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水稻(Oryza sativa L.)铝毒害及耐性机理

马宝慧  
【摘要】: 铝毒害是酸性土壤限制农作物产量的主要因素之一。本文用溶液培养的方法研究了两个耐铝性不同的水稻品种(耐性品种Azucena和敏感品种IR 64)对铝的耐性及铝对水稻种子萌发生长、幼苗生长的影响,并探讨了水稻铝毒害和耐铝机理。 我们的结果表明,1 mM A1并未明显抑制两个品种水稻种子根的生长,当铝浓度达到2 mM时显著抑制其伸长,且敏感品种受到的抑制作用更明显;同时铝也刺激水稻种子萌发过程中产生过量的H_2O_2,并且敏感品种产生的H_2O_2多于耐性品种。2 mMA1和10 mM咪唑(NADPH氧化酶的抑制剂)或1 mM叠氮化钠(过氧化物酶的抑制剂)共同处理明显降低H_2O_2的产生,与单独铝处理相比,Azucena种子内的H_2O_2含量分别下降了16%和43%,IR 64种子内的H_2O_2含量分别下降了21%和68%。铝胁迫下,Azucena明显具有更高的CAT,APX,DHAR,GPX和GR活性以及GSH含量。无论有无铝处理,BSO(GSH合成的专一性抑制剂)处理均显著增加两个品种种子萌发时H_2O_2的产生。相反,外源GSH处理明显抑制由铝胁迫诱导的H_2O_2产生。我们的结果表明,细胞壁过氧化物酶与NADPH氧化酶与铝诱导的H_2O_2产生有关;铝胁迫下的水稻种子萌发过程中,GSH及抗氧化酶具有清除过量H_2O_2的重要作用。 根尖是铝毒害的主要部位,在铝毒和铝耐性机理中起着关键的作用。铝处理后水稻种子根根尖铝含量显著增加,随铝处理浓度的增加,根尖铝含量也明显增加,并且敏感品种IR 64根尖的铝含量显著高于耐性品种Azucena。这说明在水稻种子根,排铝机理非常重要。利用pH指示剂(溴甲酚紫)可以看出,对照(0 A1)根尖表面pH随时间的延长逐渐升高,相对而言,铝处理12 h和24 h后的水稻根尖表面pH较对照低,并且敏感品种IR 64根尖表面pH低于耐性品种Azucena。我们还比较了铝对两个水稻品种根尖总磷和无机磷含量影响的差异。两个水稻品种根尖总磷含量在对照条件下具有显著差异,敏感品种IR 64根尖的总磷含量明显高于耐性品种Azuccna。铝胁迫下,耐性品种Azucena根尖总磷含量并不受铝的影响,而敏感品种IR 64根尖总磷含量在铝处理后显著低于对照。对照条件下,耐性品种Azucena根尖无机磷含量明显高于敏感品种IR 64。铝处理下,Azucena根尖无机磷含量下降,20和40μM A1胁迫下其根尖无机磷含量下降为对照的85%和79%;在20μM A1处理下,IR 64根尖无机磷含量稍有增加,为对照的118%,40μM A1处理下,IR 64根尖无机磷含量为对照的80%,但是均未与对照有显著性差异。另外我们发现,铝抑制水稻侧根的生长,无论侧根数目还是侧根长度在铝处理后均减少,但是耐性品种Azucena侧根生长受到的影响远远小于敏感品种IR 64,后者在铝处理后侧根数目和侧根长度都显著低于对照。这也从另一个方面说明Azucena的耐铝原因。 对于水稻幼苗的种子根,我们也验证了抗氧化系统的作用。结果表明,在20、40μM A1处理下,MDA含量和H_2O_2的含量明显高于耐性品种。用CeCl_3染色的方法,我们观察到H_2O_2主要积累于质外体,并且细胞壁过氧化物酶和NADPH氧化酶与铝诱导的H_2O_2产生有关。耐性品种根尖ABA含量在40μM A1处理1 h迅速增加,并且耐性品种高于敏感品种,3 h后下降至对照水平。CeCl_3染色法显示铝处理3 hAzucena根尖积累较多的H_2O_2,随后又逐渐减少,48 h铝处理后Azucena根尖H_2O_2含量仍高于对照;而在IR 64种子根中,H_2O_2含量随铝处理时间的延长逐渐增加;铝处理48 h后,IR 64根尖H_2O_2积累显著多于Azucena。ABA合成抑制剂Flu减少铝处理对Azucena根尖H_2O_2积累的促进作用,外源ABA处理可以减少Flu对H_2O_2积累的影响,增加两个供试水稻根尖H_2O_2的积累。在铝处理3 h内,Azucena种子根内的抗氧化酶APX、GPX以及GR活性逐渐升高,在处理6 h时达到最大;而在IR 64中变化不明显。外源ABA处理诱导两个品种水稻种子根内APX、GPX以及GR活性增加,而ABA合成抑制剂Flu和T处理则抑制铝处理对Azucnca抗氧化酶活性的促进作用。同时在铝处理下,耐性品种还具有较高的GSH/GSSG比率。利用GSH合成抑制剂BSO证明GSH在耐铝机理中起着重要的作用。这些结果说明,铝诱导的种子根根尖H_2O_2主要积累在质外体;NADPH氧化酶及细胞壁过氧化物酶可能参与H_2O_2的产生;由于耐性品种水稻幼苗在铝胁迫下ABA积累迅速启动抗氧化系统,降低其体内H_2O_2含量从而受到较小的氧化胁迫伤害,这与种子萌发时期的结果相似。 植物根系生长受限制与过氧化物酶(POD)活性有关,细胞壁POD在细胞壁变硬过程中具有重要的作用,POD活性增加引起细胞壁多聚体交联,从而限制细胞生长。铝处理诱导敏感品种种子根的离子型结合和共价型结合POD、FPOD活性增加,而耐性品种各种类型的POD、FPOD活性保持在一定水平。过氧化物酶是木质素合成的关键酶。我们的实验结果显示,铝胁迫诱导敏感品种种子根木质素含量增加。细胞壁木质化可能是细胞生长停止的原因之一,由于木质化降低细胞壁弹性从而导致细胞生长受阻。质外体AsA不仅可以清除H_2O_2而且可以清除木质素合成前体从而降低细胞壁木质素含量,铝胁迫下,Azucena明显具有更高的质外体抗坏血酸含量和抗坏血酸过氧化物酶活性。铝胁迫下,耐性品种水稻种子根可以迅速启动抗氧化系统,避免H_2O_2的过量积累,使POD、FPOD活性保持在一定水平,不易引起细胞壁多聚体交联,从而减少细胞壁木质化,因此种子根的生长也受到较少抑制。但是敏感品种恰恰相反,铝胁迫导致其种子根抗氧化能力降低,H_2O_2积累,提供了POD、FPOD的底物,引起它们活性上升,细胞壁多聚体迅速交联,木质素合成增加使细胞壁变硬,种子根生长受阻。外源H_2O_2处理抑制敏感品种IR 64种子根伸长,增加种子根内H_2O_2含量和木质素含量。这些结果表明敏感品种IR 64种子根生长受抑制的原因可能与H_2O_2诱导过氧化物酶催化的细胞壁交联和木质素合成有关。 我们进一步探讨了铝对水稻种子根根尖细胞壁多糖含量、组成变化的影响及他们与根伸长的关系。耐性品种Azucena和敏感品种IR 64在0或40μM A1(pH 4.5,含0.5 mM CaCl_2)溶液中生长48 h后,40μM铝处理显著诱导水稻根尖果胶含量的增加,并且敏感品种增加的更明显。同时,铝处理还诱导敏感品种根尖半纤维素含量增加,而在耐性品种根尖并没有发现半纤维素含量的变化。气相色谱分析表明,敏感品种果胶部分木糖、葡萄糖和半乳糖增加,半纤维素部分木糖、甘露糖、葡萄糖和半乳糖增加。40μM A1处理后果胶和半纤维素部分结合的铝量均增加,但是IR 64果胶和半纤维素部分结合铝的量明显多于Azucena。这些发现表明,铝与细胞壁果胶、半纤维素结合并改变了细胞壁多糖代谢,从而抑制水稻种子根生长。


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