pH与铝对蚕豆根尖细胞有丝分裂的交互作用.pdf

2 0 1 2年 5月 第 3 5卷第 3期 四川师范大学学报(自然科学版 ) 1 o u r n a l o f S i c h u a n No 1 ma t U n i v e r s i t y ( Na t u r a l S c i e n c e) Ma y， 201 2 V() 【 3 5 No 3 p H与铝对蚕豆根尖细胞有丝分裂的交互作用 王 煜 一， 王亚 男 ， 张 ( 1 【 =q 川9 币 范 大学 生命利 学学院 ，四川 成都 6 1 0 1 0 1 红 ， 吴腾 ， 马丹炜 2 叫J I I 师范 大学 细胞生物学研究室 ，四J I l 成都 6 1 0 1 0 1 ) 摘要 ： 以蚕豆根尖为材料 ， 运用微核技 术研 究了不同 p H下 ， A 1 ( S 0 ) 溶液对细胞 有丝分 裂及微 核形 成 的影 响 结果表明 ： 二者共 同作用会使 细胞结 构产生明显改变 ， 诱发染 色体异常与核 固缩 微 核率上升 当 p H一定时， 细胞有丝分裂指数( MI ) 与微核率( M N F ) 均随 A l 浓度增大呈先增后减趋势 ， MI 在 A 】 浓度为 l O 或 2 0 m g L ( 仅 p H= 8 5时) 处达最大 ； MN F在 A l 浓度 1 0或 2 0 m s L ( 仅 p H= 7 0时 ) 处达到最大 当 浓 度不变时， MI 随 p H的升高呈先增后减趋势 ， 在 p H 7 0处达最大； MN F在无铝和 A l 浓度为 1 0 m g L组中的 最低值出现于 p i t 7 0处， 但在高铝组中变化不大 p H与 A 1 均可对细胞产生显著的遗传损伤， 二者的交互作 用主要表现为遗传损伤的叠加 提高 p H可缓解铝毒效应， 但不能使之完全消除 关键词 ： A 1 2 ( S 0 ) ； p H； 有丝分裂指数 ( MI ) ； 微核率 ( MN F ) ； 交互作用 中图分 类号 ： Q 9 4 5 7 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： l O 0 1 8 3 9 5 ( 2 0 1 2 ) 0 30 4 0 0 0 5 d o i ： l O 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 8 3 9 5 2 0 1 2 0 3 0 2 5 以铝硅酸盐形式为主的铝元素在 自然状态下 多以化合 态存在于岩石或矿石 内， 很难被 生物利 用 但 在 p H 5 5 的 酸 性 土 壤 中， 可 溶 解 出 A 1 ( O H) “ 、 A 1 ( O H) 、 A 1 “ 等 多种 形 式 的 活 性 铝H。 ， 对大多数植物产 生毒 害， 引发 细胞结构和 功能的损伤， 阻碍根系生长， 降低作物产量 据 估计 ， 目前地球 上酸性土壤 的面积达 陆地面积 的 4 0 以上 ， 并呈逐年加剧趋 势 随着 土壤 p H 的下 降 ， 其 A l “浓度急剧上升， 并 由此导致 A l 对植物的 危害性显著增加 _ 6 。J 近几十年来 ， 铝毒机制 的研 究已经成为众多学者关注的热点 ， 但 p H对细 胞的作用效果未得到重视 ， p H与 A l 对植物细胞 的 交互作用报道更少 为了深入认识酸碱度 一A l 浓度 一 遗传毒性之间的关系， 评估 p H在酸铝毒害 中的 作用， 本研究 以蚕豆根尖细胞为材料 ， 利用微核技 术 ， 分析 p H和 A l 对蚕豆根尖细胞有丝分 裂指数 ( M i t o s i s I n d e x ， MI ) 和微核率( Mi c r o n u c l e u s F r e q u e n c y ， MN F ) 的影响 ， 探讨 p H与 A l 的复合污染对植物 细胞的遗传损伤效应 ， 为进一步 阐明铝毒机制 以及 筛选耐铝作物提供 了一定的理论依据 1 材料与方法 1 1 材料受试植物蚕豆( V i c i a f a b a L ) ( 成胡 l 4 #) 购于成都市种子市场 1 2 方法A l ： ( S O ) 1 8 H 0( A R级) 用蒸馏水 配制成 1 0、 2 0、 4 0 、 8 0 mg L4个不同浓度， 并将上述 染毒液的 p H值均调至3 5 、 4 5、 5 5 、 7 0和8 5 以 蒸馏水为对照 ( C K， p H 6 6 ) 选取颗粒饱满 、 大小均一的蚕豆种子用 自来水 洗净， 0 4 K Mn O 水溶液浸泡消毒 81 0 ra i n ， 蒸 馏水洗净 再用蒸馏水浸泡 2 4 h ， 将 吸涨 的蚕豆种 子用湿纱布覆 盖， 2 5下恒温暗培养 ， 待根长为 1 1 5 c m时， 选取长势 良好 的种子 ， 置培养皿 中在 不同的染毒液中处理 2 4 h ， 蒸馏水恢复培养 2 4 h 其问每 6 8 h换液 1次 切取根尖 5 mm左右， 加 C a r n o y s固定液固定 2 4 h 固定好的根尖依次过 9 5 乙醇和蒸馏水 ， 最 后放人 7 0 的乙醇在 4 o c 下保存备用 S c h i ff试剂 染色 ， 常规压片镜检 ” 州 每组处理至少统计 5个 根尖 ， 每个根尖观察约 l 0 0 0个细胞 ， 3次重 复 对 观察的细胞总数， 发生有丝分裂的细胞数及微核数 进行统 计 ， 计 算其 有 丝分 裂指 数 ( M1 ) 和微 核 率 ( MN F ) MI 用根尖 中分裂相细胞 占观察 细胞总数 的百分率表示 ； MN F用根尖中观察细胞中出现微核 的千分率表示 收稿 期 ： 2 0 1 20 1 0 4 壤金项 目： 四川教育厅 自然科学青年恭 金( O 8 z B O 2 0 ) 资助项 目 联 系作 者简介 ： 马丹炜 ( 1 9 6 3 一 ) ， 女 ， 教授 ， 主要从事细胞生物学和植物化感作用的研究 4 0 2 叫川师范大学学报f自然科学版 ) 表 l p H 与 A I 浓度对蚕豆根尖细胞 有 丝分裂指数 ( MI ) 与微核 率( MN F) 的影响 T a b l e l E f f e c t o f p H a n d A I c o n c e n t r a t i o n s o n mi t o t i c i n d e x ( MI ) a n d mi c r o n u c | e u s f e q u e n c y ( MN F)o f r o o t t i p c e l l s i n V i c i a 如b a L 注 ： A 1 处理组与蒸馏水组间比较 ： a ， P 0 0 5 ； A 1 处理组 与无 A l 组问比较 ： b ， P 0 0 5 后则显著低于无铝组 这种规律在不同的 p H条件 下均类似 ， 只有两个例外 ： p H 3 5 ， A 1 浓度 2 0 mg L 组的 M I与无铝组差异不显著 ； p H 7 0 ， A l 浓 度 2 0 m JL组的 MI 显著低 于无铝组 另外， p H 7 0的各 组 MI 均显著高于 C K组 ， 可能是由于所用蒸馏水 的 p H值为6 6 ， 呈弱酸性之故 ； 当 p H为 8 5时 ， 同 样表现 出相似 的规律 ， 只是 M I的峰值 ( 2 8 60 2 1 ) 出现在 A 1 浓度 2 0 m L处， 然后随 A l 浓度增 加 而降低 这种峰值 的偏差 可能是 由于碱性条 件 下 ， A l 在溶液中的化学形态及组成发生了变化 ， 毒 害效应也随之改变 与上述相同， 蚕豆根尖细胞 的 MN F也 明显受 染毒液中 A l 浓度和 p H的影H 向， 在本 实验条 件下 ， M N F呈先 增加后 降低 的趋 势 当 p H 为 7 0时 ， MN F在 A l浓 度 2 0 m g L处 达 到 最 大 ， 但 升 至 8 0 mg L 后则与 C K组 、 无铝组 的差异不显著， 这可 能是 由于高浓度的 A l 对有丝分裂活动有严重的抑 制作用 在碱性和酸性 条件下 ， MN F最高值不是 出 现在 A l 浓度为 2 0 mg L处 ， 而是在 1 0 mg L处 ， 且 与 C K组和无铝组差异均为显著 在 A 1 浓度相同条件下 ， p H=7 0时蚕豆根尖 细胞的 MI 最大 ， 而后随 p H逐渐变小 而降低 ， 在一 定的范围 内二者呈正相关 在 A l 浓 度为 2 0 mg L 及以下时 ， 酸性或碱性条件都会使 MN F上升 说 明 在此浓度范围内， 酸碱性的变化对蚕豆根尖细胞 产 生了一定的遗传毒害作用 3 讨论 3 1 p H 与 A l 对蚕 豆根尖细胞 的致畸效应 在 p H与 A l 的作用下， 出现染色体断片 、 染色体环 、 落 后染色体 、 染色体桥 、 染色体粘连 、 多极分裂 、 核 固 缩及微核率增加 等异 常现象 ， 一方 面可能是 由于 A l 直接作用于 D N A分子， 造成 D N A断裂损伤 ， 形 成染色体断片； 另一方面可能是 A l “干扰 了蛋白质 的合成或 R N A的转录 ， 结果使 与染 色体运动有关 的物质与结构不能形成 ， 由此形成落后染 色体 此 外 ， A l 也可通过干扰 D N A损伤的正常修复过程， 阻止染色体在正常情况下的构建 ， 由染色体粘连并 重新连接 ， 出现染色体桥或环 H 可能影响 了细胞 内微管蛋 白的组装， 协同 A l 破坏了纺锤丝的功能 或阻碍其形成， 使 染色体不能 同时到达赤道面 ， 导 致落后染色体等染色体畸变现象_ 1 一般认 为， 微 核的形成途径有两条 ： 一是 由前一分裂周期 G ， 期 后产生的染色体断片在分 裂过程 中不能与正常染 色体协 同活动 ， 在进人间期 时， 被排斥于核外而形 成； 二是由各种形式的落后染色体 、 未及中板集合 染色体以及染色体的分组造成的 核固缩则意味着 D N A停止复制， 无法进行有丝分裂 ， 因此这些 细胞 很有可能是损伤严重的早期凋亡细胞 3 2 p H 与 A l 对蚕豆根尖细胞 交互作用的机理 偏酸或偏碱均可抑制蚕豆根尖细胞有丝分裂， 导致 遗传损伤加剧 这一结论与多数研究相符_ l7 1 其 原因可能是 由于 H 或 O H一 显著改 变了细胞 质膜 第 3期 王煜， 等： p H与铝对蚕豆根尖细胞有丝分裂的交互作用 的通透性 ， 降低保 护酶活力 ， 使 自由基在细 胞 内积 累， 抑 制 了 植 物 的 正 常 生 长 引但 也 有 人 认 为 ： 一定范围的酸度对植物生长的影响不大 ， 这应当与不同物种本身对 酸性环境 的适应 能力及 实验对照组的选择有关 A l 处理对 细胞 有丝分裂表现 出“ 低促高抑 ” ， 与钱晓薇 钊的研究 结果一致 低剂量的 A l 可能在 进入细胞后取代 了信号转 导通路 中的 C a + _ ， 与 信号蛋 白结合 ， 从 而开启 了相关基 因的表达 ， 使各 种酶类的活性及表达量有所提高 卜 j 与此 同时， D N A的合成启动， 更 多的细胞进入 细胞周期运行 这是细胞应对 逆境的一种应急 响应方式 J ， 通过 增强细胞活性 ， 增加细胞数 目的方式来应对这种环 境 的压力 随着 A l 浓度的增加及处理时间的延长 ， 细胞内 A l 的浓度越来越高 ， 对 细胞 的破坏越来越 大 ， 最后超越 了细胞的 自我修 复能力 ， 从而导致细 胞结构出现异常 染色体畸变 ， 微核数量 的增加 ， 核 固缩等均可使正常分裂的细胞数 目减少 ， 根的伸长 受到抑制 虽然 也有人持不 同观点 ， 认 为低 浓度的 A l 会对植物细胞有丝分裂活动产 生抑制 卜 ， 但 由 于不 同实验 室所用 蒸馏水 的 p H值不 同 ( 大多 为 p H 5 5 7 0 ) ， 若未测定蒸馏水对照的 p H值 ， 则很 可能因此导致对实验结果的判断出现差异 当 p H与 A l 二者共同作用于蚕豆根尖细胞时 ， 其相互作用关系十分复杂， 且至今 未见报道 总的 看来 ， p H与 A l 对细胞 的遗传毒性在一定范围内呈 叠加效应， 但并非是对应的 MI 或 M N F值 的简单相 加 这种叠加效应产生 的原 因可能包括 ： 1 )p H与 A I 单独作用时均会产生显著的遗传损伤； 2 )p H显 著影响了 A l 的存在形态及其组成 ， 从而改变铝 毒的种类及强 度 ； 3 )H 或 O H一 改 变了细胞质 膜的通透性 ， 从而使 自由态 A l ( 主要是毒性很强 的 A l ”) 更容易被细胞摄取 另外， 细胞外酸度的增 加也提高了质膜对 H 的透性 ， 从而降低细胞 内的 p H值 ， 其 结果是细胞 内 A l 浓度显著升高， 加强 了 A 1 与细胞内配位基 的竞争能力 最后 ， 细胞 内 配位基的结构和结合 常数 也可能 同时受到 H 影 响 ， 最终表现为更多的 A l 取代 了原本 C a “ 、 Mg 的结合位点 ， 改变 了蛋 白质的结构及性质 ， 导致铝 毒效应增强 研究发现 ， 通过改变溶液 p H的方法确实可使 酸铝毒害降低 ， 但并不能完全 消除 其原 因可能主 要有两方面： 一是 H 毒害的消除 ； 二是 p H的升高 改变了 A l 的存在状态 和组成 虽然在碱性环境中 A l 遗传毒性的强度远不及酸性环境 ， 但它在碱性环 境 中同样存在 这可能与 O H一 能损伤质膜 ， 增加膜 透性并能形成 比 A I “毒性更 强的多核羟基 A I ， 聚 合物等有关 致谢四川师范大学校级青年基金 项 目对本 文给予了资助 ， 谨致谢意 参考文献 1 黄衍初， 曲长菱土壤中铝的溶出及形态研究 J 环境科学， 1 9 9 6 ， 1 7 ( 1 ) ： 5 7 5 9 2 任继鹏 ， 张逸， 钱诚， 等南方酸性森林土壤中铝的形态分布与活化机理 J 环境化学 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 6 ) ： 1 1 3 11 1 3 5 3 K o p i t t k e P M， B l a me y F P C， Me n z i e s N WT o x i e i t i e s o f s o l u b l e A 1 ， C u ， a n d L a i n c l u d e r u p t u r e s t o r h i z o d e r m a l a n d r o o t c o r t i c a l c e l l s o f e o w p e a J P l a n t S o i l ， 2 0 0 8 ， 3 0 3 ： 2 1 72 2 7 4 C a o Y P， L o u Y X， H a n Y Y A 1 t o x i c i t y l e a d s t O e n h a n c e d c e l l d i v i s i o n a n d c h a n g e d p h o t o s y n t h e s i s i n O r ) a r u fi p o g o n L J Mo l Bi o l Re p， 2 01 i， 38： 48 3 9 4 8 46 5 T o n g G H E f f e c t o f a c i d r a i na c i d i fi e d s o i l o n s o me n u t H e n t m e t a b o l i s m s o f w h e a t s e e d l i n g s J C h i n J A p p l E n v i r o n B i o l ， 2 0 0 5， 1 1 ( 3 ) ： 2 7 9 2 8 2 6 陈娜， 王秀荣， 严小龙， 等酸性土壤上缺磷和铝毒对大豆生长的交互作用 J 应用生态学报 ， 2 0 1 0 ， 2 1 ( 5 ) ： 1 3 0 1 1 3 0 7 7 秦海峰， 仪慧兰模拟酸雨及 A r 共同作用对蚕豆根尖细胞的遗传损伤 J 应用与环境生物学报， 2 0 0 7 ， 1 3 ( 6 ) ：7 9 9 8 0 2 8 李红孩， 王变珍 ， 仪慧兰铝对蚕豆根尖细胞的遗传损伤 J 生态环境， 2 0 0 6 ， 1 5 ( 6 ) ： 1 2 4 61 2 4 9 9 李荣峰， 蔡妙珍 ， 刘鹏， 等大豆边缘细胞对铝毒的生理生态响应 J 生态学报， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 1 0 ) ： 4 1 8 2- 4 1 9 0 1 0 俞慧娜， 刘鹏， 徐根娣F T I R结合热重( 差热) 技术对红壤地区大豆铝毒害的鉴定 J 光谱学与光谱分析， 2 0 0 8， 2 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刘厚田酸度和铝对马尾松生长的影响 J 植物学报， 1 9 9 5， 3 7 ( 2 ) ： 1 5 41 5 8 刘拥海， 俞乐， 吴国创不同 p H值条件下酸铝对水稻种子萌发和根系生长的影响 J 安徽农业科学， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 1 ) ： 43 9 743 98 李荣峰， 蔡妙珍， 刘鹏 ， 等A l 对大豆根边缘细胞程序性死亡诱导的生理生态作用 J 植物生态学报 ， 2 0 0 8 ， 3 2 ( 3 ) ： 69 069 7 张凌， 韩善华， 王亚男 ， 等c d 2 对玉米根抗氧化酶活性和丙二醛含量的影响 J 四J I I 师范大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 9 ， 3 2 ( 3 ) ： 3 5 1 3 5 3 张苗苗， 韩善华， 王亚男， 等 硒对蚕豆胚根抗氧化酶系统的影响 J 四川师范大学学报： 自 然科学版， 2 0 1 0 ， 3 3 ( 2 ) ： 2 3 9 2 4 2 胡琬君 ， 马丹炜 ， 王亚男， 等土荆芥挥发油对蚕豆根尖细胞的化感潜力 J 生态学报， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 1 3 ) ： 3 6 8 43 6 9 0 W a n g C Y，B i S PAd v a n c e me n t o f s t u d i e s o n t h e f o r ma t i o n o f p o l y n u e l e a r h y d r o x y l a l u mi n u m s p e c i e s a n d t h e i r t r a n s f o rm a t i o n l a w s i n a q u e o u s s y s t e m s a n d s o i l s o l u t i o n s ： A r e v i e w C A C S S y m p S e r Wa s h i n g t o n D C： A m C h e m S o c ， 2 0 0 2 ， 8 2 2 ： 2 4 6 2 5 8 H u n t e r D，R o s s D S E v i d e n c e f o r a p h y t o t o x i c h y d r o x ya l u mi n u m p o l y m e r i n o r g a n i c s o i l J S c i e n c e ， 1 9 9 1 ， 2 5 1 ： 1 0 5 61 0 58 Yan F，F e u e r l e R，S e h a ff e r S，e t a 1 Ad a p t i o n o f a c t i v e p r o t o n p u mp i n g a n d p l a s ma l e mma AT P a s e a c t i v i t y o f c o r n r o o t s t o l o w r o o t m e d i u m p H J P l a n t P h y s i o l ， 1 9 9 8 ， 1 1 7 ： 3 1 1 3 1 9 Ef f e c t o f I n t e r a c t i o n o f p H a n d Al u mi n u m o n t h e Mi t o s i s o f Ro o t Ti p Ce l l s i n V i c i a b a L WANG Yu ， WANG Ya n a n ，ZHANG Ho n g ，W U Te n g ，MA Da n we i ， ( 1 C o l l e g e o fL S c i e n c e ， S i c h u a n N o r ma l U n i v e r s i ty ，C h e n g d u 6 1 0 1 0 1 ， S i c h u a n ； 2 C e l l B i o l o g y L a b o r a t o r y ，S ic h u a n N o r ma l U n i v e r s i t y ，C h e n g d u 6 1 0 1 0 1 ， S i c h u a n ) Ab s t r a c t ： T h e e f f e e t o f alu mi n u m s u l p h a t e s o l u t i o n s o n t h e mi t o s i s a n d mi c r o n u c l e u s u n d e r d i f f e r e n t p H w a s s t u d i e d u s i n g 6 r o o t t i p mi c r o n u c l e u s a s s a y s T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t p H a n d a l u mi n u m i n d u c e d c h r o mo s o ma l a b n o r ma l i t i e s a n d n u c l e a r s o l i d s h r i n k a g e ， a n d i n c r e a s e d t h e c e l l mi e r o n u e l e u s Wh e n p H w a s i n v a r i a n t ， t h e c e i l s mi t o s i s i n d e x( MI )a n d m i c r o n u c l e u s f r e q u e fl c y( MN F ) i n c r e a s e d fi r s t a n d t h e n d e c r e a s e d w i t h A1 c o n c e n t r a t i o n i n c r e a s i n g ，a n d M1 w a s t h e