豌豆不同耐鋁品種根尖細胞壁果膠及其甲基酯化度的差異

李學文， 李亞林， 楊 錦， 吳禮樹， 蕭洪東，馮英明， 劉家友， 喻 敏*

(1佛山科學技術學院園藝系， 廣東佛山 528000； 2 華中農業(yè)大學資環(huán)學院， 湖北武漢 430070 )

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豌豆不同耐鋁品種根尖細胞壁果膠及其甲基酯化度的差異

李學文1, 2， 李亞林1, 2， 楊 錦1, 2， 吳禮樹2， 蕭洪東1，馮英明1， 劉家友1， 喻 敏1*

(1佛山科學技術學院園藝系， 廣東佛山 528000； 2 華中農業(yè)大學資環(huán)學院， 湖北武漢 430070 )

【目的】研究豌豆不同品種耐鋁性和根尖根段耐鋁性與果膠及其甲基酯化間的關系，為進一步揭示植物耐鋁機理以及耐鋁性狀的遺傳改良提供依據?！痉椒ā恳酝愣蛊贩NHyogo和Alaska為試驗材料，采用Hoagland培養(yǎng)方式，測定了不同品種不同根段果膠含量、 果膠甲基酯化度和果膠甲酯酶活性，研究了其差異及原因?！窘Y果】在15和30 μmol/L鋁濃度脅迫條件下，豌豆品種Alaska根相對伸長率均顯著高于品種Hyogo，同時有根尖05 mm和510 mm段有更少的胼胝質生成和累積，在30 μmol/L濃度下不同根段間均達到顯著差異，同時品種Hyogo根尖02.5 mm和2.55.0 mm段鋁含量均顯著高于品種Alaska，說明品種Alaska和品種Hyogo間存在耐鋁性差異，其中品種Alaska耐鋁性高于品種Hyogo，即品種Hyogo為鋁敏感品種，品種Alaska是耐鋁品種。比較兩者不同根段(02.5 mm、 2.55.0 mm和5.010.0 mm)的鋁含量與果膠含量、 果膠甲基酯化度、 PME活性間的關系，發(fā)現(xiàn)耐鋁品種不同根段中的鋁含量均小于敏感品種，并且在02.5 mm和2.55.0 mm段間達到顯著性差異； 根尖不同根段果膠糖醛酸含量大小依次為02.5 >2.55.0>5.010.0 mm，耐鋁品種Alaska根尖細胞壁果膠和未甲酯化果膠含量均顯著低于Hyogo，并且02.5 mm根段差異最大。根尖不同根段果膠甲基酯化度從根尖向上逐漸降低，并且耐鋁品種Alaska高于鋁敏感品種Hyogo，其中02.5 mm段間的差異達到顯著水平；在對兩個品種果膠甲基酯化酶(PME)活性進一步分析發(fā)現(xiàn)，PME活性大小依次為02.5>2.55.0>5.010.0 mm，兩品種02.5 mm和2.55.0 mm根段間均達到顯著差異。【結論】鋁敏感品種Hyogo在02.5 mm和2.55.0 mm根段具有較高 PME活性和較低果膠甲基酯化程度。豌豆根尖果膠含量和甲基酯化度尤其是02.5 mm根段是豌豆耐鋁性差異的重要原因；Alaska根尖細胞壁的果膠含量低和果膠甲基酯化度高(尤其是02.5 mm段)是其耐鋁的重要機制。

豌豆； 耐鋁性； 細胞壁果膠； 甲基酯化度； 果膠甲基酯化酶

鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，約占地殼總重量的7%，通常以難溶性的硅酸鹽或氧化鋁形式存在，對植物無毒害作用。當土壤的pH低于5.0時，部分鋁就會以離子形式釋放到土壤溶液中，微摩爾級的鋁就可以在短時間內對根系的伸長產生抑制作用。鋁毒是酸性土壤中限制作物生長的眾多脅迫因素中最重要的因子。最近幾十年來，科學家們雖然已對植物鋁毒和耐鋁性機理做了大量研究，但對其生理和分子機制仍缺乏足夠的了解[1-2]。鋁毒對植物的危害首先表現(xiàn)在抑制植物根系的生長及對養(yǎng)分和水分的吸收，從而最終影響作物的產量。Ryan等提出根尖是鋁毒的主要作用位點，也是鋁抑制根系生長的作用靶[3]。鋁毒導致植物根尖生長受到抑制的原因主要是細胞伸長受到抑制；Al3+與根表皮和皮層細胞的細胞壁結合，對細胞壁的結構和功能(如細胞壁的伸展性等)產生影響[4]。植物根尖細胞壁作為植物響應鋁毒環(huán)境的第一道屏障，既是鋁毒害的最初位點，也是鋁積累的主要部位[1, 5]，在鋁毒害機理和植物耐鋁機制中起到重要作用。根系中30%90%的鋁累積于根尖細胞壁，而細胞壁對鋁的結合能力主要取決于細胞壁果膠含量及其果膠甲基化度[6-9]，果膠甲基酯化度受果膠甲基酯酶(PME)調控。 Sivaguru 和Horst[10]對玉米根尖不同根段分別進行鋁誘導時發(fā)現(xiàn)，玉米根尖12 mm根段比01 mm和23 mm根段受鋁影響更大，如胼胝質的形成和鋁的累積更多，而12 mm根段為過渡區(qū)(transition zone)，恰好位于分生區(qū)和伸長區(qū)之間，提出過渡區(qū)遠端是玉米根尖的敏感部位，同時也表明根尖不同區(qū)域可能對鋁的敏感性不同。Yang等[7]對比不同耐鋁性水稻品種發(fā)現(xiàn)，鋁敏感型品種 Zhefu802 根尖010 mm段PME活性、 細胞壁多糖(果膠，半纖維素，半纖維素2)和果膠的去甲基化程度均顯著高于耐鋁型品種Nipponbare。導致根尖不同區(qū)域鋁敏感性差異的原因是什么？是否與根尖細胞壁果膠含量及其甲基化程度有關？這種機制是否也引起不同品種耐鋁差異？本研究以耐鋁豌豆品種和鋁敏感豌豆品種為材料，通過分析根尖不同根段果膠含量和甲基酯化程度及PME活性等，研究根尖細胞壁果膠含量和性質與根不同區(qū)域及不同豌豆品種耐鋁差異的關系，以期更加深入地揭示鋁對植物的毒害機理及植物耐鋁機制。

1　材料與方法

1.1供試品種

豌豆(Pisumsativum)耐鋁品種Alaska和鋁敏感品種Hyogo由Yoko Yamamoto教授(Okayama University)饋贈。

1.2種子萌發(fā)

采用霧培法進行催芽[11]。

1.3測定方法

1.3.1 鋁處理及其根伸長率的測定選取根長相對一致(約8.010.0 mm)的幼苗各3040株，測量根長后，轉移至塑料燒杯中，分別用0、 15、 30 μmol/L AlCl3(含0.5 mmol/L CaCl2, pH 4.5) 處理24 h，再次分別測量根長。鋁處理前根長分別記為LCK0和LAl0，鋁處理24 h相對應根長分別記為LCK24和LAl24。根相對伸長率(root relative elongation rates，RER) 按下列公式計算:

1.3.2 胼胝質含量的測定剪取距根尖 05.0 mm、 5.010.0 mm的根段各5株，用4 mL 1 mol/L NaOH 研磨提取，收集研磨液于10 mL離心管中，于80℃水浴20 min，4800 rpm離心，收集上清液，加入苯胺藍混合反應液，于50℃水浴20 min，冷卻后采用熒光分光光度法(970CRT，上海)，在λex=400/30nm，λem=485/40nm, 靈敏度為2，測定胼胝質含量[12]。1.3.3 鋁處理及其鋁含量的測定剪取距根尖 02.5 mm、 2.55.0 mm、 5.010.0 mm的根樣各7株，用1 mL 2mol/L HCl 振蕩提取48 h，4800 rpm 離心，收集上清液，采用ICP-AES法 (IRIS-Advantage, Thermo Elemental, MA, USA)測定鋁含量。

1.3.4 PME的測定選取根長相對一致(約2025 mm)的幼苗，收集02.5 mm、 2.55.0 mm和5.010.0 mm根段，用于樣品提取，參考Jolie等[13]的方法提取粗酶，按照Li等[8]的方法測定酶活性。

1.3.5 細胞壁果膠含量的測定參考Takayuki等[4]和Heim等[14]的方法稍作修改，對02.5 mm、 2.55.0 mm和5.010.0 mm根段進行細胞壁粗提取。在-20℃冷凍30 min，研磨使其達到均勻的狀態(tài)，移入離心管，加入5 mL超純水(預冷)淋洗，在4500 rpm條件下離心15 min，棄上清液，沉淀再用超純水重復淋洗2次。然后將沉淀用5 mL丙酮(預冷)淋洗，室溫下振蕩浸提30 min，在4500 rpm條件下離心15 min，棄去上清液，沉淀再用丙酮重復淋洗2次。沉淀物即為細胞壁，真空干燥后備用。

用50 mmol/L Na2CO3(含20 mmol/L CDTA)提取細胞壁果膠，采用苯二酚比色法[15]測定果膠中糖醛酸含量，以D-半乳糖醛酸(Mr=212.16)為標準物，制備標準曲線。

1.3.6 細胞壁果膠甲基酯化度的測定吸取100 μL細胞壁果膠待測液，加入50 μL 1.5 mol/L NaOH，進行皂化，常溫條件反應30 min，然后加入55 μL 0.75 mol/L H2SO4，參考PME測定方法[8]，測定皂化反應后產生的甲醇。 以甲醛為標準物，制備標準曲線。

未甲基化果膠含量=果膠含量×(1-DM)。

1.4數(shù)據處理

結果為3次獨立試驗的平均值，采用Excel 2010和SAS 9.13進行數(shù)據處理和統(tǒng)計分析。

2　結果與分析

2.1鋁對豌豆不同品種根伸長的影響

經15 μmol/L和30 μmol/L AlCl3溶液(含0.5 mmol/L CaCl2pH4.5)處理豌豆幼根24 h后，Alaska和Hyogo兩個豌豆品種的根相對伸長率如圖1所示。在不同濃度鋁脅迫下，Alaska根相對伸長率均顯著高于Hyogo，進一步驗證Alaska和Hyogo分別為耐鋁品種和鋁敏感品種[16]。

圖1　豌豆耐鋁品種(Alaska)和鋁敏感品種(Hyogo)根相對伸長率的差異Fig.1　Difference in root relative elongation rates under AlCl3 concentrations in Al resistant cultivar Alaska and Al sensitive cultivar Hyogo

2.2鋁對豌豆不同品種根尖胼胝質含量的影響

圖2　豌豆耐鋁品種(Alaska)和鋁敏感品種(Hyogo)不同根段的胼胝質含量差異Fig.2　Difference of callose content in root segments of Al resistant cultivar Alaska and Al sensitive cultivar Hyogo[注(Note): 柱上不同字母表示在0.05 水平上差異顯著 Different letters above the bars mean significant difference at 0.05 level. ]

經15 μmol/L和30 μmol/L AlCl3溶液(含0.5 mmol/L CaCl2pH 4.5)處理根尖24 h后，Alaska和Hyogo根系不同根段胼胝質含量結果如圖2所示。15 μmol/L AlCl3條件下，Hyogo不同根段胼胝質含量有大于Alaska的趨勢，但未達到顯著差異；30 μmol/L AlCl3濃度時，Hyogo根尖05.0 mm和5.010.0 mm段胼胝質含量均顯著大于Alaska，分別是Alaska的2.3倍和2.7倍。

2.3豌豆不同品種根尖鋁含量的差異

圖3　豌豆耐鋁品種(Alaska)和鋁敏感品種(Hyogo)不同根段的鋁含量差異Fig.3　Difference of aluminum content in root segments of Al resistant cultivar Alaska and Al sensitive cultivar Hyogo[注(Note): 柱上不同字母表示在0.05 水平上差異顯著 Different letters above the bars mean significant difference at 0.05 level. ]

經30 μmol/L AlCl3溶液處理根尖24 h后，同一品種不同根段鋁含量有從根尖向上遞減的趨勢(圖3)，其中Alaska品種 02.5 mm根段鋁含量顯著大于2.55.0 mm根段，Hyogo品種則 02.5 mm根段鋁含量和2.55.0 mm根段中無明顯差異，但均顯著高于5.010.0 mm根段。不同耐鋁性豌豆品種間根尖鋁含量存在明顯差異，Hyogo品種根尖02.5 mm和2.55.0 mm根段鋁含量顯著高于Alaska品種，分別為1.2倍和1.8倍， 5.010 mm根段差異不明顯。

2.4豌豆不同品種根尖細胞壁果膠甲基酯化度的差異

果膠是鋁結合到細胞壁的主要吸附位點，果膠結合鋁的能力取決于果膠含量和果膠甲基酯化度。新生果膠一般都是高度酯化，只有脫甲基后，形成果膠酸，才能與鋁結合，即果膠甲基酯化度越低，結合的鋁吸附位點越多[6]。不同品種不同根段細胞壁中果膠甲基酯化度如圖4所示。同一品種不同根段果膠甲基酯化度有從根尖向上依次遞減的趨勢，Alaska果膠甲基酯化度02.5 mm根段顯著高于2.55.0 mm和5.010 mm根段，而Hyogo品種則差異不顯著。不同豌豆品種間果膠甲基酯化度的差異主要是02.5 mm根段，Alaska品種 02.5 mm根段果膠甲基酯化度顯著高于Hyogo品種，Alaska品種 2.55.0 mm和5.0 mm10.0 mm根段果膠甲基酯化度有高于Hyogo品種的趨勢，但未達顯著水平。

圖4　豌豆耐鋁品種(Alaska)和鋁敏感品種(Hyogo)不同根段的果膠甲基酯化度的差異Fig.4　Difference of pectin methyl esterification degree in root segments of Al resistant cultivar Alaska and Al sensitive cultivar Hyogo

2.5豌豆不同品種根尖細胞壁中果膠和未甲酯化果膠含量的差異

果膠主要是由聚半乳糖醛酸構成，測定了不同根段的細胞壁中糖醛酸含量(圖5)。同一品種不同根段果膠糖醛酸含量有從根尖向上依次遞減的趨勢，Hyogo品種各個根段間糖醛酸含量差異顯著，Alaska品種 02.5 mm和2.55.0 mm根段無顯著差異；不同豌豆品種間根尖糖醛酸含量存在顯著差異，Hyogo品種不同根段糖醛酸含量均顯著高于Alaska品種，分別是Alaska品種的1.8倍、 1.5倍和1.7倍。這些結果表明，鋁敏感品種根尖細胞壁糖醛酸含量高于耐鋁品種，尤其是02.5 mm根段兩品種差異更大。

圖5　豌豆耐鋁品種(Alaska)和鋁敏感品種(Hyogo)不同根段的糖醛酸含量的差異Fig.5　Difference of uronic acid content in root segments of Al resistant cultivar Alaska and Al sensitive cultivar Hyogo[注(Note): 柱上不同字母表示在0.05 水平上差異顯著 Different letters above the bars mean significant difference at 0.05 level. ]

同一品種不同根段未甲酯化果膠糖醛酸含量有從根尖向上依次遞減的趨勢，Hyogo品種根尖不同根段未甲酯化果膠含量均高于Alaska品種，并且02.5 mm和5.010 mm根段差異達到顯著水平，整體趨勢與果膠含量保持一致。根尖未甲酯化果膠糖醛酸含量與根尖鋁含量呈正比(圖5)，相關性達到顯著水平，說明根尖鋁含量與根尖未甲酯化果膠糖醛酸含量密切相關。

2.6豌豆不同品種根尖PME活性的差異

果膠甲基酯化度受果膠甲基酯化酶的控制，PME能使果膠去甲基化后轉變?yōu)楹写罅坑坞x羧基的果膠酸，從而調節(jié)根尖細胞壁的果膠甲基酯化程度，間接地影響了植物對鋁毒的耐性。Hyogo和Alaska品種根尖不同根段的PME活性均是從根尖向上活性依次降低，其中在02.5 mm和2.55.0 mm根段Hyogo品種顯著高于Alaska品種(圖6)。

圖6　豌豆耐鋁品種(Alaska)和鋁敏感品種(Hyogo)不同根段的PME活性的差異Fig.6　Difference in enzyme activity of PME in root segments of Al resistant cultivar Alaska and Al sensitive cultivar Hyogo

3　討論與結論

3.1豌豆不同品種和不同根段的耐鋁性差異

植物根系伸長的抑制是鋁毒最敏感和最易觀察到的典型癥狀，而胼胝質作為植物應激反應的一部分，在植物受傷或各種脅迫時能夠快速、 大量地合成，由于鋁毒作用會誘導胼胝質的大量產生，因而通常認為胼胝質含量是衡量根尖鋁毒害程度的敏感指標[17]。本研究結果表明，在15 μmol/L和30 μmol/L AlCl3脅迫下，Alaska主根的根相對伸長率均大于Hyogo，并且胼胝質含量小于品種Hyogo，說明兩品種在耐鋁性上確實存在差異，其中Hyogo屬鋁敏感品種，Alaska屬耐鋁品種，結果與Kobayashi等[16]的一致。Sivaguru等提出根尖過渡區(qū)遠端為鋁敏感區(qū)域[10]，在豌豆中，根尖02.5 mm根段包括根冠、 分生區(qū)和過渡區(qū)(李學文等，未發(fā)表資料)，主要進行細胞有絲分裂和為細胞伸長做準備；2.55 mm根段為伸長區(qū)，主要進行植物細胞的伸長； 510 mm根段為成熟區(qū)，主要進行水和養(yǎng)分的吸收。本研究結果中，不同根段中的鋁含量表現(xiàn)出由根尖向上依次遞減，02.5 mm段根尖鋁含量顯著高于其他根段，是根尖鋁敏感根段。

3.2豌豆不同根段鋁敏感性與果膠含量和甲酯化程度的關系

植物根系的不同部位對鋁毒的敏感性存在差異[18]，耐鋁性差異與果膠含量和果膠甲基酯化度密切相關[6-7, 19]。本研究表明，不同根段間果膠糖醛酸含量和果膠甲基酯化度在不同根段均存在差異，根尖不同根段中果膠含量和果膠甲基酯化程度均為02.5 mm>2.55.0 mm>5.05.0 mm，根段鋁敏感性與果膠糖醛酸正相關，與果膠甲基酯化度負相關，與前人研究[6]并不完全一致。不同根段果膠含量和甲基酯化度的差異可能與不同根段所對應的根區(qū)及根區(qū)功能相關。越靠近根尖部位，植物生理活動越活躍，細胞的有絲分裂和細胞伸長過程都伴隨大量細胞壁的生成，而新生果膠均為高度酯化，在PME作用下脫甲基，伴隨細胞伸長成熟，果膠甲酯化度降低。因此我們認為不同根段間果膠含量和果膠甲基酯化度的差異是由不同根段及根段所對應區(qū)域的功能所決定的，鑒于02.5 mm區(qū)域功能和果膠含量最高，盡管其果膠甲基酯化度較高，未甲基酯化果膠依然最高，表明細胞壁果膠吸附鋁的位點較多，分析表明鋁累積與未甲基酯化果膠相關性高于與總果膠的相關性，因此根尖根段鋁敏感性與未甲酯化果膠含量呈正比，02.5 mm根段鋁敏感性最高。

3.3豌豆不同品種耐鋁差異與果膠含量和甲酯化程度的關系

本研究表明，兩個品種果膠糖醛酸含量和果膠甲基酯化度存在差異，Hyogo品種根尖02.5 mm和2.55.0 mm根段果膠含量顯著高于Alaska品種，02.5 mm段果膠甲基酯化度顯著低于Alaska品種。品種Alaska根尖02.5 mm和2.55.0 mm根段因為具有較低果膠含量和較高果膠甲酯化度，所以表現(xiàn)出更低未甲酯化果膠含量，因此在鋁毒條件下表現(xiàn)出低鋁累積和低胼胝質含量為耐鋁品種。這與對玉米和水稻等耐鋁性/鋁敏感性的研究結果一致[6]。Eticha等[19]發(fā)現(xiàn)不同耐鋁性玉米品種根尖細胞壁果膠含量和果膠甲基酯化度存在明顯差異，鋁敏感品種中果膠含量高于耐鋁品種，果膠甲酯化度低于耐鋁品種，指出鋁敏感型品種 Lixis 根尖中高果膠含量和低比例的甲基化果膠可能是其鋁敏感的原因。

3.4PME和果膠甲基酯化度的關系

PME廣泛存在于高等植物中，它的作用是水解果膠分子中甲酯化的羧基，通過脫甲基化來降低甲基酯化度(Pectin-COOCH3+2H2OPectin-COO++H3O+ +CH3OH)[20]。本研究結果表明，不同根段間PME活性存在顯著差異，依次是02.5 mm>2.55.0 mm>5.010.0 mm，不同品種間也存在差異，Hyogo 根尖02.5 mm和2.55.0 mm根段均高于Alaska。因此Hyogo果膠甲基酯化度低于Alaska。這與Schmohl等[21]的研究結果一致，表明根尖細胞壁PME活性越高，果膠甲基酯化程度越低，說明根段或品種間果膠甲基酯化度的差異是PME活性不同引起的。

總之，根段或品種間耐鋁性差異是由根尖未甲酯化果膠含量決定的，而未甲酯化果膠含量又受根尖細胞壁果膠含量和果膠甲酯化度影響。根尖(尤其是02.5 mm根段)低果膠含量和低果膠甲基酯化酶活性導致的高果膠甲基酯化度是豌豆不同耐鋁品種的重要耐鋁機制。本研究揭示果膠和PME在植物耐鋁機制中的作用，為進一步揭示植物耐鋁機理以及耐鋁性狀的遺傳改良提供依據。

[1]Horst W J, Wang Y, Eticha D. The role of the root apoplast in aluminium-induced inhibition of root elongation and in aluminium resistance of plants: a review[J]. Annals of Botany, 2010, 106(1): 185-197.

[2]Ryan P R, Tyerman S D, Sasaki T,etal. The identification of aluminium-resistance genes provides opportunities for enhancing crop production on acid soils[J]. Journal of Experimental Botany, 2011, 62(1): 9-20.

[3]Delhaize E, Ryan P R, Randall P J. Aluminum tolerance in wheat (TriticumaestivumL.) II. Aluminum-stimulated excretion of malic acid from root apices[J]. Plant Physiology, 1993, 103(3): 695-702.

[4]Hoson T, Soga K, Wakabayashi K,etal. Growth and cell wall changes in rice roots during spaceflight[M]. Springer, 2003, 19-26.

[5]Ma J F. Syndrome of aluminum toxicity and diversity of aluminum resistance in higher plants[J]. International Review of Cytology, 2007, 264: 225-252.

[6]Schmohl N, Horst W J. Cell wall pectin content modulates aluminium sensitivity ofZeamays(L.) cells grown in suspension culture[J]. Plant, Cell & Environment, 2000, 23(7): 735-742.

[7]Yang J L, Li Y Y, Zhang Y J,etal. Cell wall polysaccharides are specifically involved in the exclusion of aluminum from the rice root apex[J]. Plant Physiology, 2008, 146(2): 602-611.

[8]Li Y Y, Yang J L, Zhang Y J,etal. Disorganized distribution of homogalacturonan epitopes in cell walls as one possible mechanism for aluminium-induced root growth inhibition in maize[J]. Annals of Botany, 2009, 104(2): 235-241.

[9]Yang J L, Zhu X F, Peng Y X,etal. Cell wall hemicellulose contributes significantly to aluminum adsorption and root growth in Arabidopsis[J]. Plant Physiology, 2011, 155(4): 1885-1892.

[10]Sivaguru M, Horst W J. The distal part of the transition zone is the most aluminum-sensitive apical root zone of maize[J]. Plant Physiology, 1998, 116(1): 155-163.

[11]Yu M, Ming Feng Y, Goldbach H E. Mist culture for mass harvesting of root border cells: aluminum effects[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2006, 169(5): 670-674.

[12]K?hle H, Jeblick W, Poten F,etal. Chitosan-elicited callose synthesis in soybean cells as a Ca2+-dependent process[J]. Plant Physiology, 1985, 77(3): 544-551.

[13]Jolie R P, Duvetter T, Houben K,etal. Carrot pectin methylesterase and is inhibitor from kiwi fruit: Study of activity, stability and inhibition[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2009, 10(4): 601-609.

[14]Heim D R, Skomp J R, Waldron C,etal. Differential response to isoxaben of cellulose biosynthesis by wild-type and resistant strains ofArabidopsisthaliana[J]. Pesticide Biochemistry and Physiology, 1991, 39(2): 93-99.

[15]Blumenkrantz N, Asboe-Hansen G. New method for quantitative determination of uronic acids[J]. Analytical Biochemistry, 1973, 54(2): 484-489.

[16]Kobayashi Y, Yamamoto Y, Matsumoto H. Studies on the mechanism of aluminum tolerance in pea (PisumsativumL.) using aluminum-tolerant cultivar ‘Alaska’and aluminum-sensitive cultivar ‘Hyogo’[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2004, 50(2): 197-204.

[17]Wissemeier A H, Klotz F, Horst W J. Aluminium induced callose synthesis in roots of soybean (GlycinemaxL.)[J]. Journal of Plant Physiology, 1987, 129(5): 487-492.

[18]Horst W J, Schmohl N, Kollmeier M,etal. Does aluminium affect root growth of maize through interaction with the cell wall-plasma membrane-cytoskeleton continuum?[J]. Plant and Soil, 1999, 215(2): 163-174.

[19]Eticha D, Stass A, Horst W J. Cell-wall pectin and its degree of methylation in the maize root-apex: significance for genotypic differences in aluminum resistance[J]. Plant, Cell & Environment, 2005, 28(11): 1410-1420.

[20]Grsic-Rausch S, Rausch T. A coupled spectrophotometric enzyme assay for the determination of pectin methylesterase activity and its inhibition by proteinaceous inhibitors[J]. Analytical Biochemistry, 2004, 333(1): 14-18.

[21]Schmohl N, Pilling J, Fisahn J,etal. Pectin methylesterase modulates aluminium sensitivity inZeamaysandSolanumtuberosum[J]. Physiologia Plantarum, 2000, 109(4): 419-427.

Differences of pectin content and methylation in root cell wall of pea(Pisumsativum) cultivars with different Al tolerance

LI Xue-wen1, 2, LI Ya-lin1, 2, YANG Jin1, 2, WU Li-shu2, XIAO Hong-dong1, FENG Ying-ming1, LIU Jia-you1, YU Min1*

(1DepartmentofHorticulture,FoshanUniversity,Foshan,Guangdong528000，China；2CollegeofResourceandEnvironment,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China)

【Objectives】 The study investigated the relationship between changes of cell wall pectin, pectin methyl esterification degree and aluminum tolerance in different cultivars of pea (Pisumsativum) to provide theoretical evidences how genetic differences affected aluminum tolerance during plant growth. 【Methods】 All cultivars were cultivated by mist under 24℃ growth chamber for 24 h after seed soaking. The root was divided into three segments: 0-2.5 mm, 2.5-5.0 mm and 5.0-10.0 mm. Pectin content, methyl esterification degree and the activity of pectin methylesterase (PME) were measured in different root segments of cultivar Hyogo and cultivar Alaska. Relative elongation rate (RER), callose and Al content were also tested to compare Al tolerance in different root zones and cultivars of pea. 【Results】 The RER of Alaska cultivar were significantly higher than Hyogo under Al concentration of 15 μmol/L and 30 μmol/L. And, the callose and Al of 0-5 mm or 5-10 mm segments in Alaska cultivar were accumulated much less than Hyogo. This result confirmed that the Alaska was an Al resistant cultivar and Hyogo was an Al sensitive cultivar. Alaska showed lower Al contents in all segments. In the meantime, the different Al levels between two species were showed significantly in 2.5-5.0 mm and 5.0-10.0 mm segments. Uronic acid content in cell wall pectin was found decreasing sequentially from segment 0-2.5 mm to 5.0-10.0 mm in both pea species. Alaska was measured lower cell wall pectin and un-methylated pectin compared with Hyogo, especially in segment 0-2.5 mm. The activity of PME also decreased successively from segment 0-2.5 mm to 5.0-10.0 mm in both Alaska and Hyogo. The degree of pectin methylation was significantly higher in 0-2.5 mm root segment than the other root segments in Alaska. Alaska had relatively lower content of uronic acid, lower activity of PME, and higher degree of pectin methylation, especially in 0-2.5 mm root segment. 【Conclusions】The key factor for pea cultivars shows Al tolerance or Al sensitive could be pectin content and methylation level in 0-2.5 mm root segment. Hyogo is highly sensitive to Al, which contained higher pectin in 0-2.5 mm root segment. The relatively lower pectin content and high methylation, especially in 0-2.5 mm, of Alaska associated with Al tolerance characterize.

pea; Al tolerance; cell wall pectin; degree of pectin methylation; pectin methylesterase

2014-11-25接受日期： 2015-07-20網絡出版日期： 2015-12-08

國家自然科學基金資助項目(31172038)；教育部科技研究重點資助項目(210154)；廣東省省級重大科研項目(2014KZDXM061)資助。

李學文(1987—)，男，山東臨沂人，博士研究生，主要從事植物營養(yǎng)生理研究。

Tel： 0757-85501986， E-mail: xuewen_1024@163.com。*通信作者 Tel： 0757-85501986， E-mail： yumin@fosu.edu.cn

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1008-505X(2016)03-0729-07