一氧化氮調(diào)控根尖細(xì)胞壁多糖組分適應(yīng)水稻耐鋁的作用機(jī)制.pdf

1、一氧化氮(nitric oxide，NO)是植物體內(nèi)的重要信號(hào)分子，參與植物的多種脅迫響應(yīng)過(guò)程。細(xì)胞壁在植物根系生長(zhǎng)過(guò)程中首先接觸鋁，而細(xì)胞壁結(jié)合鋁后其結(jié)構(gòu)與功能遭到破壞，因此鋁脅迫下維持根尖細(xì)胞壁組分和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可以提高植物抗鋁性。水稻是抗鋁性最強(qiáng)的禾谷類作物，根尖細(xì)胞壁排斥鋁在緩解鋁毒脅迫中起關(guān)鍵作用。但細(xì)胞壁如何感知和適應(yīng)鋁毒，該過(guò)程是否受NO調(diào)控，其調(diào)控機(jī)制并不清楚。本論文先以耐鋁能力有差異顯著的4種禾本科植物為材料，研究細(xì)胞壁排

2、斥鋁的差異性和NO對(duì)鋁毒的響應(yīng)過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)鋁毒下水稻根尖內(nèi)源一氧化氮(NO)的動(dòng)態(tài)變化和產(chǎn)生途徑分析確定NO對(duì)鋁毒的響應(yīng)過(guò)程，驗(yàn)證NO在水稻抗鋁毒中的作用，并確定水稻細(xì)胞壁結(jié)合鋁的主要多糖組分，進(jìn)一步研究NO調(diào)控該組分合成與抗鋁性之間的關(guān)系。具體研究結(jié)果如下:
　　(1)采用水培法，以水稻、玉米、高粱、小麥的耐鋁和鋁敏感品種為材料，比較研究四類禾本科植物8個(gè)品種的耐鋁能力，確定鋁積累的主要細(xì)胞壁多糖組分。在5～200μm

3、ol·L-1 Al處理下，水稻日本晴和浙輻802的根長(zhǎng)抑制率為19.8％和34.7％、玉米濟(jì)單7和農(nóng)大108為27.0％、45.5％、高粱豐優(yōu)6和萬(wàn)農(nóng)兩糯1為49.3％和59.5％、小麥揚(yáng)麥18和揚(yáng)麥16為58.2％和67.8％，耐鋁順序?yàn)樗荆居衩祝靖吡唬拘←湣?0μmol·L-1Al處理下根小麥根尖的果膠和半纖維素增幅顯著高于水稻，半纖維素2含量則表現(xiàn)為前者高于后者。浙輻802和日本晴細(xì)胞壁中有63.6％和30.2％的Al積累在果膠

4、，34.8％和68.3％積累在半纖維素1。揚(yáng)麥16和揚(yáng)麥18的細(xì)胞壁中有59.9％和39.3％的Al積累在果膠，38.3％和61.1％的Al半纖維素1。根尖細(xì)胞壁對(duì)鋁的吸附解吸表明更多的鋁被吸附和固著在小麥細(xì)胞壁上，其中揚(yáng)麥16較揚(yáng)麥18吸附的更緊密。Al處理下根尖NO含量顯著升高，水稻NO含量明顯高于小麥。這些結(jié)果表明禾本科植物多糖在外部排斥鋁上起重要作用，且鋁敏感品種趨向以果膠排鋁為主，耐鋁品種則以半纖維素1排鋁占主導(dǎo)。
　　

5、(2)以水稻品種浙輻802(鋁敏感)和日本晴（耐鋁)為材料，采用水培法研究鋁毒下外源NO對(duì)幼苗根系生長(zhǎng)、NO產(chǎn)生和細(xì)胞壁抗鋁的影響。結(jié)果表明浙輻802根伸長(zhǎng)抑制率和根尖Al含量高于日本晴，浙輻802和日本晴根尖細(xì)胞壁中的Al積累量占根尖總Al量的90.4％和70.1％。50μmol·L-1Al處理下，根尖NO含量隨處理時(shí)間增加逐漸升高，在12h時(shí)達(dá)到最大，且日本晴明顯高于浙輻802。Al處理下水稻根尖硝酸還原酶(NR)活性顯著增加，而一

6、氧化氮合酶(NOS)活性在Al處理前后無(wú)差異，暗示NR可能起調(diào)節(jié)鋁毒下水稻根尖NO的釋放作用。與Al處理相比，Al+SNP處理下日本晴和浙輻802的根相對(duì)伸長(zhǎng)率分別提高32.3％和91.7％，根尖Al含量分別降低68.6％和60.9％，細(xì)胞壁Al含量分別降低39.4％和44.3％，表明外源NO作用可減少Al在根尖及細(xì)胞壁的積累。外源NO使Al下水稻幼苗根尖細(xì)胞壁多糖（果膠、半纖維素1、半纖維素2）含量及根尖果膠甲酯化酶(PME)活性下降

7、，鋁吸附-解吸實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明反映NO顯著降低細(xì)胞壁對(duì)Al的吸附及固定，這些變化在浙輻802上較日本晴表現(xiàn)的更為顯著，且外源NO的該種作用可以被75μmol·L-1 NO清除劑(carboxy-PTIO，cPTIO)和5μmol·L-1 NO內(nèi)源抑制劑(NaN3)逆轉(zhuǎn)?？梢?jiàn)，外源NO通過(guò)調(diào)節(jié)根尖細(xì)胞壁組分含量以減少Al在細(xì)胞壁積累，進(jìn)而有效降低Al對(duì)根尖的傷害。
　　(3)以水稻品種浙輻802為材料，采用外源NO、NOS和NR抑制劑

8、，探究鋁毒下水稻根尖NO的產(chǎn)生途徑。結(jié)果表明50μmol·L-1 Al能顯著抑制水稻根系伸長(zhǎng)，增加根尖Al含量，提高NR活性，引起根尖NO釋放。而NR抑制劑在2μmol·L-1Na2WO4和5μmol·L-1 NaN3預(yù)處理加劇Al對(duì)水稻根系伸長(zhǎng)的抑制，促使根尖Al含量顯著增加，抑制根尖NR活性，減少NO釋放，且100μmol·L-1 SNP預(yù)處理能逆轉(zhuǎn)這一過(guò)程，而NOS抑制劑L-NAA、L-NAME對(duì)NOS活性和NO含量影響不大。以上

9、結(jié)果表明NR是鋁脅迫下水稻根尖內(nèi)源NO產(chǎn)生的主要途徑。
　　(4)以水稻品種敏感品種浙輻802和耐鋁品種日本晴為材料，采用水培法研究鋁毒下外源NO對(duì)幼苗根系生長(zhǎng)、活性氧產(chǎn)生的影響，探討外源NO調(diào)節(jié)活性氧以提高水稻耐鋁性的機(jī)制。結(jié)果表明，50μmol·L-1 Al能顯著抑制水稻根系生長(zhǎng)，促使根失Al、過(guò)氧化氫(H2O2)和超氧陰離子自由基(O2-(·))含量顯著增加，在浙輻802上比日本晴更為明顯。而100μmol·L-1 SNP預(yù)

10、處理能使鋁毒下水稻幼苗浙輻802和日本晴根相對(duì)伸長(zhǎng)率增加91.7％和32.3％，根尖Al下降68.6％和60.9％、H2O2降低15.4％和16.9％、O2-含量降低12.9％和22.9％，表明NO可部分緩解Al毒害，且這種作用與調(diào)節(jié)ROS有關(guān)。外源NO同時(shí)使鋁脅迫下浙輻802上比日本晴根尖NO含量顯著增加，使NR活性明顯下降但對(duì)NOS活性無(wú)影響，且外源NO的該種作用可以被75μmol·L-1 NO清除劑cPTIO和5μmol·L-1內(nèi)