(guān)。由此可見，鋁脅迫抑制細胞伸長是根生長受抑制的原因之一。因此廣大鋁毒研究工作者對鋁脅迫抑制細胞伸長機理進行了深入研究。

1.2 鋁主要累積于植物根尖

明確鋁在植物根的累積位置對揭示鋁抑制細胞伸長機理至關(guān)重要。Rincon和 Gonzales［10］對鋁處理后的小麥根用蘇木精染色發(fā)現(xiàn)，鋁主要累積于根尖0～5 mm，其中0～2 mm分生區(qū)鋁含量是根其他部位的2倍。Ryan等［11］在對玉米研究中發(fā)現(xiàn)，玉米根尖遠端過渡區(qū)(DTZ，從根尖向上2～3 mm，該區(qū)域為細胞迅速伸長準備階段)是對鋁最敏感的部位，該區(qū)域暴露于鋁溶液后，根生長顯著受抑制，根尖其他區(qū)域受鋁處理后根伸長不受影響。利用XRFS和X-ray技術(shù)對近等位基因小麥ET3和ES3的研究表明，在根尖0～2 mm處，鋁主要累積于皮層和外皮層細胞［12］。根據(jù)現(xiàn)有研究成果可以明確，鋁主要累積于根尖，涵蓋了與根生長密切相關(guān)的分生區(qū)與伸長區(qū)，而這兩個區(qū)域中細胞的分化和伸長是根生長的主要動力。因此研究者又將研究焦點投向了鋁脅迫抑制細胞伸長的機理方面。

1.3 植物根尖細胞壁是鋁累積的主要位點

植物根尖細胞壁是與鋁接觸的最初部位，有研究表明鋁主要累積于此。早在1967年，Clarkson［13］就發(fā)現(xiàn)大麥根細胞壁中累積了85%～90%以上的鋁，黃秋葵胚軸細胞中的鋁也有95%結(jié)合于細胞壁［14］，珊瑚輪藻細胞壁甚至結(jié)合了 99% 的鋁［15］，小麥根系中77%的鋁累積于細胞壁［16］。對不同耐鋁型水稻品種的研究發(fā)現(xiàn)，鋁敏感型水稻品種細胞壁鋁含量占總量的96%，耐鋁型品種也高達80%［17］。細胞壁具有支撐和保護細胞的作用，但如此大量的Al3+累積于細胞壁，必然會造成細胞壁代謝系統(tǒng)紊亂，并喪失部分甚至全部功能。因此，鋁脅迫下植物根尖細胞壁的變化引起了研究者的廣泛興趣。

1.4 鋁脅迫誘導的根尖細胞壁組成物質(zhì)的改變抑制植物根伸長

伸長細胞的伸長過程是由膨壓驅(qū)動的，由細胞壁控制生長方向的細胞體積不斷變大的過程，但當伸長細胞轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒旒毎螅蚱浼毎诓豢赡娴膯适а诱剐远鵁o法響應膨壓變化，因此成熟細胞能夠維持固定的形狀，而不因膨壓的增大而繼續(xù)變大。但若伸長細胞的細胞壁彈性降低或喪失，無法對膨壓做出響應，其必然無法伸長，因此研究者對鋁脅迫下伸長細胞的細胞壁彈性的變化與細胞伸長受抑制之間的關(guān)系進行了研究。Tabuchi等［18］研究發(fā)現(xiàn)，鋁敏感小麥品種Scout 66經(jīng)鋁(10 μmol/L)脅迫6 h后，根尖細胞壁彈性顯著下降;Ma等［16］研究發(fā)現(xiàn)，鋁敏感型小麥品種Scout 66在經(jīng)鋁脅迫(10 μmol/L)3～6 h后，根尖細胞壁彈性迅速下降20%～30%，同時根相對伸長率顯著降低，這是由于鋁結(jié)合于細胞壁后，改變了細胞壁組成物質(zhì)的含量、比例和結(jié)構(gòu)，從而改變細胞壁的結(jié)構(gòu)和功能(如細胞壁的伸展性、剛性、孔隙度和酶活性等)，進而抑制細胞伸長［19］。細胞壁內(nèi)多種化學組分如木質(zhì)素，胼胝質(zhì)、纖維素、半纖維素、果膠、多糖蛋白等影響細胞壁結(jié)構(gòu)的物質(zhì)在鋁脅迫下均會發(fā)生顯著變化，并反應植物抗鋁脅迫能力。木質(zhì)素、胼胝質(zhì)含量是衡量植物耐鋁性的重要指標［20－21］，如鋁誘導的細胞壁木質(zhì)素和胼胝質(zhì)的累積造成細胞壁變厚，彈性降低，從而抑制細胞伸長;鋁脅迫下細胞壁纖維素含量和排列方向均發(fā)生改變，造成細胞壁無法調(diào)控伸長細胞的生長方向［22］，從而導致根伸長受抑制;而鋁誘導的半纖維素、果膠及細胞壁多糖蛋白含量的升高會增加鋁在細胞壁上的吸附位點，從而造成鋁在植物根尖的累積量增加，加劇鋁的毒害作用［23－25］。

2 鋁脅迫誘導的細胞壁組成物質(zhì)變化與根伸長受抑制的關(guān)系

2.1 鋁脅迫下細胞壁木質(zhì)素變化對細胞伸長的影響

木質(zhì)素是植物細胞次生壁的重要組成部分，具有維持細胞壁機械性能的作用［26］，但當植物根受重金屬脅迫［27］、機械損傷［28］及病原菌入侵后［29］，根尖細胞的細胞壁木質(zhì)素含量會表現(xiàn)出不同程度的增加。細胞壁彈性受木質(zhì)素含量影響，呈隨木質(zhì)素含量增加而降低的趨勢，從而影響發(fā)育中細胞的伸長［30］。細胞壁木質(zhì)素的累積還能造成細胞壁形變，甚至最終導致根尖表皮及外皮層的破裂，進而抑制根伸長［31］。如鋁敏感型小麥品種 Scout 66經(jīng) 5 μmol/L Al處理24 h后，根尖細胞壁木質(zhì)素含量達到0.2個相對單位即可顯著抑制根伸長［7］。在鋁敏感型互葉白千層中，根尖木質(zhì)素含量達到22 μg/g時就可顯著抑制根伸長［32］，水稻根伸長受抑制也伴隨著木質(zhì)素的累積［33］，大豆根伸長受抑制與木質(zhì)素合成基因表達量的升高有關(guān)［34］。Vardar等［35］用間苯三酚染色法對木質(zhì)素累積部位的研究表明，其主要累積于根尖皮層處于生長中的細胞，該試驗為木質(zhì)素累積抑制根伸長提供了直觀的證據(jù)。

木質(zhì)素通過體內(nèi)的苯丙烷類次生物質(zhì)合成途徑合成，PAL、CAD、POD等酶在木質(zhì)素合成中具有十分重要的作用，其活性高低影響木質(zhì)素的合成速率［36］。PAL(苯丙氨酸解氨酶 EC 4.3.1.5)是整個苯丙烷類代謝的一個關(guān)鍵酶和限速酶，CAD(肉桂醇脫氫酶EC 1.1.1.195)催化木質(zhì)素前體香豆醛向香豆醇轉(zhuǎn)化，它是木質(zhì)素代謝途徑中的一個重要環(huán)節(jié)。POD(過氧化物酶EC 1.11.1.7)催化木質(zhì)素單體聚合成木質(zhì)素，是木質(zhì)素生物合成中最后一步的一個關(guān)鍵酶。Polle等［37］對云杉針葉研究表明，POD活性同木質(zhì)素合成有關(guān)，Xue等［38］研究也證明POD活性的增加與木質(zhì)素的累積密切相關(guān)。Hossain等［39］及楊野等［9］在小麥的研究中發(fā)現(xiàn)，50 μmol/L鋁處理24 h，根尖細胞中PAL、CAD和POD活性顯著升高，并導致根尖細胞壁木質(zhì)化。PAL活性抑制劑氨基茚磷酸(AIP)可以顯著降低鋁脅迫下母菊根尖細胞壁木質(zhì)素的累積［40］。

在木質(zhì)素合成過程中，POD可以利用H2O2作為氧化劑催化木質(zhì)素前體向木質(zhì)素轉(zhuǎn)化。由此看來，木質(zhì)化過程是一種清除過多的H2O2的方式，有利于維持細胞處于正常的活性氧代謝狀態(tài)。但事實上，該過程導致過量的木質(zhì)素合成及累積，反而引起植物組織結(jié)構(gòu)僵化。如Hossain等［41］研究表明，鋁脅迫誘導的小麥根生長受抑制伴隨著細胞壁木質(zhì)素的累積及H2O2含量的升高。外源H2O2處理水稻根后發(fā)現(xiàn)，根尖細胞壁木質(zhì)素的累積伴隨著內(nèi)源H2O2含量的升高及根伸長的抑制［33］。但 Wang等［42］提出了相反的證據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)鋁脅迫下H2O2含量會降低，并認為這是由于POD催化木質(zhì)素合成過程中消耗了H2O2，用對細胞伸長和分化具有重要調(diào)節(jié)作用的抗壞血酸或谷胱甘肽和鋁共處理發(fā)現(xiàn)，低濃度的抗壞血酸或谷胱甘肽可以顯著誘導鋁脅迫下水稻根尖細胞壁H2O2的累積，并減少木質(zhì)素含量，緩解鋁對根伸長的抑制作用。但他們并未解釋H2O2含量升高與木質(zhì)素含量降低之間的關(guān)系，我們認為可能存在兩方面原因:1)抗壞血酸或谷胱甘肽降低了鋁脅迫下木質(zhì)素的合成速度，從而降低了對H2O2的消耗，最終導致H2O2的累積;2)抗壞血酸和谷胱甘肽均為非酶抗氧化物，兩者與鋁共處理后降低了鋁對細胞的氧化脅迫，即減輕了鋁激活的酶系統(tǒng)對H2O2的清除，從而造成H2O2的累積。

對香豆酸是苯丙氨酸代謝的中間產(chǎn)物，外源添加對香豆酸(≥0.25 mmol/L)能夠增加大豆根尖細胞的細胞壁木質(zhì)素含量，并導致細胞提前衰老及根停止生長［43］。在鋁毒研究中發(fā)現(xiàn)，鋁處理可以顯著增加小麥根尖細胞內(nèi)對香豆酸的含量，從而增加木質(zhì)素合成［39］。此外，在對鋁脅迫下決明根尖細胞木質(zhì)素合成調(diào)節(jié)研究中發(fā)現(xiàn)，信號物質(zhì)NO調(diào)節(jié)POD催化的木質(zhì)素合成，增強根尖細胞NO信號強度可以減少根尖細胞木質(zhì)素的累積［38］。這可能是由于NO對質(zhì)外體的POD具有負調(diào)節(jié)作用，從而降低了POD催化的木質(zhì)素前體向木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化過程，但外源NO對鋁脅迫下母菊根尖細胞壁中木質(zhì)素的累積無顯著影響［40］，說明鋁脅迫下不同植物木質(zhì)素合成調(diào)節(jié)途徑具有顯著差異，因此我們在研究中應根據(jù)植物種類的不同而展開差異化的研究。

由此可見，鋁脅迫誘導了木質(zhì)素代謝相關(guān)酶活性及代謝中間產(chǎn)物含量的變化，造成木質(zhì)素大量合成，含量顯著提高，說明根尖細胞壁開始木質(zhì)化。木質(zhì)素滲入到細胞壁中，填充于細胞，加大了細胞壁的硬度，而堅硬的細胞壁無疑是抵抗細胞伸長動力—膨壓的最大障礙，從而限制了細胞的伸長。盡管木質(zhì)素與鋁誘導的根伸長受抑制關(guān)系密切［20］，但已有研究明確提出其在桃金娘科植物中不能作為篩選抗鋁脅迫植物的指標［44］，目前也沒有研究表明木質(zhì)素含量與根相對伸長量之間具有顯著的相關(guān)性。據(jù)此可以推斷，鋁脅迫下木質(zhì)素累積對根伸長抑制的貢獻可能不占據(jù)主要地位。

2.2 鋁脅迫下細胞壁胼胝質(zhì)變化對細胞伸長的影響

胼胝質(zhì)也是一些植物細胞壁的組成部分，同時也是傷害反應產(chǎn)物，如機械損傷、病原菌入侵及生理脅迫均會誘導胼胝質(zhì)合成，其主要功能在于愈合傷口或形成生物屏障阻止病原菌進一步入侵［45－46］。此外，多種重金屬脅迫(如錳、銅、鉛等)也會誘導根尖細胞胼胝質(zhì)的累積［47－49］。鋁脅迫同樣可以誘導根尖細胞壁胼胝質(zhì)合成及累積，而且胼胝質(zhì)的累積是多種植物受鋁脅迫的重要特征之一［21，23，50］。因此，有學者認為根尖細胞壁胼胝質(zhì)含量和根相對伸長率均可作為衡量一些植物受鋁毒害程度的指標［22］。根據(jù)這一特性，也有研究人員將其作為篩選酸性土壤中耐鋁脅迫植物的指標，如白楊根尖細胞壁胼胝質(zhì)含量與抗鋁性之間具有極顯著的相關(guān)性［21］。Eticha等［51］對玉米15 個株系及其 105 個雜交后代研究表明，胼胝質(zhì)含量與產(chǎn)量之間具有極顯著負相關(guān)關(guān)系。但這也僅能說明其可作為篩選該種作物適應酸性土壤鋁毒害的指標，因為目前尚無研究表明所有植物根尖細胞壁胼胝質(zhì)含量均與植物抗鋁性具有顯著相關(guān)性，所以應依植物種類不同而區(qū)別對待。同時，這也要求我們應加強對不同植物的研究，揭示各植物鋁脅迫下根尖細胞壁胼胝質(zhì)含量在評價植物耐鋁性中的作用，明確其能否作為繼根相對伸長率之后評價植物耐鋁性的補充指標。

鋁脅迫誘導的根尖細胞壁胼胝質(zhì)累積抑制植物根伸長的機理早有研究。1993年，Ryan等［11］研究發(fā)現(xiàn)，若只用鋁處理根伸長區(qū)，則根伸長便會受到顯著抑制。后來研究發(fā)現(xiàn)，鋁脅迫下該區(qū)域也是胼胝質(zhì)累積量最高的區(qū)域，從而說明胼胝質(zhì)的累積與細胞伸長受抑制有關(guān)。正常情況下胼胝質(zhì)可將植物細胞壁粘結(jié)在一起防止細胞松弛，但鋁脅迫下根尖細胞壁胼胝質(zhì)含量是無鋁脅迫下的10倍［52］，如此大量的胼胝質(zhì)包裹在細胞外，必然導致細胞壁變厚［53］，從而降低細胞壁的可塑性，抑制細胞伸長［16］。Jones等［54］利用激光共聚焦技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，鋁脅迫誘導的胼胝質(zhì)主要位于根生長活躍部位(根尖1～2 mm)，表皮細胞在鋁脅迫后迅速合成胼胝質(zhì)，隨著處理時間的延長，皮層細胞也逐漸發(fā)現(xiàn)胼胝質(zhì)，最后直至中柱細胞也有胼胝質(zhì)合成。Silva等［55］對鋁脅迫下黑麥根尖胼胝質(zhì)分布進行了更為精細的研究，他們發(fā)現(xiàn)，無鋁條件下胼胝質(zhì)主要分布于分生區(qū)的原皮層，根冠細胞和伸長區(qū)的表皮，但經(jīng)鋁處理24 h后分生區(qū)胼胝質(zhì)含量顯著高于其他區(qū)域，且主要累積于分生區(qū)的原皮層、根冠、基本分生細胞層，伸長區(qū)的表皮和外皮層及鋁敏感品種的內(nèi)皮層。由此可見，鋁脅迫誘導的根尖細胞分生區(qū)及伸長區(qū)胼胝質(zhì)的累積造成細胞壁彈性降低，并導致根伸長迅速受抑制。

胼胝質(zhì)累積誘導的根生長受抑制還存在其他原因。胞間連絲是植物細胞共質(zhì)體運輸?shù)闹匾ǖ?，水分、營養(yǎng)物質(zhì)、信號分子甚至激素等均可通過胞間連絲運輸。Jorge和 Menossi［56］研究認為鋁脅迫誘導的小麥根尖細胞胞間連絲內(nèi)胼胝質(zhì)的過量累積導致胞間連絲堵塞，造成共質(zhì)體運輸途徑受阻，進而導致信號傳導不暢及營養(yǎng)物質(zhì)運輸不足，從而導致根伸長受抑制。Horst等［57］總結(jié)認為胼胝質(zhì)的累積不但阻塞共質(zhì)體途徑，而且也阻礙根尖皮層細胞質(zhì)外體途徑。

關(guān)于鋁脅迫下胼胝質(zhì)合成的增加，有學者認為是由于鋁脅迫導致的細胞質(zhì)內(nèi)［Ca2+］cyt濃度的升高直接誘導了胼胝質(zhì)合成酶活性的升高［58－59］。Silva等［55］認為，不但鋁誘導的［Ca2+］cyt濃度的升高會影響胼胝質(zhì)的合成，而且鋁誘導的［Ca2+］cyt穩(wěn)態(tài)失衡也會誘導胼胝質(zhì)的合成，但關(guān)于上述觀點存在一定分歧。如機械損傷脅迫下的綠豆用蛋白酶抑制劑處理后，發(fā)現(xiàn)原本產(chǎn)生胼胝質(zhì)的現(xiàn)象消失［60］?？梢娭辽僭诰G豆中胼胝質(zhì)的合成并非由Ca2+直接活化胼胝質(zhì)合成酶，而是需要經(jīng)過蛋白酶活化胼胝質(zhì)合成酶。此外，Zhao等［61］在擬南芥中發(fā)現(xiàn)，降低磷脂酶D基因的表達或該基因缺陷型突變體鋁脅迫下根尖細胞胼胝質(zhì)累積顯著減少，說明磷脂酶D對鋁脅迫下擬南芥根尖細胞胼胝質(zhì)合成具有調(diào)控作用。目前為止，鋁誘導胼胝合成酶活性升高的原因尚無明確結(jié)論，但無論是Ca2+直接激活胼胝質(zhì)合成酶，還是Ca2+信號轉(zhuǎn)導途徑調(diào)控胼胝質(zhì)合成酶均值得深入研究。此外，也有研究認為鋁脅迫下胞質(zhì)鈣濃度的升高只是誘導胼胝質(zhì)合成及累積的原因之一，如鋁脅迫下同樣存在K+等其他離子濃度的變化［62］。從分子生物學角度對胼胝質(zhì)合成的研究表明，玉米根尖細胞壁胼胝質(zhì)合成相關(guān)基因存在加性效應和非加性效應［50］。由此看來，胼胝質(zhì)合成調(diào)控途徑復雜，需要針對不同植物加以深入研究，以揭示鋁脅迫誘導胼胝質(zhì)合成機理，從而尋求解決胼胝質(zhì)累積抑制根伸長的途徑。

2.3 鋁脅迫下細胞壁纖維素變化對細胞伸長的影響

纖維素作為細胞壁重要組成物質(zhì)具有支撐細胞壁并控制發(fā)育中的細胞生長方向的作用。細胞壁纖維素含量降低會導致根尖形變及根生長受抑制。Debolt等［63］用纖維素合成抑制劑 morlin處理擬南芥根發(fā)現(xiàn)，morlin可以引起擬南芥根尖腫脹變形，并抑制根生長。同DeBolt等研究結(jié)果相似，Teraoka等［22］研究發(fā)現(xiàn)，鋁脅迫下小麥根尖細胞的細胞壁纖維素含量減少，同時伴隨著根尖腫脹及根生長受抑制。其主要原因是纖維素微纖維含量變少，且排列方向也發(fā)生改變，由原來垂直于細胞生長方向轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫杏诩毎L方向，因而導致細胞生長方向發(fā)生改變，由原來的縱向生長變?yōu)闄M向生長，故導致細胞及根尖腫脹，進而導致根生長受抑制［64］。多項研究表明，鋁脅迫下根尖細胞壁纖維素含量降低并不是由于鋁提高了纖維素酶活性，加快纖維素的降解，而是由于鋁脅迫下纖維素的合成速度變慢［22］。我們認為這可能是由于纖維素和胼胝質(zhì)的合成具有共同底物UDP－葡萄糖，而纖維素合成酶的Km值(米氏常數(shù))顯著高于胼胝質(zhì)合成酶，故其同UDP－葡萄糖的親和力小于胼胝質(zhì)合成酶，加之鋁脅迫促進胼胝質(zhì)合成，導致供纖維素合成的底物缺乏，從而導致纖維素合成量降低。此外，鋁脅迫還造成纖維素合成酶構(gòu)型的紊亂，從而可以同時催化纖維素和胼胝質(zhì)的合成［62］，因而造成纖維素合成效率降低。但關(guān)于鋁脅迫誘導根尖細胞壁纖維含量變化方面仍存在分歧，如與Teraoka等［22］研究結(jié)果不同，鋁脅迫下南瓜及豌豆等作物細胞壁纖維素含量存在相反變化趨勢。Van等［65］對南瓜的研究表明，鋁脅迫下根尖細胞壁纖維素含量上升，劉家友等［66］研究也發(fā)現(xiàn)鋁脅迫下豌豆根尖細胞壁纖維含量存在上升趨勢。2008 年，Houde和 Diallo［67］利用微陣列圖譜技術(shù)研究表明，鋁脅迫下的小麥根尖細胞纖維素合成酶基因表達量顯著升高，并將其定為耐鋁脅迫基因。鋁脅迫下根尖細胞壁纖維含量上升導致根生長受抑制的可能機理為細胞壁纖維素含量過高導致細胞壁硬化，從而抑制細胞伸長，進而抑制根伸長。

總之，無論根尖細胞壁纖維素含量上升還是下降，均導致細胞壁結(jié)構(gòu)物質(zhì)含量、比例及結(jié)構(gòu)的變化，造成細胞壁可塑性降低，進而抑制根伸長。

2.4 鋁脅迫下細胞壁半纖維素變化對細胞伸長的影響

根尖細胞壁半纖維素也是細胞壁的重要組分，其通過氫鍵與纖維素微纖絲連接，構(gòu)成堅硬的相互連接的網(wǎng)絡(luò)。半纖維素的主要生理功能是構(gòu)建細胞壁結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)細胞生長，其調(diào)節(jié)細胞生長的兩種主要方式為:1)通過改變細胞壁結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)細胞生長;2)通過半纖維降解后形成的片段改變細胞生理狀態(tài)，進而調(diào)節(jié)細胞生長。與纖維素全部是由葡萄糖單體聚合而成的無分支鏈不同，半纖維素是帶有支鏈的雜多糖，支鏈中的糖類型與主鏈中的糖類型不同。組成半纖維素的多糖主要包括木葡聚糖、木聚糖、混合糖苷鍵葡聚糖及甘露聚糖。

鋁可以與半纖維素結(jié)合，但有關(guān)兩者間的結(jié)合能力卻存在很大分歧。如 Chang等［68］及 Schmohl和Horst［69］等學者認為，由于半纖維素的主要成分為不帶電荷的中性聚糖，故其與鋁的結(jié)合能力低于帶有羧基等負電荷的果膠。但由于半纖維素與果膠存在共價連接［70－72］，故其與鋁的結(jié)合能力可能強于Chang等［68］的推測。如 Yang等［23］于 2011 年首次發(fā)現(xiàn)，擬南芥根尖細胞壁中半纖維素I累積了細胞壁中全部鋁的75%，鋁不但能夠同半纖維素結(jié)合，而且對細胞壁半纖維素含量具有顯著影響。通過對南瓜［65］、小麥［18，39］、蕎麥［72］及水稻［17］等作物的研究發(fā)現(xiàn)，鋁處理促進根尖細胞壁半纖維素含量顯著升高，且主要累積于根尖 0～10 mm［18］處，10～20 mm 則無顯著變化［73］。Zhang 等［74］于 2011 年從植物信號轉(zhuǎn)導角度證明，增強信號物質(zhì)NO的強度能夠顯著減少鋁脅迫下水稻根尖細胞半纖維的累積，從而減少鋁在根尖的累積，降低鋁的毒害作用，但該現(xiàn)象的機理尚未被揭示，因此如果能夠明確該調(diào)控過程，其對增強植物抗鋁脅迫能力將具重要意義?？傊?，鋁脅迫能夠誘導半纖維素含量升高已為廣大鋁毒研究者普遍接受，但其究竟是由合成能力增強造成還是由降解能力變?nèi)跻鹕袩o定論，仍需深入研究。

單子葉植物和雙子葉植物半纖維素組成具有較大差異。雙子葉植物細胞初生壁中主要半纖維素為木葡聚糖，但在單子葉禾本科植物的初生壁中含量較少。木葡聚糖是以α-1，4-葡聚糖為骨架，并含有a-D-Xyl-(1→6)-Glc木糖側(cè)鏈的聚合物，其緊密結(jié)合于纖維素的微纖絲上，并通過束縛相鄰的微纖絲對細胞壁的膨脹起限制作用，這種結(jié)構(gòu)適應于正在生長分裂的細胞，即初生細胞壁中，如在光下伸長的豌豆節(jié)間細胞中木葡聚糖的含量高達19%，當細胞停止生長后，木葡聚糖的含量只剩8.2%［75］。木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)糖苷酶/水解酶(XTH)是植物細胞壁重構(gòu)過程中的關(guān)鍵酶，其可使連接纖維素微纖絲間的木葡聚糖鏈解聚，從而使細胞壁膨脹疏松［76］，促進細胞生長。多項研究表明，XTH活性和植物生長速率有關(guān)，如Osato等［77］研究表明，擬南芥根伸長需要AtXTH18的表達，缺失該基因的突變體為短節(jié)間表型［78］。Vissnberg 等［79］發(fā)現(xiàn)，XTH 活性在植物根毛起始點較高，在維管植物中，根伸長區(qū)XTH活性均較高，說明XTH在根細胞伸長中擔負疏松成熟細胞，引發(fā)根毛起始的重要作用。此外，Liu等［80］對擬南芥的研究表明，AtXTH21主要在根和花中表達，其在初生根的生長中尤其重要，能夠改變半纖維素的沉積狀態(tài)和細胞壁的延伸。Yang等［23］研究發(fā)現(xiàn)，鋁處理能顯著抑制擬南芥根尖細胞木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)糖苷酶(XET)的活性，并首次證明鋁脅迫下XET活性的降低也是植物根生長受抑制的原因之一?？梢婁X脅迫降低了XET的活性后，造成木葡聚糖鏈解聚困難，從而使細胞壁無法松弛，即降低了細胞壁的彈性，造成細胞伸長受抑制。

雙子葉植物次生壁中含量最豐富的半纖維素為木聚糖，在單子葉草本植物中含量為20%左右，其為D-木糖通過β-1，4-糖苷鍵形成的聚合物，側(cè)鏈通常含有阿拉伯糖，葡萄糖醛酸的取代基。單子葉禾本科植物細胞壁中主要的半纖維素多糖為葡萄糖醛酸基阿拉伯糖基木聚糖(GAXs)［81］，木質(zhì)化的細胞壁的支鏈高于初生壁，GAXs的支鏈可以通過阿魏酸酯鍵與木質(zhì)素共價連接，從而影響細胞壁的降解轉(zhuǎn)化［82］。區(qū)別于雙子葉植物，混合糖苷鍵葡聚糖為單子葉草本植物所特有［83］，該糖由葡萄三糖和葡萄四糖通過β-(1-3)鍵連接而成，其在植物生長過程中大量合成，且能擴張并覆蓋到纖維素微纖絲的表面，但在合成完成后，便開始降解，其具體功能尚不清楚［84］。甘露聚糖(Mannans)多存在于裸子植物及部分海藻細胞中［85］，它是以β-1，4甘露聚糖及β-1，4葡甘露聚糖為骨架的半纖維素多糖。甘露聚糖的主鏈在甘露聚糖中主要是甘露糖，在葡甘露聚糖中是由葡萄糖和甘露糖無固定重復組成的［86］。

目前為止，關(guān)于鋁脅迫下細胞壁木聚糖、混合糖苷鍵葡聚糖及甘露聚糖等變化對根伸長的影響尚未見報道。此外，鑒于單子葉植物與雙子葉植物細胞壁半纖維素的差別，目前也尚無研究者展開針對性的對比研究，因此這些方面均是我們今后應努力的方向。

2.5 鋁脅迫下細胞壁果膠變化對細胞伸長的影響

果膠多糖是細胞壁中重要的基質(zhì)多糖，是胞間層和初生壁的主要成分，其在控制細胞壁多孔性、細胞粘連及細胞膨脹等方面發(fā)揮重要作用。

植物根尖細胞的細胞壁果膠的合成受鋁脅迫誘導，且為鋁主要結(jié)合位點［24］。如玉米懸浮細胞中果膠含量與鋁含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系［69］，鋁脅迫下煙草培養(yǎng)細胞的果膠結(jié)合了72% ～82%的鋁［68］。Eticha等［51］在鋁脅迫下的玉米根尖細胞壁中發(fā)現(xiàn)，果膠含量顯著上升，且鋁敏感品種果膠含量顯著高于耐鋁品種。Li等［24］也認為鋁處理可以提高不同耐鋁型蕎麥品種根尖0～5 mm段細胞壁的果膠含量，但耐鋁型品種果膠含量顯著低于鋁敏感型品種，其細胞壁鋁含量也顯著低于鋁敏感品種。

鋁誘導果膠含量升高主要存在兩方面原因。首先，鋁脅迫抑制細胞壁多聚糖的分解，從而導致非纖維素多聚糖的累積，而非纖維素多聚糖的降解是生長素誘導的細胞伸長的前提條件［19］，但由于鋁脅迫對細胞壁多糖代謝的影響，其能夠抑制生長素誘導的黃秋葵下胚軸細胞的伸長［14］。其次，根尖分生區(qū)細胞壁果膠以依賴于微絲蛋白的方式進行高速內(nèi)吞循環(huán)［87］，鋁脅迫可以迅速抑制鋁敏感型玉米品種根尖分生區(qū)細胞壁果膠的小泡內(nèi)吞循環(huán)，從而引起果膠含量升高［88］。由此可見，鋁脅迫誘導的根尖細胞壁果膠含量的升高并非由于鋁加速了其合成代謝，而是由于鋁降低了其分解代謝。

植物根系對鋁的吸附主要為根尖細胞細胞壁負電荷與鋁的基團結(jié)合，而該結(jié)合決定于根系陽離子交換量(CEC)。根系CEC受細胞壁上帶負電荷的果膠含量的影響。果膠在高爾基體合成后，以高度甲酯化(70% ～80%)的形式分泌到細胞壁中，此時果膠所帶負電荷較少。但當果膠在果膠甲酯酶作用下去甲基化后，成為富含游離羧基的果膠酸［89－90］，這些游離羧基提高了多聚物的凈電荷，從而易于與二價陽離子如Ca2+、Cu2+等結(jié)合。通常認為根系CEC越低細胞壁上累積的鋁越少，從而減少鋁的毒害作用。低的根系CEC降低鋁與根尖結(jié)合存在三種假說:1)低CEC作物優(yōu)先累積低價陽離子，而非多價陽離子;2)低CEC可以減少鋁在根系上的結(jié)合位點;3)低CEC導致根系吸收的陰離子相對多于陽離子，所以細胞質(zhì)酸化程度較低，進而減少鋁進入共質(zhì)體［91］。Rengel和 Robinson［92］對黑麥草的研究表明，其耐鋁性的高低與根系CEC間具有顯著的相關(guān)性。對玉米根尖0～10 mm段CEC與耐鋁性間關(guān)系的研究表明，兩者之間具有顯著相關(guān)性，同根尖具有較低的CEC品種相比，高CEC品種根尖總鋁含量和交換性鋁含量均相對較高［93］。但由于不同植物存在不同的耐鋁機制，有些植物根系低CEC對鋁的排斥可能起主導作用，而一些植物中可能其它耐鋁機制的作用更大。如劉尼歌等［94］對鋁脅迫下的大豆和水稻研究表明，大豆根系具有較高的CEC，而水稻根系的CEC較低，說明水稻和大豆根系CEC在抗鋁脅迫中作用不同。因此，今后應加強不同植物根系CEC在耐鋁機制中作用的研究。

如前所述，Ca2+、Cu2+等二價陽離子可以與果膠酸羧基結(jié)合，當兩者結(jié)合后能夠造成果膠和細胞壁的凝膠化，增加細胞壁的硬度。研究表明，外源果膠甲酯酶可促進果膠的甲基化，增加陽離子結(jié)合位點，從而使細胞壁變硬［95］。細胞壁一定程度的變硬可加強細胞與細胞之間的黏附，維持細胞形狀［96］，但由于Al3+與果膠酸中游離羧基的結(jié)合能力強于Ca2+、Cu2+等二價陽離子，所以Al3+能將果膠中的二價離子置換下來，與果膠羧基形成更加牢固的結(jié)合［97］，進而加劇凝膠化程度。果膠的高度凝膠化將造成細胞壁過度變硬，從而抑制細胞伸長。唐劍鋒等［97］對小麥的研究表明，鋁處理顯著提高鋁敏感品種輻84系根尖0～10 mm段果膠甲酯酶活性，從而增加細胞壁中果膠與鋁的結(jié)合位點，促進鋁在果膠上累積;細胞壁上果膠甲基化程度與根尖細胞鋁含量呈負相關(guān)，但耐鋁型品種果膠甲酯酶活性無顯著變化，因而鋁在根尖的累積量無顯著變化。潘偉槐等［98］對大麥的研究同樣表明，鋁敏感型品種2000－2根尖細胞果膠甲酯酶在鋁處理4 h后，活性顯著上升，且與細胞壁上鋁累積量顯著相關(guān)。因此，如果能夠調(diào)控鋁脅迫下植物根尖細胞果膠甲酯酶活性，便能夠調(diào)控細胞壁果膠酸的含量，從而控制鋁在根尖細胞壁的累積量。因此，今后應加強鋁調(diào)控果膠甲酯酶活性分子機理的研究，或篩選鋁專一性不敏感的果膠甲酯酶植物，并加強對該酶的蛋白組學和基因組學研究，獲得編碼該蛋白的基因，以期通過轉(zhuǎn)基因方式獲得高抗鋁脅迫植物。

近年，借助于免疫熒光定位技術(shù)對鋁脅迫下植物果膠變化與根生長受抑制關(guān)系提出了新的推論。Li等［24］利用果膠單克隆抗體JIM5(表征低度甲酯化果膠)和JIM7(表征高度甲酯化果膠)對鋁脅迫下不同耐鋁型玉米品種果膠的主要形式—同型半乳聚糖(HG)分布規(guī)律進行了研究。他們發(fā)現(xiàn)，無鋁條件下，JIM5均勻分布于 B73(鋁敏感型)和Nongda3138(耐鋁型)根尖細胞的細胞壁中，且胞間層的熒光強度最強，JIM7則分布于整個細胞壁。但鋁處理3 h后，隨著根伸長受抑制，兩品種HG含量最豐富的胞間層的JIM5和IM7熒光均消失。在50 mmol/L鋁處理24 h，根伸長受抑制50%的情況下，B73中兩抗體整體熒光強度均減弱，而且分布不均勻。但Nongda3138在100 mmol/L鋁處理9 h，根伸長受抑制50%的情況下才出現(xiàn)這種情況。說明鋁脅迫造成的HG分布紊亂，也可能是根伸長受抑制原因之一。但目前尚無鋁脅迫造成HG分布紊亂的進一步報道，如果能揭示該機理將對提高作物抗鋁脅迫能力具有重大意義。

2.6 鋁脅迫下細胞壁多糖蛋白變化對細胞伸長的影響

植物細胞壁中的糖基化蛋白占細胞壁總物質(zhì)的5% ～10%，由于這些蛋白質(zhì)富含羥脯氨酸、脯氨酸和甘氨酸，故稱為富含羥脯氨酸糖蛋白(HRGP)，其在植物細胞壁組成物質(zhì)修飾、植物生長發(fā)育過程中的胞內(nèi)、胞間信號傳遞及抗逆脅迫中均發(fā)揮重要作用。Pan等［99］對不同耐鋁型水稻品種研究發(fā)現(xiàn)，鋁誘導根尖細胞壁多糖蛋白含量顯著升高，并證明該多糖蛋白即為HRGP，且耐鋁型品種顯著高于鋁敏感型品種。按照 Yoshiba等［100］的分類方法可將HRGP家族分為3類，即伸展蛋白、富含脯氨酸蛋白(PRP)及阿拉伯半乳聚糖蛋白(AGP)，這三種結(jié)構(gòu)蛋白均為細胞壁的重要結(jié)構(gòu)組分。

細胞壁伸展蛋白功能是控制細胞的正常伸展、增強細胞壁的機械強度及細胞壁的初始形成過程［101］。由于細胞壁形成過程中對伸展蛋白的需求較高，因此分裂細胞中的伸展蛋白轉(zhuǎn)錄水平也相應較高［102］，但 Roberts 和 Shirsat［103］的研究發(fā)現(xiàn)，伸展蛋白的表達量與細胞伸展程度呈負相關(guān)，并認為如果伸展蛋白的表達量提高，大量的伸展蛋白將形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，從而抑制細胞伸長。伸展蛋白在植物耐鋁脅迫中同樣發(fā)揮著作用，如Kenjebaeva等［25］對豌豆的研究發(fā)現(xiàn)，鋁脅迫誘導細胞壁多糖蛋白含量的升高，而且以伸展蛋白含量上升最為顯著，其所結(jié)合的鋁也最多，說明伸展蛋白增強了豌豆根尖細胞對鋁的結(jié)合能力，從而加劇了鋁對根生長的抑制。同年，Kenzhebaeva等［104］人對不同耐鋁型小麥品種ET8和ES8的研究表明，鋁脅迫改變了小麥根尖細胞壁多種糖蛋白的分配，顯著誘導兩品種根尖細胞壁伸展蛋白含量及表達量的升高，而且鋁敏感品種伸展蛋白含量顯著高于耐鋁品種，他們從而推測認為，鋁脅迫誘導的伸展蛋白含量的增加造成根尖細胞壁剛性增加，從而抑制根伸長。

HRGP家族中的AGP也參與植物的抗逆脅迫。Fragkostefanakis等［105］研究認為AGP能夠增加番茄對機械損傷的抵抗能力，Gong等［106］發(fā)現(xiàn)冷害條件下棉花根系中該基因表達量顯著升高，轉(zhuǎn)入GhAGP31的植株根系生長受抑制程度顯著小于野生型。他們進而推測認為這是由于GhAGP31表達量的提高調(diào)控大量的AGP合成，而AGP可以同果膠交聯(lián)形成蛋白－果膠復合物，從而增強冷脅迫下棉花根尖細胞壁的穩(wěn)定性，增強植物耐冷脅迫能力。關(guān)于AGP在植物抗鋁脅迫中的作用也已有研究。鋁脅迫能夠誘導植物AGP基因的表達［107］，在蒺藜苜蓿中鋁敏感品種顯著高于耐鋁品種，這種差異表達可能改變了細胞壁的結(jié)構(gòu)，從而造成根生長差異［108］。

目前，雖然鋁脅迫下植物細胞壁伸展蛋白和AGP與根伸長受抑制關(guān)系已有研究，但并無直接證據(jù)表明鋁脅迫下該兩種蛋白的變化導致根伸長受抑制，因此還需要在這方面加強研究。此外，鋁脅迫下PRP與根伸長間關(guān)系研究尚屬空白。今后應加強鋁脅迫下植物根尖細胞壁HRGP與根伸長受抑制關(guān)系的研究，從而豐富鋁脅迫抑制植物根伸長的機理。

3 研究展望

世界上酸性土壤面積廣大，治理難度大且成本高，因此增強植物抗鋁脅迫能力是降低酸性土壤鋁毒害的首選方式。揭示鋁毒害機理對增強植物抗鋁脅迫能力，保護生態(tài)平衡，保證糧食安全具有重大意義。目前該研究雖已取得了一定成績，但系統(tǒng)解釋鋁毒害機理，并解決酸性土壤鋁毒問題仍需較長的研究過程。

本文介紹了鋁毒研究人員在鋁脅迫抑制植物根伸長生理機理中的研究成果，并認為細胞壁組分木質(zhì)素、胼胝質(zhì)、纖維素、半纖維素、果膠及多糖蛋白等均與鋁脅迫下植物根生長受抑制有關(guān)。但由于植物種類不同，根尖細胞壁各主要組分對鋁脅迫的響應也必然不同，當前尚缺乏對同一植物甚至同一個種類的植物根尖細胞壁各組分鋁脅迫下變化的系統(tǒng)研究，所以不能對造成該植物根生長受抑制的原因做出全面合理的解釋。因此，今后研究中應明確鋁脅迫下各細胞壁組分變化在抑制根伸長中的貢獻率，并針對主要糧食作物進行系統(tǒng)研究，以有效解決鋁脅造成的產(chǎn)質(zhì)量降低。

此外，本文雖然只介紹了細胞壁組成物質(zhì)對根伸長抑制的影響，但仍存在鋁脅迫造成植物根尖細胞氧化脅迫損傷及鋁進入根尖細胞的細胞核后造成有絲分裂障礙的問題，這兩方面也是廣大鋁毒研究者解析鋁脅迫抑制植物根生長的研究方向。

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