1、酸性土壤中的鋁毒害抑制植物生長,降低作物品質(zhì)和產(chǎn)量。因此對植物耐鋁脅迫機理的研究具有重要意義。本文以不同耐鋁型小麥品種ET8(耐鋁型)和ES8(鋁敏感型)為試驗材料,對兩品種耐鋁差異進行了比較研究。通過對鋁脅迫下不同耐鋁型小麥品種根尖細(xì)胞影響細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的物質(zhì)代謝的研究,闡明了不同耐鋁型小麥品種根生長差異機理。通過對鋁脅迫下不同耐鋁型小麥品種活性氧代謝系統(tǒng)的研究,闡明了不同耐鋁型小麥品種耐鋁脅迫差異機理。通過對鋁脅迫下不同耐鋁型小麥品種根

2、尖細(xì)胞質(zhì)膜H+-ATPase的研究,闡明了不同耐鋁型小麥品種改變根際pH值能力差異機理。此外,通過對植物激素在鋁脅迫下不同耐鋁型小麥品種蘋果酸分泌中作用的研究,揭示了鋁激活蘋果酸分泌機理。最后,通過對鋁脅迫下不同耐鋁型小麥品種根尖細(xì)胞有機酸代謝的研究,闡明了不同耐鋁型小麥品種蘋果酸分泌差異機理。結(jié)果概述如下:
　　 1.鋁脅迫下不同耐鋁型小麥品種根生長差異機理隨著鋁處理濃度的升高及處理時間的延長,ET8和ES8根相對伸長率及根尖

3、細(xì)胞相對長度均顯著降低,兩者呈極顯著正相關(guān)(R2=0.866**)。50μmol/L鋁脅迫24h后,ET8和ES8根尖伸長區(qū)皮層細(xì)胞變扁平,細(xì)胞間隙變小,細(xì)胞壁褶皺,并呈齒輪狀交合,ET8細(xì)胞核解體,高爾基體、線粒體依然完整,但是線粒體出現(xiàn)腫脹,且初生壁內(nèi)出現(xiàn)多層次生壁,ES8細(xì)胞內(nèi)含物消失,次生壁生長量更大,細(xì)胞壁明顯變厚,ES8細(xì)胞受傷害程度較ET8顯著。鋁脅迫下ET8和ES8根尖細(xì)胞木質(zhì)素、H2O2及胼胝質(zhì)含量上升,纖維素含量下降

4、,苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂醇脫氫酶(CAD)和過氧化物酶(POD)活性升高,胼胝質(zhì)酶和纖維素酶活性降低,相同處理條件下ES8變化顯著大于ET8。根相對伸長率與胼胝質(zhì)、H2O2和纖維素含量間均具有極顯著的相關(guān)性(R2=0.958**,R2=0.8806**,R2=0.9182**)。綜上所述,鋁脅迫下ES8根尖細(xì)胞結(jié)構(gòu)受破壞程度較ET8顯著,且由于ES8根尖細(xì)胞影響細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的物質(zhì)代謝酶活性的變化顯著大于ET8,并造成這些物質(zhì)變化也

5、顯著大于ET8,從而導(dǎo)致細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)定,降低了細(xì)胞壁延展性,進而導(dǎo)致細(xì)胞伸長顯著小于ET8,最終導(dǎo)致鋁脅迫下兩不同耐型小麥品種根生長差異。
　　 2.鋁脅迫下不同耐鋁型小麥品種活性氧代謝差異及與小麥耐鋁差異關(guān)系隨著鋁處理濃度的升高,ET8和ES8根尖O2·-產(chǎn)生速率和H2O2含量隨之顯著升高,根尖活性氧代謝酶,如超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、過氧化氫酶(CAT)及谷胱甘肽還原

6、酶(GR)等酶活性也均顯著升高,ET8根尖活性氧累積量顯著低于ES8,且抗氧化酶效率顯著高于ES8。對O2·-和H2O2的組織化學(xué)定位研究表明,兩者主要累積于根尖分生區(qū)及伸長區(qū),而且ET8根尖活性氧累積量顯著低于ES8。ET8和ES8根尖細(xì)胞丙二醛(MDA)含量顯著升高,質(zhì)膜透性隨著MDA含量的升高而增加。對質(zhì)膜完整性的組織化學(xué)染色表明,質(zhì)膜受破壞的細(xì)胞在根尖的部位及受破壞程度與O2·-和H2O2累積部位、累積量相吻合。綜上所述,鋁脅迫

7、下不同耐鋁型小麥品種活性氧清除酶系統(tǒng)效率顯著差異是耐鋁差異機理之一。
　　 3.鋁脅迫下不同耐鋁型小麥品種根尖細(xì)胞質(zhì)膜H+-ATPase調(diào)節(jié)的根際pH值差異與耐鋁差異關(guān)系ET8和ES8根際pH值隨培養(yǎng)時間的延長及鋁濃度的降低而顯著升高,相同處理條件下ET8根際pH值顯著高于ES8,根際pH值與根尖鋁含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(R2=0.9321**)關(guān)系,與根相對伸長率呈極顯著正相關(guān)(R2=0.9209**)關(guān)系。H+-ATPase專一

8、性抑制劑DCCD(25μmol/L)處理顯著抑制根際。pH值的上升。根尖細(xì)胞質(zhì)膜H+-ATPase活性隨鋁處理濃度的升高而顯著降低,100μmol/LAl處理24h ET8和ES8根尖細(xì)胞質(zhì)膜H+-ATPase活性分別為各自無鋁處理的69.8％和60.0％,相同處理條件下,ET8根尖細(xì)胞質(zhì)膜H+-ATPase相對活性顯著高于ES8。細(xì)胞質(zhì)膜H+-ATPase相對活性與根際pH值呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.8319**)。綜上所述,由于

9、鋁脅迫下耐鋁型小麥品種ET8根尖細(xì)胞能夠吸收根際H+的質(zhì)膜H+-ATPase活性顯著高于鋁敏感型小麥品種ES8,因此其根際pH值也顯著高于ES8,從而降低了根際活性鋁含量,減少了鋁在根尖細(xì)胞的累積,減輕了鋁的毒害作用,鋁脅迫下不同耐鋁型小麥品種顯著的質(zhì)膜H+-ATPase活性差異導(dǎo)致的根際pH值差異也是不同耐鋁型小麥品種耐鋁差異機理之一。
　　 4.植物激素對鋁脅迫下不同耐鋁型小麥品種蘋果酸分泌的影響1)與對照處理相比,無鋁條件

10、下,不同濃度的ABA、GA和Laa處理對小麥4d幼苗及20 d大苗的蘋果酸分泌均無顯著影響；與鋁單獨處理相比,鋁存在條件下,ABA或GA處理對小麥根蘋果酸的分泌也無顯著影響,但IAA(50,100μmol/L)處理,ET8蘋果酸分泌速率顯著升高,ES8蘋果酸分泌速率無顯著變化,說明外源ABA和GA對鋁脅迫下ET8和ES8蘋果酸分泌無顯著影響,但IAA可以增加ET8蘋果酸的分泌；2)當(dāng)ET8和ES8經(jīng)鋁預(yù)處理3 h后,無鋁條件下,再經(jīng)不同

11、濃度IAA處理,ET8蘋果酸分泌速率隨IAA濃度的升高而顯著升高,ES8蘋果酸分泌速率卻無顯著變化；ET8和ES8經(jīng)0或50μmol/L IAA處理3 h后,無IAA條件下,再經(jīng)鋁處理,經(jīng)LAA預(yù)處理過的ET8根蘋果酸分泌速率顯著高于無IAA預(yù)處理根的蘋果酸分泌速率,但ES8根經(jīng)IAA預(yù)處理與否,蘋果酸分泌速率均無顯著變化,進一步說明外源IAA可增加鋁脅迫下ET8蘋果酸的分泌；3)鋁脅迫顯著促進ET8和ES8根尖內(nèi)源ABA及IAA含量的

12、升高,但降低GA含量；IAA分解代謝酶,IAAoxidase相對活性則隨鋁處理濃度的升高而顯著降低；相同處理條件下ET8根內(nèi)源IAA含量顯著高于ES8,IAA oxidase活性顯著低于ES8,說明IAA oxidase活性差異與內(nèi)源IAA含量差異有關(guān)；根蘋果酸分泌速率同內(nèi)源IAA含量間顯著相關(guān)性(R2=0.8532**)表明IAA參與調(diào)節(jié)鋁脅迫下小麥根蘋果酸的分泌；4)分根處理條件下,ET8植株兩側(cè)根系(part A和part B)分

13、別經(jīng)O和50μmol/L鋁處理后,0μmol/L鋁處理一側(cè)未檢測到轉(zhuǎn)運自鋁處理一側(cè)的鋁,但該側(cè)根蘋果酸分泌速率及內(nèi)源IAA含量均顯著高于植株兩側(cè)均為0μmol/L鋁處理(part A,0μmol/L和part B,0μmol/L,)條件下的根蘋果酸分泌速率及內(nèi)源IAA含量,表明鋁不必直接與根接觸即可誘導(dǎo)蘋果酸分泌速率和內(nèi)源IAA含量同時升高,說明LAA參與蘋果酸分泌；ET8植株兩側(cè)分別經(jīng)part A(0μmol/L)和part B(50

14、μmol/L Al+50μmol/L IAA)處理后,part A根系蘋果酸分泌速率顯著高于part A(1μmol/L)和part B(50μmol/L Al)處理中partA的蘋果酸分泌速率,該結(jié)果更加說明IAA參與調(diào)節(jié)鋁脅迫下小麥根蘋果酸的分泌；5)同鋁單獨處理相比,IAA和鋁共處理可顯著減少鋁在ET8根尖的累積,但對ES8無顯著影響；6)IAA極性運輸抑制劑NPA或TIBA可以顯著抑制鋁脅迫下ET8和ES8根蘋果酸的分泌,有力說

15、明IAA參與調(diào)節(jié)鋁脅迫下小麥根蘋果酸的分泌；7)外源LAA處理可以顯著抑制陰離子通道抑制劑對鋁脅迫下ET8和ES8根蘋果酸分泌的抑制作用,表明IAA可能通過調(diào)節(jié)陰離子通道參與鋁脅迫下小麥根蘋果酸的分泌；8)IAA和鋁共處理,ET8根尖細(xì)胞ALMT1表達量顯著升高。綜上所述,雖然外源ABA和GA對小麥根蘋果酸的分泌無顯著影響,但IAA在Al存在條件下,能夠通過調(diào)節(jié)陰離子通道參與鋁脅迫下小麥分泌蘋果酸,IAA對不同耐鋁型小麥品種蘋果酸分泌調(diào)

16、節(jié)作用的差異也是不同耐鋁型小麥品種蘋果酸分泌差異機理之一。
　　 5.鋁脅迫下不同耐鋁型小麥品種有機酸代謝與蘋果酸分泌差異的關(guān)系不同濃度鋁處理下ET8和ES8根尖細(xì)胞內(nèi)源蘋果酸含量均無顯著變化,相同處理條件下ET8和ES8間內(nèi)源蘋果酸含量亦無顯著差異,分別為0.48,0.46,0.57,0.52 nmolroot apex-1和0.45,0.51,0.51,0.54 nmol root apex-1；同無鋁處理相比,50或100