鋁毒脅迫下水稻根冠黏液中鋁形態(tài)的變化

邢承華　張淑娜　盧建挺

摘要 以耐鋁性有明顯差異的2個(gè)水稻品種Ⅱ優(yōu)3027（耐鋁基因型）和紅良優(yōu)166（鋁敏感基因型）為材料，研究了不同鋁濃度下根冠黏液、根尖（懸空培養(yǎng)、振蕩培養(yǎng)）中總鋁、單核鋁含量以及鋁形態(tài)變化。結(jié)果表明，在鋁脅迫下，振蕩培養(yǎng)組中2個(gè)品種總鋁、單核鋁含量隨著鋁濃度的上升而上升；懸空培養(yǎng)組根尖和黏液中，Ⅱ優(yōu)3027總鋁、單核鋁含量在0～200 μmol/L鋁濃度范圍時(shí)隨著鋁濃度的上升而上升，在200～400 μmol/L鋁濃度范圍時(shí)，呈下降趨勢，而紅良優(yōu)166變化規(guī)律與振蕩培養(yǎng)組基本一致。耐鋁品種和敏感品種在0～200 μmol/L鋁濃度范圍時(shí)鋁含量相近，但在400 μmol/L鋁處理濃度時(shí)差異顯著。振蕩培養(yǎng)和懸空培養(yǎng)條件下鋁形態(tài)變化規(guī)律也大致同上，并發(fā)現(xiàn)對水稻起毒害作用的鋁形態(tài)主要是交換態(tài)鋁和吸附態(tài)鋁，有機(jī)態(tài)鋁毒性很小。

關(guān)鍵詞 水稻；鋁毒；黏液；鋁形態(tài)；根冠

中圖分類號 S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號 1007-5739（2017）16-0005-03

Abstract Two rice varieties ′Ⅱyou 3027′（patient）and ′Hongliangyou 166′（sensitive）with obvious difference in aluminium sensitivity were used as test material to study the change of total aluminium，monocyte aluminium content and form at different aluminum concentration.The results showed that two rice varieties′ total aluminium，monocyte aluminium content was increased with aluminum concentrations under oscillation cultivation and the same to′Hongliangyou 166′ under submerged cultivation. ′Ⅱyou 3027′ total aluminium，monocyte aluminium content was increased with aluminum concentrations in 0～200 μmol/L and declined with aluminum concentrations in 200～400 μmol/L under submerged cultivation. The aluminum content of the resistant aluminum varieties and sensitive varieties is similar in the range of 0～200μmol/L aluminum concentration，but the aluminum treatment concentration was significantly different in 400 μmol/L aluminum concentration. The main forms of aluminum toxicity to rice were exchangeable aluminum and adsorbed aluminum，while organic aluminum is very toxic.

Key words rice；aluminum toxicity；mucilage；aluminum speciation；root cap

鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，又是植物的非必需元素，隨著酸雨作用越來越突出，土壤酸化問題日益嚴(yán)重，使得鋁溶出量與日俱增，而鋁毒害總是與土壤酸化相伴。我國酸性沉降的日益嚴(yán)重及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中酸性肥料的不合理使用，使得當(dāng)前土壤酸化問題進(jìn)一步加劇，加重植物的受害程度，由此被認(rèn)為是酸性土壤限制作物生長的最主要因素[1]。根邊緣細(xì)胞（root border cells）是從根尖脫落下來并聚集在根尖周圍的一群特殊的細(xì)胞[2-3]。具有新陳代謝能力的根邊緣細(xì)胞和一系列從根冠細(xì)胞分離而被降解的細(xì)胞壁碎片，以及有機(jī)酸、糖和其他高分子有機(jī)物組成了根尖周圍的根冠黏膠層，其在感受和響應(yīng)逆境脅迫，保護(hù)根尖免受不利環(huán)境因素的脅迫起重要作用[4]。近年來，已經(jīng)被證明擬南芥（Arabidopsis thaliana）根尖能產(chǎn)生和釋放有序的多細(xì)胞層的類邊緣細(xì)胞[5]。根冠邊緣細(xì)胞的分離是一個(gè)不斷變化著的調(diào)控過程和不依賴于根生長的動(dòng)態(tài)過程[6]。越來越多的證據(jù)表明，邊緣細(xì)胞及其相關(guān)的黏液層在植物生長過程中起到多重功能，例如可以減少根在土壤中生長的阻力[7]、分泌黏液抵抗鋁毒[8]、調(diào)節(jié)根冠的有絲分裂、平衡根際周圍的微環(huán)境；并在抗生物（細(xì)菌、真菌、病毒、線蟲）與非生物（鋁毒）脅迫中起作用[9-10]。關(guān)于邊緣細(xì)胞形成和釋放的調(diào)控機(jī)制以及在提高植物抗逆性，尤其是抗鋁毒方面的研究，已成為目前植物學(xué)研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)之一[11-12]。根邊緣細(xì)胞或者根冠黏膠層對于鋁毒害有怎樣的抗逆機(jī)制以及效果如何，目前的研究主要集中于鋁脅迫下大豆等作物根相對伸長率、根尖和黏液中鋁含量、鋁形態(tài)[1]分析、蛋白質(zhì)含量、無機(jī)磷含量、酸性磷酸酶、呼吸酶[13]和保護(hù)酶[14]活性等方面的變化。除此之外，在大豆、豌豆[4]、牛豆[15]、綠豆[16]、紅豇豆[17]、豇豆[18]、黃瓜[19]、大麥[3，20]、小麥[21-22]、蕎麥[23-24]、油菜、水稻[25-26]等作物上也有鋁毒或鐵毒[27]脅迫的相關(guān)研究。

目前，研究我國南方在酸雨危害下鋁毒對主要經(jīng)濟(jì)作物水稻的影響尤為重要，水稻對鋁毒的響應(yīng)和邊緣細(xì)胞或黏液在其中所起作用的探討，已成為當(dāng)前研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)之一[28-30]。根冠黏膠層在感受和響應(yīng)逆境脅迫，保護(hù)根尖免受不利環(huán)境因素的脅迫起重要作用。本試驗(yàn)以水稻為試驗(yàn)材料，研究了在不同濃度鋁毒環(huán)境下不同水稻品種的毒害情況，以探討鋁毒的規(guī)律性、毒害的主要鋁形態(tài)、品種間的差異以及邊緣細(xì)胞或根冠黏膠層的作用等。endprint

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以耐性品種Ⅱ優(yōu)3027和敏感品種紅良優(yōu)166為材料，研究鋁脅迫對水稻根冠黏液和根尖鋁形態(tài)的影響。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取優(yōu)質(zhì)水稻種子，在1‰過氧化氫溶液中消毒20 min，然后進(jìn)行浸種、催芽和育苗。待長出試驗(yàn)所需長度的幼根后，進(jìn)行不同鋁濃度處理。試驗(yàn)采用懸空培養(yǎng)法，即保留根尖邊緣細(xì)胞和黏液。設(shè)4個(gè)鋁濃度處理，分別為0 μmol/L Al3+（CK）、100 μmol/L Al3+、200 μmol/L Al3+、400 μmol/L Al3+，Al3+以AlCl3形式供應(yīng)，含0.5 mmol/L CaCl2，pH值4.5。每隔2 h定量噴灑不同濃度Al3+溶液，不同處理每次所噴的Al3+液量都相同。Al處理4 h后用毛細(xì)管吸取黏液于試管中，每隔4 h收集1次，當(dāng)根長大于3 cm時(shí)停止該樣品的吸取。

1.3 測定方內(nèi)容與法

1.3.1 水稻根相對伸長率的測定。在Al處理前后分別測定水稻根長，各個(gè)處理前、后根系的長度差為根系伸長量。按下列公式計(jì)算：根相對伸長率（%）=Al處理組根伸長量/對照組根伸長量×100。每個(gè)處理隨機(jī)選30個(gè)根，取平均值。

1.3.2 黏液總Al和單核Al含量測定。黏液總Al含量采用ICP-OES法測定。黏液單核Al含量桑色素絡(luò)合熒光光度法。取一定量標(biāo)準(zhǔn)品或待測液（黏液取0.5 mL）于5 mL離心管中，先加入400 μL 1.0 mol/L NH4OAc-HOAc緩沖液（pH值4.0），再加入800 μL1.0×10-4 mol/L Morin，最后加入乙醇使總體積達(dá)4 mL。振蕩30 min（或者超聲波振蕩5 min冷卻到室溫）后在Ex=404.6 nm、Em=498 nm處測量熒光強(qiáng)度，同時(shí)做試劑空白。

2 結(jié)果與分析

2.1 根相對伸長率分析

根相對伸長率是反應(yīng)鋁毒害最直觀的指標(biāo)。從圖1可以看出，隨著鋁處理濃度的增大，振蕩培養(yǎng)組（去除黏液）根相對伸長率呈現(xiàn)出下降趨勢，差異顯著（P<0.05），而懸空培養(yǎng)組（保留黏液）中Ⅱ優(yōu)3027差異不顯著，紅良優(yōu)166規(guī)律類似振蕩培養(yǎng)。而且同一處理濃度下懸空培養(yǎng)組的根相對伸長率明顯大于振蕩培養(yǎng)，這表明黏液對鋁毒確實(shí)具有緩解作用。在相同處理?xiàng)l件下Ⅱ優(yōu)3027較紅良優(yōu)166具有稍大的相對伸長率，反映出耐鋁品種和敏感品種間的差異。

2.2 黏液中總Al含量分析

不同鋁處理濃度下，Ⅱ優(yōu)3027和紅良優(yōu)166的根冠黏液總鋁含量表現(xiàn)出相近的規(guī)律，即均隨著鋁處理濃度的增大，黏液中總鋁含量也小幅度增加，并在200 μmol/L鋁處理濃度下達(dá)最大值后出現(xiàn)下降趨勢。敏感品種紅良優(yōu)166較耐性品種Ⅱ優(yōu)3027有更大的黏液總鋁，反映出品種間的差異（圖2）。

2.3 黏液中單核Al分析

在0～200 μmol/L的鋁濃度范圍時(shí)，Ⅱ優(yōu)3027和紅良優(yōu)166的單核鋁含量隨著鋁處理濃度的增大而增加，但隨著鋁處理濃度的進(jìn)一步增大，Ⅱ優(yōu)3027單核鋁含量出現(xiàn)顯著下降，而紅良優(yōu)166在400 μmol/L的鋁處理時(shí)達(dá)到最大（圖3）。

3 結(jié)論與討論

3.1 根冠黏膠層分泌黏液抵抗鋁毒

根尖周圍的根冠黏膠層，在感受和響應(yīng)逆境脅迫，保護(hù)根尖免受不利環(huán)境因素的脅迫中起著重要作用。潘建偉等[3]研究發(fā)現(xiàn)，邊緣細(xì)胞的耐鋁性與個(gè)體水平的耐鋁性相一致，其中黏液層在鋁毒保護(hù)作用中起著重要作用。在同一鋁處理濃度下，有黏液保護(hù)的懸空培養(yǎng)組根尖鋁含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無黏液保護(hù)的振蕩培養(yǎng)組根尖鋁含量，表明根冠黏液在保護(hù)根尖緩解鋁脅迫上確實(shí)起著重要作用。有黏液作用的懸空培養(yǎng)組在200～400 μmol/L鋁處理濃度時(shí)出現(xiàn)下降趨勢，而無黏液作用的振蕩培養(yǎng)組則保持上升趨勢，更加突出地說明在一定鋁濃度下，黏液的保護(hù)作用會(huì)高強(qiáng)度的發(fā)揮。

振蕩培養(yǎng)組隨著鋁處理濃度的上升，根尖總鋁含量呈顯著的遞增趨勢，根尖相對伸長率則呈現(xiàn)出相反的趨勢；懸空培養(yǎng)組中隨著鋁處理濃度的上升，根尖總鋁含量呈現(xiàn)出先增后降的趨勢，根相對伸長率出現(xiàn)下降趨勢，但耐鋁品種較為緩和。并且在同一鋁處理濃度下，懸空培養(yǎng)組較振蕩培養(yǎng)組根相對伸長率大。

從懸空培養(yǎng)和振蕩培養(yǎng)根尖鋁含量上的差異、變化規(guī)律以及根相對伸長率綜合分析，結(jié)果表明，有黏液作用的水稻根尖鋁含量低、長勢好，而無黏液作用下則相反，表明根冠黏液能有效地降低根尖鋁含量，從而使得根相對伸長率呈現(xiàn)出上述變化，驗(yàn)證了根冠黏液在保護(hù)根尖組織和抵抗鋁毒上起著重要作用。

3.2 鋁脅迫下黏液鋁含量與根尖鋁含量的變化

黏液中鋁含量規(guī)律與根尖懸空培養(yǎng)組中鋁含量規(guī)律基本一致，即在一定范圍內(nèi)都是隨著鋁處理液濃度的上升而上升，達(dá)到一定濃度后，均出現(xiàn)下降趨勢或僅Ⅱ優(yōu)3027品種出現(xiàn)下降趨勢。懸空培養(yǎng)下根尖鋁含量的變化趨勢，可能是由于根系吸收的鋁很少重新排放，一般通過形成螯合或絡(luò)合物等形式降低鋁的毒性，由此保護(hù)根尖抵抗鋁毒。

但黏液中也出現(xiàn)下降，這可以從蔡妙珍等[8]在大豆中發(fā)現(xiàn)邊緣細(xì)胞活性有先下降后上升的趨勢，同時(shí)不同品種在不同鋁處理濃度下黏液分泌量是有差異的中得到啟示?？梢酝茰y懸空培養(yǎng)條件下Ⅱ優(yōu)3027之所以出現(xiàn)根相對伸長率先下降后平穩(wěn)的趨勢，是由于黏液分泌量多，對根尖的保護(hù)作用大，BC活性強(qiáng)，并因此引起根伸長率的變化。因此，隨著邊緣細(xì)胞活性的上升，該條件下黏液又大量分泌，致使黏液中的鋁被稀釋或被轉(zhuǎn)化成無毒的鋁形態(tài)而出現(xiàn)濃度的下降，從而達(dá)到緩解鋁毒的作用。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 劉鵬，金婷婷，徐根娣，等.大豆根系分泌物對根際土壤鋁形態(tài)的影響[J].浙江師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，31（4）：445-451.endprint

[2] 李榮峰.大豆根邊緣細(xì)胞緩解鋁毒的作用及機(jī)理研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2007.

[3] 潘建偉.大麥根尖和邊緣細(xì)胞鋁毒生物學(xué)特性及其機(jī)理研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2002.

[4] 許苗苗.硼、鋁對豌豆根及邊緣細(xì)胞粘膠層特性的影響[D].雅安：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

[5] DRIOUICH A，DURAND C，VICRE-GIBOUIN M.Formation and separa-tion of root border cells[J].TRENDS in Plant Science，2007，12（1）：14-19.

[6] HAWES M C.The role of root border cells in plant defence[J].TRENDS in Plant Science，2000，5：1360-1385.

[7] 戚偉剛，劉鵬，徐根娣，等.鋁毒對水稻邊緣細(xì)胞的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006（3）：22-24.

[8] 蔡妙珍，邢承華，劉鵬，等.大豆根尖邊緣細(xì)胞和粘液分泌對鋁脅迫解除的響應(yīng)[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，32（5）：1007-1014.

[9] 蔡妙珍，劉鵬，徐根娣，等.大豆根緣細(xì)胞對Al3+毒害的響應(yīng)[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，40（2）：271-276.

[10] BRIGHAM L，HAWES M C，MIYASAKA S.Avoidance of aluminium toxicity：Role of root border cells[J].Developments in Plant and Soil Sciences，2006，92：452-453.

[11] 王建林.土壤中鋁的脅迫與水稻的生長[J].土壤通報(bào)，1991，23（6）：302-306.

[12] 李榮峰，蔡妙珍，劉鵬，等.植物根邊緣細(xì)胞的抗逆性研究進(jìn)展[J].廣西植物，2007，27（3）：497-502.

[13] 任立民，劉鵬，謝忠雷，等.植物對鋁毒害的抗逆性研究進(jìn)展[J].土壤通報(bào)，2008，39（1）：176-181.

[14] 劉鵬，應(yīng)小芳，徐根娣，等.鋁對大豆質(zhì)膜透性和POD、CAT活性的影響[J].浙江師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，28（3）：300-303.

[15] CHEN W R，LIU P，XU G D，et al..Effects of Al3+ on the biological char-acteristics of cowpea root border cells[J].Acta Physiologiae Plantarum，2008，30：303-308.

[16] 蔡文春，劉鵬，徐根娣，等.鋁脅迫對綠豆根邊緣細(xì)胞的影響[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，45（2）：180-182.

[17] 杜幸，劉鵬，徐根娣，等.紅豇豆根緣細(xì)胞對鋁脅迫的響應(yīng)[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2006，12（5）：722-726.

[18] 徐根娣，陳敏燕，劉鵬，等.豇豆邊緣細(xì)胞對鋁脅迫的響應(yīng)[J].浙江師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，31（1）：66-71.

[19] 周楠，陳文榮，劉鵬，等.黃瓜根邊緣細(xì)胞生物學(xué)特性及其對鋁的響應(yīng)[J].園藝學(xué)報(bào)，2006，33（5）：1117-1120.

[20] TAM？魣S L，BUD？魱KOV？魣 S，HUTTOV？魣 J.Aluminum-induced cell death of barley-root border cells is correlated with peroxidase and oxalate oxidasemediated hydrogen peroxide production[J].Plant Cell Reports，2005，24：189-194.

[21] BOZHKOV A I，KUZNETSOVA Y A，MENZYANOVA N G.Interrelati-onship between the growth rate of wheat roots，their excretory activity，and the number of border cells[J].Russian Journal of Plant Physiology，2007，54：97-103.

[22] 朱雪竹，董斌，桑偉蓮，等.鋁對小麥的毒性及小麥抗鋁機(jī)理[J].環(huán)境科學(xué)，2001，22（4）：33-36.

[23] 蔡妙珍，劉鵬，徐根娣，等.蕎麥根緣細(xì)胞的發(fā)育及脫落后對鋁毒的響應(yīng)[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2007，13（5）：925-928.

[24] 蔡妙珍，劉鵬，徐根娣，等.Al3+對蕎麥離體根邊緣細(xì)胞的作用[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，27（4）：295-298.

[25] 章藝，劉鵬，宋金敏，等.高Fe2+對水稻離體根邊緣細(xì)胞的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（6）：2925-2930.

[26] MA J F，SHEN R F，ZHAO Z Q.Response of rice to Al stress and identi-fication of quantitative Trait Loci for Al tolerance[J].Plant and Cell Phy-siology，2002，43：652-659.

[27] XING C H，ZHU M H，CAI M Z，et al.Developmental characteristics and response to iron toxicity of root border cells in rice seedlings[J].Journal of Zhejiang University-Science B，2008，9：261-264.

[28] 何斌，粱機(jī).鉻天青S-溴化十六烷基三甲銨-乙醇高靈敏分光光度法測定植物和土壤水中鋁[J].廣西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，15（2）：151-155.

[29] 王趁義，張彩華，畢樹平，等.Al-Ferron逐時(shí)絡(luò)合比色光度法測定聚合鋁溶液中Ala，Alb和Alc三種鋁形態(tài)的時(shí)間界限研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2005，25（2）：252-256.

[30] 呂煥哲，王凱榮，謝小立.土地利用方式與坡位土壤活性鋁形態(tài)特征分析[J].水土保持學(xué)報(bào)，2007，21（1）：172-175.endprint