豌豆不同品种耐铝性与细胞壁特性的关系

摘要

铝毒作为酸性土壤中限制农作物生长的重要障碍因子之一，植物耐铝机制的研究，对提高作物产量和品质，解决酸性土壤的粮食生产问题有重要的意义。前人的研究表明，根尖过渡区是铝最敏感的区域，也是铝抑制根系生长和决定品种耐铝性的关键区域，然而其机理尚不清楚。本研究以耐铝和铝敏感豌豆品种为材料，系统地分析了根尖过渡区铝敏感性和品种耐铝性与铝的分布、细胞壁果胶性质、质外体pH、根边缘细胞间的关系，主要研究结果如下:
　　1.豌豆品种耐铝性验证
　　对铝胁迫条件下不同品种主根和侧根相对伸长率等指标的综合分析，证实Onward和Alaska为耐铝品种，Hyogo和Sima为铝敏感品种。
　　2.铝在耐铝和铝敏感豌豆品种不同根区的分布
　　铝在各个根区的分布为:总铝和细胞壁铝从根尖向根基依次递减，过渡区铝含量低于分生区，但过渡区（铝敏感品种）活性铝含量(Morin荧光强度)最高，并且分布在表皮层和外皮层，而分生区主要以表皮层为主。说明过渡区活性铝累积较多，分布范围更广，是过渡区铝敏感的主要原因。
　　铝敏感品种根尖过渡区总铝、细胞壁铝和活性铝含量均高于耐铝品种;并且活性铝在铝敏感品种过渡区表皮层和外皮层均有明显分布，而耐铝品种中主要分布在根表皮层，表明活性铝在铝敏感品种的过渡区分布范围较耐铝品种更广。XPS结果也显示，铝敏感品种过渡区离子态铝含量高于耐铝品种。分析过渡区细胞壁不同组分铝含量发现，铝敏感品种螯合态果胶和碱溶态果胶中铝含量高于耐铝品种，而纤维素和半纤维素间无显著差异。说明铝敏感品种过渡区总铝量、细胞壁铝含量和活性铝或离子态铝含量均高于耐铝品种，并且分布范围更广。
　　3.耐铝和铝敏感豌豆品种不同根区细胞壁果胶特性
　　无铝条件下，过渡区果胶和未甲酯化果胶含量最高，PME活性和果胶甲酯化度低于分生区。铝处理后，果胶含量、未甲酯化果胶含量、PME活性及果胶甲酯化度升高，然而根区间果胶性质差异保持一致，过渡区果胶含量和未甲酯化果胶仍高于其它根区，过渡区PME活性低于分生区。说明果胶/未甲酯化果胶含量高是过渡区铝敏感的重要原因。
　　耐铝和铝敏感豌豆品种根尖果胶性质的差异主要表现在过渡区。不管有无铝处理，铝敏感品种过渡区果胶含量和PME活性均显著高于耐铝品种，果胶甲酯化度低于耐铝品种。高果胶含量和低果胶甲酯化度导致铝敏感品种过渡区未甲酯化果胶含量高于耐铝品种。说明品种耐铝性与过渡区果胶合成及PME活性有关，耐铝品种过渡区果胶总量和PME活性低，导致未甲酯化果胶含量较低，从而过渡区铝累积少，耐铝性强。
　　4.耐铝和铝敏感豌豆品种过渡区质外体pH差异及其调控机理
　　根尖Oregon荧光染色显示过渡区质外体pH显著高于分生区及其他根区，这是过渡区铝累积低于分生区的主要原因。因为较高pH条件下PME活性较高，也导致过渡区对铝胁迫更敏感。
　　耐铝品种根际和根表pH均高于铝敏感品种，并且过渡区质外体pH也高于铝敏感品种。过渡区pH的差异与H+流有关，耐铝品种过渡区H+内流高于铝敏感品种。利用质膜H+-ATPase活性抑制剂VA，抑制质膜H+-ATPase活性后，不同品种过渡区根表H+流的差异消失，说明不同品种H+流的差异与质膜H+-ATPase有关。加入生长素外排抑制剂NPA，不同品种过渡区根表H+流消失，而加入生长素内流抑制剂CHPAA，耐铝品种H+内流更显著地高于铝敏感品种，表明品种间过渡区根表H+流的差异与生长素外排有关。以上结果说明，豌豆品种耐铝性与过渡区质外体pH呈正比，质外体pH的差异与H+内流有关，生长素外排和质膜H+-ATPase参与了对过渡区质外体pH与H+流的调控。
　　5.不同品种根边缘细胞差异
　　铝胁迫条件下，去除根边缘细胞后铝敏感品种中根相对伸长率显著降低，而耐铝品种无显著变化，说明铝胁迫条件下铝敏感品种根边缘细胞对根尖的保护作用更明显。根边缘细胞耐铝性与品种的耐铝性保持一致，铝敏感品种根边缘细胞中的铝含量显著高于耐铝品种。说明铝敏感品种根边缘细胞通过累积更多的铝，缓解铝对根尖的毒害。
　　综上所述，过渡区果胶含量高和活性铝的累积多、分布范围广，是过渡区铝敏感的重要原因。而过渡区的铝敏感性又决定了品种的耐铝性，主要表现在以下两个方面:(1)铝胁迫条件下，耐铝品种过渡区果胶含量和PME活性低，导致未甲酯化果胶含量较低，减少了铝在过渡区的累积，从而减少铝的毒害;(2)铝胁迫条件下，豌豆耐铝品种过渡区质外体pH高于铝敏感品种，进一步降低了铝的累积及对过渡区的毒害。耐铝豌豆品种过渡区较高的质外体pH，与其铝毒下维持较高的过渡H+内流有关，两者同时受到生长素外排及质膜H+-ATPase的调控。

目录

论文说明

声明

摘要

1 文献综述

1．1 植物铝毒害机理

1．1．1 铝胁迫对植物的毒害机制

1．1．2 植物铝毒害的作用位点

1．1．3 铝抑制根伸长的机理

1．2 植物耐铝机制

1．2．1 根系有机酸的分泌

1．2．2 细胞壁

1．2．3 根际pH

1．2．4 根边缘细胞

2．研究意义和研究内容

2．1 研究背景

2．2 研究假说

2．3 研究内容

2．4 研究目标

2．5 技术路线

3 豌豆品种耐铝性验证

3．1 引言

3．2 材料和方法

3．2．1 试验材料

3．2．2 豌豆幼苗的培养

3．2．3 实验设计

3．2．4 根相对根伸长率的测定方法

3．2．5 胼胝质含量的测定方法

3．2．6 铝含量的测定方法

3．2．7 苏木精染色方法

3．3 数据处理

3．4 结果与分析

3．4．1 铝胁迫对不同豌豆品种主根的影响

3．4．2 铝胁迫对豌豆侧根的影响

3．5 讨论

3．6 小结

4 铝在侧根根尖不同根区的分布及与豌豆品种耐铝性的关系

4．1 引言

4．2 材料和方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 豌豆幼苗的培养

4．2．3 实验设计

4．2．3 根段铝含量的测定

4．2．4 根尖Morin染色

4．2．5 细胞壁的粗提取方法

4．2．6 细胞壁铝含量

4．2．7 根尖过渡区表面铝含量分析

4．2．8 细胞壁组分中铝含量

4．3 数据处理

4．4 结果与分析

4．4．1 不同豌豆品种根段铝含量

4．4．2 不同豌豆品种根段细胞壁的铝含量

4．4．3 不同豌豆品种根尖Morin荧光染色

4．4．4 不同豌豆品种根区横切面的Morin染色

4．4．5 不同豌豆品种过渡区表面铝的形态

4．4．6 不同豌豆品种过渡区细胞壁组分中铝含量

4．5 讨论

4．5．1 过渡区铝敏感性与铝在根尖分布的关系

4．5．2 品种耐铝性与铝在过渡区分布的关系

4．6 小结

5 铝对不同品种根段果胶含量及性质的影响

5．1 引言

5．2 材料和方法

5．2．1 实验材料

5．2．2 豌豆幼苗的培养

5．2．3 实验设计

5．2．4 细胞壁果胶的提取及测定方法

5．2．5 PME活性的测定方法

5．2．6 果胶甲酯化度的测定方法

5．2．7 JIM5／JIM7免疫荧光

5．3 数据处理

5．4 结果与分析

5．4．1 铝胁迫对不同品种侧根根段果胶含量的影响

5．4．2 铝胁迫对不同品种侧根根段果胶甲酯化度的影响

5．4．3 铝胁迫对不同品种侧根根段未甲酯化果胶含量的影响

5．4．4 铝胁迫对不同品种侧根根段PME活性的影响

5．4．5 低甲酯化和高甲酯化果胶在不同豌豆品种根尖过渡区的定位

5．5 讨论

5．5．1 过渡区铝敏感性与不同根区果胶含量和性质的关系

5．5．2 品种耐铝性与过渡区果胶含量和性质的关系

5．6 小结

6 不同品种根区pH的差异及铝的影响

6．1 引言

6．2 材料和方法

6．2．1 实验材料

6．2．2 豌豆幼苗的培养

6．2．3 实验设计

6．2．3 溴甲酚绿的琼脂培养

6．2．4 pH的微电极测定

6．2．5 Oregon荧光染色方法

6．2．6 BCECF荧光染色方法

6．2．7 根尖过渡区H+流的测定

6．3 数据处理

6．4 结果与分析

6．4．1 铝对不同耐铝性豌豆品种根际pH的影响

6．4．2 铝对不同豌豆品种根尖0～10 mm段根际pH的影响

6．4．3 铝对不同耐铝性豌豆品种不同根段根际pH的影响

6．4．4 不同耐铝性豌豆品种根尖Oregon荧光染色

6．4．5 不同耐铝性豌豆品种根尖过渡区BCECF荧光染色

6．4．6 不同耐铝性豌豆品种过渡区根表H+流

6．4．7 不同品种过渡区根表H+流与质膜H+-ATPase的关系

6．4．8 不同品种生长素运输与过渡区H+流的关系

6．5 讨论

6．5．1 不同品种过渡区质外体pH的差异

6．5．2 不同品种根际H+流差异和质膜H+-ATPase的关系

6．5．3 生长素运输对质膜H+-ATPase活性的调控作用

6．6 小结

7 不同品种根边缘细胞的耐铝性研究

7．1 引言

7．2 材料和方法

7．2．1 实验材料

7．2．2 实验设计

7．2．3 根边缘细胞的去除和保留

7．2．4 根边缘细胞数目和存活率的测定方法

7．2．5 根边缘细胞铝含量的测定

7．2．6 根边缘细胞果胶含量的测定方法

7．2．7 根边缘细胞果胶甲酯化度的测定方法

7．2．8 根边缘细胞PME活性的测定方法

7．3 数据处理

7．4 结果分析

7．4．1 不同豌豆品种根边缘细胞在铝毒中的作用

7．4．2 铝对豌豆不同品种根边缘细胞的数目和存活率的影响

7．4．3 铝在不同豌豆品种根边缘细胞中的累积

7．4．4 铝对豌豆不同品种根边缘细胞果胶含量的影响

7．4．5 铝对豌豆不同品种根边缘细胞果胶甲酯化度的影响

7．4．6 铝对豌豆不同品种根边缘细胞PME活性的影响

7．5 讨论

7．6 小结

8 讨论和总结

8．1 讨论

8．1．1 根尖过渡区铝敏感的机理

8．1．2 豌豆耐铝机制

8．1．3 根边缘细胞在不同耐铝性品种中的作用

8．2 总结

8．3 主要创新点

8．4 研究展望

参考文献

附录

致谢

作者简介

论文发表情况