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《华中农业大学》 2010年
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小麦根渍水形成通气组织过程中细胞壁降解与Ca~(2+)相关研究

姜珍  
【摘要】: 湿害在我国长江中下游麦区极为常见。湿害胁迫下植物根皮层细胞发生程序化死亡(programmed cell death, PCD)形成通气组织,但是以孕穗期小麦为材料的研究较少。本研究以孕穗期小麦(Triticum aestivum L. Huamai 8)为材料进行渍水处理。试验运用常规电镜技术观察通气组织形成过程中细胞壁超微结构变化;运用TUNEL、琼脂糖凝胶电泳等方法检测小麦次生根中皮层细胞的PCD;运用Ca2+荧光染料检测根皮层中Ca2+的分布和积累;运用超微细胞化学的方法定位观察皮层细胞内Ca2+, Ca2+-ATPase和纤维素酶。实验结果如下: 1.透射电子显微镜观察发现小麦根中皮层细胞壁先由靠近细胞质的初生壁开始降解,然后是胞间层。不淹水根皮层细胞结构完整并且排列紧密,淹水12 h中皮层细胞壁依然完整,24 h细胞壁明显变薄,48 h形成发达的通气组织,皮层呈现辐射状。纤维素酶超微细胞化学定位发现根皮层细胞壁上的纤维素酶活性在淹水8 h后很高,24 h纤维素酶活性依然很高并且在皮层细胞壁上形成很多降解位点,48 h皮层细胞壁上纤维素酶活性降低。 2.小麦次生根中皮层细胞在淹水过程中选择性的发生PCD形成通气组织,有TUNEL阳性细胞核的出现。TUNEL阳性核比率经历了由低到高再到低的动态变化过程。DNA laddering条带显示淹水24 h后在180 bp处明显变亮,淹水96 h和120 h发现整个条带都不再清晰。电镜观察还发现染色质凝集、细胞壁呈现电子透明等现象,这些特征都证明小麦根中皮层细胞发生了PCD。 3.不淹水的根皮层细胞壁上Ca2+荧光较弱且均匀分布,淹水后期Ca2+荧光集中在中柱、内皮层和存活做为通气组织支架的细胞壁上。Ca2+超微细胞化学定位发现淹水4 h时Ca2+沉淀颗粒在一些中皮层细胞的细胞膜、液泡膜和一些囊泡上迅速增加;12 h皮层细胞的细胞壁、线粒体、液泡膜和胞间隙内都有大量Ca2+沉淀颗粒;24 h细胞内容物降解,Ca2+沉淀颗粒减少;观察还发现相邻皮层细胞之间的Ca2+沉淀数量存在明显差异。Ca2+-ATPase超微细胞化学定位发现在淹水8 h后Ca2+-ATPase沉淀颗粒数量在一些中皮层细胞的胞间隙、质膜和液泡膜上显著增多,淹水24 h后在质膜、液泡膜和细胞壁上的Ca2+-ATPase沉淀颗粒依然很多,48 h后降低;观察同样发现相邻皮层细胞之间的Ca2+-ATPase沉淀颗粒数量存在明显差异。 以上结果表明淹水诱导了孕穗期小麦根皮层细胞选择性死亡形成通气组织。TUNEL、琼脂糖凝胶电泳实验证明淹水诱导的小麦根皮层细胞死亡是细胞程序化死亡。Ca2+作为一种信号物质在细胞选择性死亡过程中发挥了重要作用,高浓度的Ca2+通过调节胞间连丝的闭合导致皮层细胞形成共质体分区进而导致皮层细胞的选择性死亡。小麦根皮层细胞内Ca2+、Ca2+-ATPase和纤维素酶呈动态分布并且与细胞壁的降解相关联;Ca2+和Ca2+-ATPase之间是一种反馈调节的关系。
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