重金屬對植物根尖邊緣細(xì)胞的毒性效應(yīng)

肖夢茹+黃碧捷+張霞+彭開達(dá)+代青青+嚴(yán)亞文

摘要：指出了根尖邊緣細(xì)胞已被證實在外源污染脅迫下具有多種生物學(xué)功能，能作為重金屬元素對植物毒性的標(biāo)志物。綜述了根尖邊緣細(xì)胞的定義、特征與功能，并以已有報道文獻(xiàn)中的鋁、鐵、銅和鎘為典型金屬元素探討了其對植物根尖邊緣細(xì)胞的毒性效應(yīng)。最后，展望了將RBCs作為指示金屬毒性的毒性測試受體并建立相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化的實驗流程是未來研究的方向。

關(guān)鍵詞：根尖邊緣細(xì)胞;重金屬;毒性效應(yīng);污染脅迫

中圖分類號：X173

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-9944（2014）12-0140-03

1引言

大氣、水體等各環(huán)境介質(zhì)中的污染日益嚴(yán)重，環(huán)境污染治理已刻不容緩，尤其是重金屬環(huán)境污染問題日益提上主要議程。重金屬污染是因人類活動，如采礦、廢氣排放、污水灌溉和使用重金屬制品等人為因素，導(dǎo)致環(huán)境中的重金屬含量增加，超出正常范圍，使得環(huán)境質(zhì)量惡化的現(xiàn)象。近年來，植物根尖邊緣細(xì)胞作為陸生植物抵御土壤重金屬元素毒害的第一道屏障，對植物對重金屬的抗性、吸收機理研究都有很重要的指示作用，已得到了較大的關(guān)注。植物根尖邊緣細(xì)胞能作為較為敏感的重金屬元素毒性的標(biāo)志物，越來越多的研究者從不同植物種類、不同重金屬元素等多角度報道了重金屬對其的毒性效應(yīng)，并正進(jìn)行更深入的研究。

2根尖邊緣細(xì)胞的定義、特征及功能

2.1根尖邊緣細(xì)胞的定義

區(qū)別于傳統(tǒng)認(rèn)為的根尖邊緣細(xì)胞就是根冠更新過程中脫落下來的垂死副產(chǎn)物，現(xiàn)代科學(xué)已證實根尖邊緣細(xì)胞離體時仍能存活數(shù)月，絕大多數(shù)物種的根冠脫落細(xì)胞是有活性的，其發(fā)育受胞內(nèi)外信號調(diào)控的。根尖邊緣細(xì)胞（Root border cells，RBCs，下同）[1]是從根冠表皮游離出來并聚集在根尖周圍的一群特殊細(xì)胞，其發(fā)育是受遺傳調(diào)控，并在逆境中起著多種生物學(xué)功能。邊緣細(xì)胞起源于根冠組織的有絲分裂，經(jīng)過一系列的不同發(fā)育時期，包括淀粉合成期、重力感受期、粘液分泌期等，最后在根冠外圍形成細(xì)胞層。

2.2根尖邊緣細(xì)胞的特征及功能

RBCs大部分呈橢圓形或方形，長50～80 μm，寬20～25 μm。不同物種產(chǎn)生的RBCs的外形不同。一般來說，豆科植物的RBCs比玉米稍大、稍長;胡蘿卜的RBCs比豆科植物和禾谷類作物小且形狀更均一;松樹和小麥邊緣細(xì)胞淀粉粒之類的細(xì)胞內(nèi)容物更明顯可見;而在高梁和甘蔗RBCs中有色素表達(dá)，呈現(xiàn)粉紅色或紫色[2]。處于不同生長時期的RBCs的外形也略有不同，浸入溶液后RBCs的形狀也會有所改變，依不同生長時期變成較為光滑的蠕蟲形或短棒狀[3]。一條根系產(chǎn)生的RBCs數(shù)目因物種的差異而不同，從煙草的十幾個到棉花、松樹的上萬個RBCs，這與邊緣細(xì)胞發(fā)育起始時間、生成速度及其死亡速度有關(guān)[4]，同一科的植物根系產(chǎn)生RBCs的數(shù)量是大致相當(dāng)?shù)摹BCs從根尖脫離后，能夠自主進(jìn)行新陳代謝，即能單個生存，并在遭受逆境時向外特異性合成分泌一系列具有生物活性的物質(zhì)，形成一個獨立的胞際空間，RBCs的粘液層是很重要的屏障，如能防止和減少鋁的吸收，能抑制和促進(jìn)根際周圍微生物的生長。

3典型金屬元素對植物根尖邊緣細(xì)胞的

毒性效應(yīng)

RBCs用于金屬元素毒性實驗主要源于Al對水稻根尖的毒性效應(yīng)研究。水稻是重要的單子葉植物， 也是小谷類作物中Al抗性較強的作物之一[5]。研究者逐漸將金屬元素對植物生長的影響研究的植物受體從水生植物擴(kuò)寬到了陸生植物，從單子葉植物擴(kuò)寬到雙子葉植物，從封閉型雙子葉植物擴(kuò)寬到能產(chǎn)生更大活性和更多數(shù)量RBCs的開放型雙子葉植物中。研究的金屬元素種類也慢慢從單一的Al元素擴(kuò)展到Fe、Cu、As、Cd、Hg、Pb、Cr等毒性較大的重金屬元素。無論選取何種植物種類和金屬元素，其毒性效應(yīng)研究選擇的毒作用指標(biāo)主要是通過對離體或活體RBCs存活率的影響和對RBCs活性和酶含量的毒性影響等為主。下文將以幾種典型金屬元素為例介紹金屬對植物RBCs的毒性效應(yīng)。

3.1Al元素

戚偉剛[6]等人以水稻為材料，研究了水稻RBCs數(shù)目和存活率的變化及不同Al處理對水稻RBCs的影響。第1個水稻RBCs的出現(xiàn)幾乎與初生根根尖同步，RBCs數(shù)目達(dá)到最大值時，根長大約為25～30 mm，;當(dāng)根長超過5 mm時， RBCs的存活率維持在一定的水平上;水稻RBCs的存活率隨著Al濃度的遞增而減小，Al毒明顯降低水稻RBCs的存活率。對鋁毒的研究當(dāng)然不僅僅局限于對于水生植物的研究，并且對于陸生植物也得到了類似的結(jié)論。杜幸[7]等人以紅豇豆為材料，采用懸空氣培法，研究紅豇豆RBCs產(chǎn)生的數(shù)目、活性及對鋁脅迫的響應(yīng)。結(jié)果表明：紅豇豆的RBCs數(shù)目先隨著根的伸長而迅速增加，到根長為10 mm時達(dá)到最多，約為5300個;隨后，RBCs數(shù)目稍有減少，且較為穩(wěn)定。RBCs的存活率較高，都大于85%，隨著紅豇豆根長的伸長，RBCs的活性逐漸增高。馮英明[1]等人以豌豆為材料，研究了不同鋁濃度AlCl3與離體豌豆（Pisum Sativum）RBCs共培養(yǎng)一段時間后RBCs存活率粘膠層厚度及細(xì)胞數(shù)量的變化，通過實驗得到在一定鋁濃度范圍RBCs存活率隨鋁濃度升高而降低。鋁毒對RBCs具有致死效應(yīng)，這種致死效應(yīng)在一定濃度范圍符合劑量依數(shù)性關(guān)系高濃度時則RBCs存活率反而升高。與前者不同的是，后者還引入了時間變量，也證明了RBCs的存活率明顯隨著處理時間的延長而下降。而對于離體與活體根尖邊緣細(xì)胞的活性及耐鋁性，張淑娜[8]等人以蕎麥為材料也做了說明：Al3+降低蕎麥相對根長和RBCs活性;相同Al3+濃度處理下，附著于根尖的RBCs活性要大于離體RBCs。細(xì)胞黏液層厚度與Al3+濃度相關(guān)，且離體RBCs黏液層厚度要大于原位RBCs，耐鋁品種中表現(xiàn)得更為明顯。邢成華[5]等人以兩鎘大豆品種（耐鋁性大豆和鋁敏感性大豆）為材料，比較研究了Al3+對根尖原位邊緣細(xì)胞釋放以及對離體邊緣細(xì)胞的毒害作用。結(jié)果顯示：Al3+對離體邊緣細(xì)胞有明顯的毒害作用，100 μmol/L Al3+處理1～6h就表現(xiàn)出細(xì)胞死亡癥狀，毒害作用最大時出現(xiàn)在6h之后，其中Al3+對敏感型大豆的毒害作用高于耐鋁型大豆。100 μmol/L Al3+處理的離體邊緣細(xì)胞存活率已大幅度下降，400 μmol/L Al3+時，存活率已不過半。外界Al3+濃度增加影響邊緣細(xì)胞的釋放，并且顯著降低離體邊緣細(xì)胞的存活率。對于不同品種的大都對Al3+的反應(yīng)的最大差異性出現(xiàn)在6h處。對于鋁毒對植物根尖邊緣細(xì)胞的研究較普遍，都得到類似以上結(jié)論。endprint

3.2Fe元素

Fe是植物生長發(fā)育過程中必不可少的元素，但少量或過量的Fe都會對植物產(chǎn)生不良作用。章藝[9]等人以鐵耐型（Azucena）和鐵敏感型（IR64）兩種不同水稻品種為材料，研究了Fe2+脅迫下RBCs的數(shù)目、存活率， RBCs形態(tài)結(jié)構(gòu)，根尖保護(hù)酶活性的變化，結(jié)果顯示：Fe2+對RBCs的產(chǎn)生有抑制作用;相對于鐵敏感型水稻而言，一定濃度的Fe2+（100～200 μmol/L）有利于鐵耐型品種 RBCs的產(chǎn)生;Fe2+對RBCs有致死效應(yīng)，隨Fe2+濃度的提升， RBCs的存活率呈下降趨勢，根尖外圍細(xì)胞壁增厚，并出現(xiàn)細(xì)胞程序性死亡特征（鐵敏感型）;Fe2+對根尖保護(hù)酶活性有一定的影響，200～400 μmol/L Fe2+處理下，鐵耐型品種過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、超氧化物岐化酶（SOD）活性都超過對照，鐵敏感型水稻只有SOD活性超過對照，這說明Fe2+脅迫下，水稻根尖可通過增加RBCs數(shù)目、提高細(xì)胞拒Fe作用，維持較高水平的POD、CAT和SOD活性來緩解鐵毒害。鐵對于植物生長也存在低促高抑的現(xiàn)象。

3.3Cu元素

Cu是植物必需的營養(yǎng)元素，但過量的Cu對植物有明顯的毒害作用。劉婷婷[10]等人采用懸空培養(yǎng)及離體培養(yǎng)的方式， 觀察玉米的RBCs在銅離子脅迫下發(fā)生的形態(tài)、數(shù)量及存活率變化情況。結(jié)果表明：在玉米根長為32 mm的時，RBCs的數(shù)量達(dá)到最大，但其存活率此時最低;玉米的RBCs隨著銅離子濃度的增加發(fā)生變化。當(dāng)處理濃度為50 μmol·L-1時，存活率為24.80%，銅離子處理濃度增加到100 μmol·L-1時，存活率降低為17.54 %;玉米RBCs的數(shù)量隨著銅離子濃度的增加逐漸減少，存活率逐漸降低，說明過量重金屬銅離子脅迫對RBCs有明顯的毒害作用。

3.4Cd元素

Cd是危害植物生長發(fā)育的有害物質(zhì)。梁劍[11]等人以麻瘋樹離體RBCs為材料，探究其RBCs的生物學(xué)特性及Cd對其活性的影響。麻瘋樹RBCs大多數(shù)呈橢圓型，少數(shù)成彎曲的長條型;根長為15 mm時，RBCs存活率達(dá)到最大值;根冠果膠甲基脂酶（PME）酶活性隨根的伸長有所降低;Cd對麻瘋樹RBCs產(chǎn)生明顯毒害，隨著鎘濃度和處理時間的增加，RBCs的活性都呈現(xiàn)下降的趨勢。梁劍[12]以油橄欖根系為材料，探討Cd 脅迫下對油橄欖RBCs的影響，發(fā)現(xiàn)鎘對油橄欖RBCs產(chǎn)生明顯毒害，當(dāng)鎘濃度逐漸增加時，PME酶活性和RBCs存活率呈下降趨勢。王亞男[13]等人以綠豆為材料，采用瓊脂懸空培養(yǎng)法和培養(yǎng)皿濾紙培養(yǎng)法，以不同濃度的Cd2+處理洗脫RBCs和未洗脫RBCs的綠豆根尖，研究了離體狀態(tài)和活體狀態(tài)綠豆RBCs對鎘毒的響應(yīng)。在Cd2+的誘導(dǎo)下，離體狀態(tài)的綠豆RBCs凋亡和分泌黏液，同時隨著Cd2+濃度的升高，其存活率逐漸遞減;Cd2+具有誘導(dǎo)根尖產(chǎn)生RBCs的作用，根尖釋放的RBCs數(shù)量隨著Cd2+濃度的增加先增多后減少;其中50 μmol L-1 Cd2+處理在洗脫組和未洗脫組均呈現(xiàn)最大誘導(dǎo)效應(yīng);Cd2+對RBCs的活性具有影響，隨著Cd2+濃度的增加，RBCs的存活率在未洗脫組逐漸降低，而洗脫組則先升高后降低。受到Cd2+脅迫時，綠豆根尖可釋放更多RBCs，并通過離體RBCs形成黏液層、凋亡等來抵御Cd2+對根尖的毒害作用。

4研究展望

將RBCs指示重金屬毒性的毒性測試受體并建立相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化的實驗流程是需要更多大量相關(guān)數(shù)據(jù)作為支撐的?，F(xiàn)有對重金屬中的“五毒”（Pb、Hg、Cr、Cd、As）對RBCs的單一及聯(lián)合毒性效應(yīng)均不完善。另外，是否能將同一種植物從細(xì)胞（RBCs活性抑制）、種子（發(fā)芽率抑制）、器官（根伸長抑制）到植株（生長抑制，生理生化效應(yīng)等），甚至到生態(tài)效應(yīng)將對全面、系統(tǒng)地揭示

植物-土壤界面根系對重金屬的吸收及排斥機理和重金屬元素對植物生長全過程的毒性效應(yīng)將具有很強的科學(xué)意義。筆者也如同其他研究者一樣著重進(jìn)行著關(guān)于重金屬“五毒”元素對綠豆從RBCs到植株全過程毒性效應(yīng)的研究。

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