（发育生物学专业论文）海莲和秋茄幼苗对alcl3的生理学适应.pdf

厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ： 乃殉 矽印年f 月弓e l 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 i 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( “ ( 请在以上相应括号内打“”) 作者签名：马砷 日期：力呷年p 月日 聊躲矽瞄渤肌矿湖声 海莲和秋茄幼苗对a i c l 3 的生理学适应 摘要 应用植物生理生化分析方法和i c p m s ( 电感耦联等离子体质谱) 技术，对红 树植物海莲( b r u g i e r as e x a n g u l a ) 和秋茄( k a n d e i 肠c a n d e l ) ，在不同浓度a i c l 3 处理下的生理适应特性进行研究，主要实验结果如下： 1 a i c i 。处理对海莲幼苗保护酶系统及脯氨酸含量的影响 海莲幼苗能耐受5 0 m m o l la i c l 。处理，具有较高的耐铝性。但在5 0 m m o l l a i c i 。处理时，海莲幼苗叶片和根系的m d a 含量增加，质膜系统膜脂过氧化加重， 细胞活性氧伤害严重。在保护酶系统中，a i c i 。处理促进了叶片中a p x 和p o d 活性 的提高，降低了c a t 的活性，s o d 的活性呈下降趋势；海莲根部p o d 和s o d 活性均显 著提高，而c a t 活性下降。2 5 - - 一5 0 m m o l la i c i 。处理下，海莲叶片和根部可溶性 蛋白质含量均显著下降；p r o 的含量在叶片和根均有显著增加。 2 a i c i 。处理对海莲幼苗某些金属元素累积的影响 随培养液a i c i 。浓度的增加，海莲叶片、茎和根部对a l 的积累增加，其中根 组分增加尤为显著。a i c i 。处理下，海莲根部对n a 的吸收增强，但在叶和茎中的 变化不显著；l o m m o l l 的a i c i 。处理促进了根对k 的吸收：a 1 显著抑制了m n 和f e 在海莲中的积累；c u 和z n 的含量在海莲各器官中的变化不一致。此外，2 5 m m o l l 和5 0 m m o l la l c l 。处理的海莲幼苗根部对c a 的积累显著增加，有利于铝毒害的 缓解作用。 3 a i c i 。处理对秋茄幼苗的影响 对秋茄成熟胚轴栽种后立即进行最高浓度为1m m o l l 的a i c i 。处理，3 个月的 自然生长期内，秋茄幼苗的株高和鲜重均较对照变化不显著，但是根长受到显著 抑制。 对秋茄进行高浓度的a i c i 。处理，5 0 m m o l la i c i 。处理7 d 和2 5 m m o l la i c i 。 处理1 5 d 后，秋茄幼苗的生长受到显著的抑制，植株受伤害并最终坏死；l o m m o l l a i c i 。处理的秋茄幼苗则能正常生长。 2 5 和l o o m m o l la i c i 。分别处理秋茄一周，秋茄幼苗叶片m d a 含量均显著增 加，s o d 、p o d 活性在一定时间范围均显著增加，c a t 活性降低；l o o m m o l la 1 c 1 。 海莲和秋茄幼苗对a i c l 3 的生理学适应 处理对秋茄叶片的氧化损伤更为严重，净合效率显著降低。根部p o d 活性在2 5 和 1 0 0 m m o l la l c l 。处理下均显著增加，s o d 和c a t 活性在2 5 m m o l la i c i 。处理下显 著降低，1 0 0 m m o l la i c i 。处理下变化不显著；秋茄叶片和根部的脯氨酸含量均 显著增加。 关键词：海莲；秋茄；氯化铝 2 海莲和秋茄幼苗对a 1 c ! ，的生理学适应 a b s t r a c t b a s e do np l a n tp h y s i o l o g i c a la n dc h e m i s t r i c a la n a l y s i sa n di c p m st e c h n i q u e s ， t h e r e s e a r c ho nt h ee f f e c to fa 1 c 1 3t r e a t m e n to nt h ep h y s i o l o g i c a la d a p t a b i l i t yi nb r u g i e r a s e x a n g u l aa n dk a n d e lh 7c a n d e lo f r h i z o p h o r a c e a eh a sb e e ns u m m a r i z e da sf o l l o w ： 1 e f f e c to f a i c l 3t r e a t m e n to np r o t e c t i o ne n z y m es y s t e ma n dp r o l i n eo fb r u g i e r a s e x a n g u l as e e d l i n g s i no r d e rt od i s c u s st h ee f f e c to f a i c l 3t ob r u g i e r as e x a n g u l a , b a s e do n10 - - 5 0 m m o l la i c l 3 t r e a t m e n t ，t h ea c t i v i t yo fp o d 、c a t 、s o d 、a p xa n dt h ec o n t e n to f s o l u b l ep r o t e i n 、m d aa n d p r o l i n ei nl e a v e sa n dr o o t sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb r u g i e r as e x a n g u l a s e e d l i n g sc o u l dt o l e r a t e5 0 m m o l la i c l 3s t r e s s ，b u tt h ec o n t e n to fm d ai n c r e a s e d ，w h i c hs h o w e d t h a tt h em e m b r a n es y s t e ma n da c t i v eo x y g e nm e t a b o l i s mw e r ed a m a g e dd u et op e r o x i d a t i o n i n t h ep r o t e c t i o ne n z y m es y s t e m ，t h ea c t i v i t yo f a p xa n dp o di n c r e a s e dm a r k e d l yi nl e a v e s ，a n d c a td e c r e a s e d , s o da c t i v i t yd e c r e a s e d ；i nr o o t s ，a i c l 3t r e a t m e n ti n c r e a s e dt h ea c t i v i t yo fp o d a n ds o d ，b u td e c r e a s e dc a ta c t i v i t y u n d e r2 5 - 5 0 m m o l la 1 c 1 3t r e a t m e n t ，t h ec o n t e n to f p r o l i n ed e c r e a s e de v i d e n t l yb o t hi nl e a v e sa n dr o o t s ；t h ec o n t e n to fp r o l i n ei n c r e a s e di nl e a v e sa n d r o o t s 2 i m p a c to f a l c l 3o i la c c u m u l a t i o no fs e v e r a lm e t a le l e m e n t si nb r u g i e r as e x a n g u l a s e e d l i n g s u n d e ri n c r e a s i n go f a l c l 3c o n c e n t r a t i o n ，t h ea c c u m u l a t i o no f a lw a si n c r e a s e di nl e a v e s 、 s t e m sa n dr o o t s ，t h a ti nr o o t sw e r eo b v i o u s t h ea b s o r p t i o no fn aw a si n c r e a s e di nr o o t s ，b u tw i t h i n d i s t i n c t i v e l yc h a n g i n gi nl e a v e sa n ds t e m s ；10 m m o l la if a c i l i t a t et h ea b s o r p t i o no f k a 1 r e s t r a i n e dt h ea c c u m u l a t i o no fm n 、f e t h ec u 、z na c c u m u l a t i o nc h a n g e di n d i s t i n c t i v e l y t h e a c c u m u l a t i o no fc ai nr o o t sw a s o b v i o u s l yi n c r e a s e du n d e r2 5 m m o l la n d5 0 m m o l la i c l 3 s t r e s s ，w h i c hm a ym i t i g a t et h ec o n t a m i n a t eo fa 1 3 e f f e c to f a i c l 3t r e a t m e n to nk a d e l i ac a n d e ls e e d l i n g s lm m o l a 1 c 1 3w e r ep u to nt om a t u r eh y p o c o t y la ss o o na st h e yw e r ep l a n t e d ，a f t e rt h r e e m o n t hn a t u r a lg r o w t h ，t h eh e i g h ta n df r e s hw e i g h to f k a d e l i ac a n d e ls e e d l i n g sc h a n g e d i n d i s t i n c t i v e l y ，b u tt h ee l o n g a t i o no fr o o t sw e r er e s t r a i n e d a f t e ro n e - m o n t hn a t u r a lg r o w t h , h e a v ya i c l 3t r e a t m e n tt ok a d e l i ac a n d e ls e e d l i n g s ，a f t e r s e v e na n df i f t e e nd a y s ，t h eg r o w t ho fs e e d l i n g su n d e r5 0 m m o l la n d2 5 m m o l la i c l 3t r e a t m e n t s t o p p e d ，w h i c hw e r eh u na n df i n a l l yd e a d ；t h o s eu n d e r10 m m o l la 1 c 1 3t r e a t m e n tc o u l dg r o wi n t h ec o u r s eo fn a t u r e i no n ew e e ko f 2 5 m m o l la n dl o o m m o l la i c l 3t r e a t m e n tt ok a d e l i ac a n d e ls e e d l i n g s ， 3 海莲和秋茄幼苗对a i c l 3 的生理学适应 m d ai n c r e a s e di nl e a v e s ，a c t i v i t yo fs o da n dp o di n c r e a s e di nc e r t a i nt i m er a n g e ，c a ta c t i v i t y d e c r e a s e d 1o o m m o l la i c l 3m a d eo x y g e n a t i o nd a m a g eh e a v i e ra n dr e d u c e dt h ep h o t o s y n t h e s i s e f f i c i e n c y i nr o o t s ，p o da c t i v i t yi n c r e a s e du n d e r2 5 m m o l la n dlo o m m o l la 1 c 1 3t r e a t m e n t ， a c t i v i t yo fs o da n dc a tc h a n g e di n d i s t i n c t i v e l y t h ec o n t e n to fp r o l i n ei n c r e a s e de v i d e n t l yb o t h i nl e a v e sa n dr o o t s k e yw o r d s ：b r u g i e r as e x a n g u l a ；k a d e l i ac a n d e l ；a i c l 3 4 海莲和秋茄幼苗对a i c l 3 的生理学适应 1 前言 1 1 铝对植物毒害及抗铝作用机理 1 1 1 土壤中的铝及其形态 铝是自然界中丰度最高的金属元素，占地壳质量7 左右，自然条件下，它 主要以铝硅酸盐形式存在，生物可利用性很小n 1 。铝在土壤中的化学形态因环境 条件差异而不同，包括：难溶态铝、聚合态铝、有机络合态铝、无机铝化合物以 及无机离子态铝乜1 。其中，有机和无机铝复合物有：a 1 ( 0 h ) 。、a l ( 0 h ) _ 4 、硫酸铝 复合体、磷酸铝复合体、氧化铝复合体、有机酸铝等，以这几种形态存在的铝毒 性较小髓，3 1 ；另外，土壤中天然配位体如腐殖酸、多酚类也具有螯合铝的作用，这 些络合铝对生物的毒性很小h 1 。没有形成络合物的铝的存在形态与环境的p h 值 相关：当环境p h 值小于6 0 时，；铝以a 1 3 + 、a l ( o h ) 2 + 、a 1 ( o h ) 2 + 3 种无机离子态存 在，这3 种形态的铝对植物根系的毒害作用最大口“1 ；在碱性条件下，单体羟基铝 络离子发生聚合反应生成一系列聚合羟基形态，这些形态的铝对生物的毒性很 小：近年来研究表明：环境中存在的a l 。 a 10 4 a 1 。：( 0 h ) 。( h 。0 ) 1 2 7 + ) 是一种毒性很大 的铝聚合物口“1 。 土壤溶液中的铝，可经过水解、聚合、配合、沉淀和结晶等反应相互转化， 形成不同结构、性质和形态的铝。这些不同形态的铝对土壤酸度、表面电荷、酸 碱特性、离子交换性能、腐殖物质的形成和转化、土壤微团聚体的形成和性质等 方面起着重要的作用，而且不同形态铝能缓解h + 的作用，改善了土壤的缓冲性能， 有些形态的铝能专性吸附重金属离子，对植物营养元素、有毒污染物的转化归宿 以及森林、农作物和鱼类有重要影响乜一 。 近年来，由于世界范围内重金属工业、采矿业、交通运输业的飞速发展，以 及农田无机肥料过度施用，铝作为副产物以多种形态从土壤中渗出，已经成为一 种重要的环境污染物，对动植物乃至人类都造成了严重的危害。由酸雨引起的全 球范围内酸沉降物的剧增及大量酸性肥料在农业生产中的应用，使铝在酸性条 件下大量渗出，导致土壤的富铝化程度增强；大多数植物对铝极为敏感，因而铝 5 海莲和秋茄幼苗对a i c l 3 的生理学适应 成为酸性土壤中抑制植物生长的一个重要因素，直接导致了农作物减产和森林面 积退化。 在中国，酸性土壤分布1 4 个省区，面积达2 0 3 万平方公里，约占耕地面积的 2 1 左右，铝毒已成为影响作物生产最为严重的问题之一。 1 1 2 铝对植物的毒害 有关植物生理的研究中，铝与汞、铅、钨等元素并列为有害元素，少量或 过量存在时均对植物有不同程度的毒害口1 。 1 1 2 1 铝毒害的作用位点 铝毒对植物伤害最明显的外在表现是根系和地上部生长受阻，具体表现为根 主轴伸长受到抑制，根尖、侧根粗短而脆，呈褐色，根毛减少，根尖表皮细胞体积变 小，表皮和外皮层细胞受到破坏，根冠脱落“5 ，6 1 。铝离子主要积累在植物根系中 或根尖的细胞液泡中，由于铝毒对根系生长影响极大，许多研究都把根系作为测 定铝毒的重要指标。d e l h a i z e 等人( 1 9 9 5 ) 的研究结果表明，根尖积累的铝及其所 产生的物理损伤远远超过根的其他部位乜6 1 ，由此推测，植物根尖是铝诱导根生 长抑制的作用靶。根尖分生组织和伸长区很可能也在毒害过程中起了重要作用， 有研究表明：在玉米敏感品种中，根尖过渡区的远端，即离根顶端约2 - - - 3 m m 处是铝 毒最初的作用靶陆一3 。 铝毒对叶片的影响也较为明显，它能使幼叶变小，沿叶缘卷曲，叶片变黄铝 毒能使水稻叶片中叶绿素a 和b 的比率下降，总光合作用以及光合速率明显降低 3 1 1 1 2 2 铝毒影响植物营养成分的吸收与代谢 铝毒影响植物营养成分的吸收与代谢，主要表现为：抑$ 1 c a 2 + 、m 9 2 + 、k + 、f e 2 + 、 c u 2 + 、p 0 3 4 、n 0 一。、n n 等离子的吸收3 长时间的铝处理，植物常常表现为c a 的缺乏晦一1 ，有关铝与钙的相互作用有3 种假说：( 1 ) 铝抑制了根细胞对钙的吸收：( 2 ) 铝扰乱了细胞内钙的平衡：( 3 ) 铝取 代了重要位点的钙。 铝离子通过与膜上特殊通道受体结合位点结合，阻碍c a 2 + 在膜上的整合，影响 6 海莲和秋茄幼苗对a j c l 3 的生理学适应 c a 2 + 跨膜运输的g t p 蛋白活性，降低原生质体c a 2 + 通道的流量，导致c a 2 + 外流量增加 嘲。铝的原初毒害是根原生质膜c a 2 + 通道受阻，导致根尖细胞c a 2 + 净吸收下降，原生 质c a 2 + 缺乏，c a 2 + - 鼍z 衡破坏，进而影响细胞结构和功能涵驯。 a 1 3 + 竞争- j m 9 2 + 在根质外体上的结合位点，也会导致镁在根系阳离子交换量的 饱和度下降，因此根对2 + 的吸收下降n 。 铝影响磷的吸收及其在植物体内的代谢，铝与磷在根表或质外体发生吸附一 沉淀反应，减少了磷进入根内以及向地上部的运输；植物受铝毒害后，与脂肪、蛋 白质及核酸结合的磷显著减少，己糖的磷酸化作用明显受到抑制n 。 a 1 3 + 是阳离子通道阻断剂，在小麦中已经取得的研究表明，铝抑制根对钾的 吸收，长时间阻断k + 通道，影响钾向地上部的运输，导致地上部出现缺钾症状n 引。 一些相关研究还表明，铝毒处理会降低铁在植株茎叶中的浓度，使植株出现缺铁 失绿症：铝竞争铜在根的表面同一结合位点，明显减少铜在根系和地上部的含量 口】 1 1 2 3 抑制有丝分裂与o n 的合成、破坏激素平衡 铝对细胞分裂期间d n a 复制有直接抑制作用。铝主要与d n a 的磷酸基结合，增 j j h d n a 双螺旋的刚性：铝聚合体束缚了染色质的双螺旋，导致了解链的困难，降低 模板的活性口1 ，同时，染色质被结合在d n a 铝聚合体上，集结成为低转录活性的聚 合物。染色质经过浓缩、集结，模板活性明显下降，抑制了根尖细胞的分裂。 在酸性土壤上，铝抑制敏感大豆品种地上部侧枝的生长，主要原因是：铝损坏 了根系分生组织的细胞活性，抑制细胞分裂素的合成和向地上部分生组织的运输， 铝降低了地上部正常生长发育所需的内源细胞分裂素水平口一引。 1 1 2 4 影响酶的活性破坏膜的结构和功能 铝毒抑制植物根系质膜上m 9 2 + - a t p 酶和c a 2 + - a t p 酶的活性，在对小麦和玉米 的研究中已经得到验证，对质膜a t p 酶活性的抑制是由于形成a 卜a t p 复合物n ，钔； a 1 3 + 通过改变或影响钙调素的结构和功能抑$ j j c a 2 + 一a t p 酶的活性。 铝对膜联酶的钝化作用：铝与膜磷脂的亲水区结合，改变膜脂的流动性：同 时，膜脂与整合蛋白相互作用，影响其构象与活性。铝通过形成铝一酶复合体对膜 蛋白直接产生影响，并改变膜蛋白表面电荷状况。铝毒不仅影响酶的活性，而且对 7 海莲和秋茄幼苗对a i c l 3 的生理学适应 质膜产生潜在伤害，铝胁迫造成嗜酸热原体的膜流动性降低；引起甜菜液泡膜的 去极化，改变根质膜的磷酯酰胆碱磷酯酰乙醇胺的比率；明显改变栎树根系细胞 膜对非电解质( 脲、甲脲、乙脲) 的透性，减少细胞膜对脂类渗透剂的亲和性，这 与带电铝离子与磷的脂膜上极性区域结合，改变膜脂流动性和垛叠密度有关口1 4 1 。 1 1 3 铝毒害的抗性机理 1 1 3 1 外部抗性 1 ) 细胞壁和细胞膜的作用：细胞壁和细胞膜在植物防御逆境的影响中起着关 键的屏障作用，细胞壁可以固定铝。高浓度铝刺激下，植物细胞对铝胁迫信息的 最初感受表现为：敏感型和耐受型植物的细胞壁产生不同反应，继而将这种感受 传递到细胞膜上和细胞内，引起一系列生理生化反应。 研究发现，植物细胞壁中羧基及磷酸基团带有大量负电荷，具有很强的络合 阳离子的能力，从而阻止a 1 3 + 与质膜结合或进入共质体h h 3 15 l 。细胞壁中与铝结合 的组分主要是果胶质、细胞骨架和酶与磷酸根形成沉淀，细胞壁阳离子交换量 ( c e c ) 在抗铝毒机理中起重要作用n 利。 有关细胞膜抗铝作用的机制，相关学者认为：细胞膜维持正常的离子吸收和 膜势是抗铝的主要机制；铝与膜蛋白结合的差异可能与植物抗铝性差异相关；膜 势下降可能作为信号传导给细胞内的代谢过程，以产生抗铝作用h 一7 1 。 2 ) 有机酸的分泌：植物根区分泌有机酸螯合根区铝是研究的比较成熟的一 种外部抗性机制，研究表明耐铝植物的根在铝胁迫下可分泌大量的有机酸，在植 物根区与铝螯合，a 1 3 + 与小分子有机物形成螯合物后，其生物毒性大大降低，其中 研究最多的有机酸包括柠檬酸和苹果酸。 铝影响有机酸的分泌，可能是由于铝直接与有机酸的运输通道相互作用，或 者铝与第二信使相互作用使运输通道发生变化，而影响了分泌h 1 。根据各种抗铝 植物铝胁迫与有机酸分泌的响应时间的关系，有学者将有机酸分泌分为两类模式： 第一类以小麦、荞麦为代表，可快速对铝胁迫作出反应，在几十分钟内向介质中释 放有机酸：第二类以玉米、黑小麦、燕麦等为代表，对铝胁迫的反应有一明显滞后 期，一般需铝处理数小时后才有明显的有机酸分泌。推测第一类有机酸的分泌模 式与质膜阴离子通道被激活有关，因为a 1 3 + 能够激活小麦质膜阴离子通道n 引，而且 8 海莲和秋茄幼苗对a i c l 3 的生理学适应 阴离子通道抑制剂能抑制铝胁迫下植物根系有机酸的快速分泌n 吼制：第二类分泌 模式与耐性基因的诱导有关，铝胁迫下只有当黑麦柠檬酸合成酶活性提高，才出 现有机酸的快速分泌。 根系磷酸的分泌是植物的又一潜在抗铝机制，但目前尚缺乏充分的实验证 据。铝胁迫下，根系分泌的磷酸可在质外体、根表面或根际与a 1 3 + 形成磷酸铝沉淀， 。 降低a 1 3 + 的活性，从而解除铝毒害h 1 吼2 h 。 3 ) 根际p h 值的提高：植物根区p h 的升高可能是另一重要的耐铝机制，铝的溶 解度对p h 十分敏感，p h 每变化0 1 个单位，铝的溶解度将下降2 | lm o l h l ，根际高 p h 值能降低铝的溶解性，由此而减轻铝毒害。相关研究发现，稀释营养液p h 值从 4 5 升高到4 6 ，可使铝浓度降低2 6 n 副。对耐铝小麦的研究发现，铝胁迫下耐性小 麦比敏感小麦能在根区维持较高的p h 值h ，1 5 od e g e n h a r d t 等( 1 9 9 8 ) 采用震动 微电极对拟南芥野生型及耐性品种距根尖表面2 0 - - 5 0um 处测定其p h 值，发现 大部分品种p h 值均未改变，只有一个突变体a l r - 1 0 4 在铝胁迫下，根际周围p h 值明显提高。导致p h 的升高是由于铝胁迫下位于根尖表面净h + 内流提高了2 倍， 从而使a l r 一1 0 4 根表面p h 提高了o 1 5 个单位，表明a l r - 1 0 4 的抗铝性是由于根际 p h 值改变的结果。但无铝胁迫下并未发现野生型品种与突变体a l r - 1 0 4n + 内流 方面存在差异n 毛2 2 。 植物根系的多肽分泌增加与植物的抗铝性也有关，酸性多肽可在较低浓度下 与铝结合，增加植物抗铝性“1 。 1 1 3 2 内部抗性 1 ) 细胞内有机酸螯合：细胞液中有机酸与铝的络合形成一种细胞内部抗铝 机制。在对小麦、玉米、高粱、荞麦等一系列植物的耐受型和敏感型的研究中发 现，在高浓度铝环境中，植物细胞质中的有机酸含量上升，并与铝成螯合物，以降 低铝活性和对植物的毒性：铝可与许多氧供体形成稳定的化合物h 1 朝。 在高浓度铝条件下，虽然在铝敏感型和耐受型作物根系中均有有机酸形成， 但耐受型作物品系的根部能产生相对更高浓度的羧酸，特别是苹果酸和反乌头酸 的浓度高于敏感型7 1 0 倍h 1 。有关有机酸可保护铝诱导的钙调蛋白发生结构变 化，降低铝对受钙调蛋白激活的磷酸酶的抑制作用的报道，也认为大量的有机酸 能降低铝对细胞的重要成分和过程的影响，从而降低其对细胞生理过程的毒害作 9 海莲和秋茄幼苗对a i c l 3 的生理学适应 用。研究发现，在严重的铝压力下，当外部抗性比较有效时，有机酸的含量就较低， 这说明此时耐受型的作物仅受外部抗性机理保护，有机酸含量不受影响。因此该 机理的弱点是铝与有机酸形成的复合物的稳定性可能被过高的估计了，螯合物去 除铝毒性在耐铝机理中的作用还需要更多的实验证持。 2 ) 液泡的区隔化：在植物对铝抗性中，液泡可能也起着关键作用，液泡的分 隔效应，对细胞中有毒物质的储存起着相当重要的作用，液泡膜上的特殊酶系统 可将胞质中多余的金属离子泵入液泡中，从而使细胞质及其他细胞器免受伤害， 各种生理生化过程得以顺利进行。 在对一种铝超积累植物r i c h e r i ag r a n d i sv a h l 叶片x 射线微分析证明，铝能 够在该叶片的液泡中有效积累n 5 2 3 1 ：通过核磁共振技术检测的研究也表明，铝进 入液泡后，可与铝形成稳定的磷铝化合物沉淀n 司：对抗铝荞麦叶片中铝的亚细胞 分布部位研究发现，叶片中大于8 0 的铝聚集在原生质体中，且所有这些铝都是以 a 13 + ：草酸( 1 ：3 摩尔比) 的形式被分隔在液泡中，从而对铝毒害表现出极强的抗 性1 5 舯1 。 曾经有报道铝可诱导大麦根液泡膜的a t p 依赖型和p p i 依赖型的h + 泵活性增 强；铝可诱导液泡膜h + 泵的活性增强，产生适应机制；h + 运输的增加，有利于植物 维持细胞内p h 的平衡，并可通过a 1 n h + 交换反应把a 1 3 + 分隔到液泡中，降低铝的 毒性h 3 。 3 ) 铝诱导的逆境蛋白：在a 1 对植物基因表达的影响方面，铝可诱导植物合成 特殊蛋白质已经被一些研究证实。铝胁迫下植物细胞可合成一些多肽，与铝进行 络合作用，这些a 卜蛋白复合物可以降低铝对细胞内重要位点的毒害作用，但同时 会减少细胞内非结合蛋白的水平，影响正常细胞的其他功能。 在双倍体小麦耐性与敏感品种杂交的显型f 2 子代中，分离出铝诱导的2 3 k d a 的多肽，并发现显型耐铝的f 2 子代根系分泌物中积累了该多肽，而使其铝耐性大 大提高n 瓢铷。铝胁迫诱导了耐性小麦p t 7 4 1 的5 1 k d a 的蛋白质合成，而在铝敏感品 种k a t e p w a 中却未发现此蛋白质的诱导，对这两个品种进一步分离实验表明，此 5 1 k d a 蛋白质的诱导与抗胼胝质的形成呈正相关，因此认为耐性小麦品种抗铝机 制可能与5 1 k d a 蛋白质诱导胼胝质的形成有关h j 5 2 5 1 。 耐铝植物细胞内的一些活性较强的酶也可能具有抗铝作用，或者是一些铝 诱导而产生的抗铝同工酶，以维持植物体的正常的代谢和物质循环，此类酶被一 1 0 海莲和秋茄幼苗对a i c l 3 的生理学适应 些研究者称为为抗铝酶。目前的文献报道，在抗钙和铅的生态型内，发现酸性磷 酸酶保持较高的活性：抗锌生态型内的硝酸还原酶、苹果酸脱氢酶和异柠檬酸 脱氢酶保持较高的活性；在一些植物中还检测到抗n i 的酸性磷酸酶同功酶存在， 对抗铝酶的研究还很匮乏。 1 1 3 3 其他抗性 铝胁迫下植物体内的脯氨酸和葡聚糖的积累已被很多实验证实，但是还没有 直接证据表明它们的积累与植物的抗铝作用相关，仍需进一步研究验证。研究中 还发现有些抗铝植物的根细胞具有排斥铝进入细胞的能力h 3 。一些耐性强的大麦 变种可主动把铝排到根细胞质膜外，使其不受铝毒害。不同耐受性小麦根尖对铝 的积累，发现敏感品种根尖铝的积累量比耐受品种高8 倍，这可能是由于根细胞排 斥铝的能力不同嘶1 。植物对离子的选择性吸收，拒绝铝离子的这一抗性特征对于 铝在生态系统中的循环研究具有特别的意义。 1 1 4 目前对铝毒害的研究重点及展望 1 1 4 1 重要的抗性机制一铝胁迫下有机酸的分泌 铝胁迫下有机酸的分泌是一种重要的植物耐铝机制。目前，对铝胁迫下有机 酸分泌的研究基本上都是在水培条件下进行的，缺乏在实际土壤环境中有机酸的 分泌能否有效缓解铝毒害的实验证据。由于根际土壤环境中物理、化学和生物学 的复杂性，这方面研究的进展将有赖于土培条件下对根系微量分泌物的收集以及 鉴定方法的突破和创新；而且，还需要考虑植物根系分泌有机酸的量是否足以解 释耐铝品种的抗铝性，以及土壤吸附位点对有机酸的吸附及微生物对有机酸的消 耗1 5 1 。 不同植物对铝胁迫产生的两种不同的有机酸分泌模式，可能与如下因素有 关：铝胁迫下阴离子通道被激活的响应时间、酶活性的改变；铝在细胞壁中的结 合，影响信号物质向细胞质膜上的传递。因此，要探明有机酸分泌模式不同的原 因，可以从不同植物细胞壁的组成和结构的差异以及调控细胞壁某些组分( 如果 胶含量及甲基化程度) 去考虑。 目前关于根系在收到铝信号刺激后，如何调控体内有机酸的合成与分泌的问 海莲和秋茄幼苗对a i c l 3 的生理学适应 题还仅仅存在一些假说，缺乏相应的直接证据。要解决这一问题的关键在于探讨 植物在短时间内对铝胁迫的反应是通过酶活性的改变还是激活质膜上的阴离子 通道；或者是通过基因的诱导以及信号转导。在此基础上还应该深入开展生理生 化和分子生物学机理研究( 如阴离子通道蛋白) 。 1 1 4 2 铝胁迫信号的传导： 目前，对根细胞膜上铝信号的受体及该信号如何进行转导还不清楚，对于此 信号作用位点存在两种可能：如果该信号是在质外体起作用，就一定存在一个从 质膜到共质体的信号转导系统，结构蛋白如微管蛋白、肌动蛋白可能参与该系统： 若是铝直接在共质体中起作用，如何通过质膜进入细胞的机制就显得非常重要。 此外，关于铝胁迫信号与蛋白激酶、水杨酸信号传导途径之间的关系，铝胁迫与 肌醇磷脂及钙信号传导途径的关系，铝诱导抗性基因表达也已经成为目前研究的 热点和前沿。运用现代分子生物学技术，深入研究铝与细胞膜、细胞器内大分子 物质如蛋白质、核酸等的相互作用机理，将能够更好地揭示铝对植物毒害的原初 反应。 1 2 红树林概况及研究现状 1 2 1 红树林的种类、分布及研究领域 红树林是分布在热带、亚热带海岸潮间带上部，受周期性潮水浸淹，以红树植 物为主体的常绿灌木或乔木组成的潮滩湿地木本生物群落口订。全世界的红树植物 约有1 6 科，2 4 属，8 4 种，其中包括1 2 个变种；其中真红树有1 l 科，1 6 属， 7 0 种( 包括1 2 个变种) ；半红树植物有5 科，8 属，1 4 种啪1 。我国的红树植物 种类约有1 2 科，1 5 属，2 6 种( 包含一个变种) ，其中4 种属于地方性特有树种。 关于红树林的最新研究报告显示中国现有红树林面积约2 2 6 3 9 公顷，从南到北， 分布在广西、广东、福建、浙江的沿海，以及海南和台港澳地区。广东、广西、 海南位列中国拥有红树林数量的前3 名，共2 1 3 8 9 公顷，占了中国红树林面积的 9 4 4 。广东雷州半岛、广西北部湾和海南东海岸，是中国红树林最集中分布的 区域汹1 。 1 2 海莲和秋茄幼苗对a i c l 3 的生理学适应 近年来，对中国红树植物的研究主要集中在能流物流、生理生态学、污染生 态学、物种多样性、分子多样性等几方面。 1 2 2 红树林生长的生理生态适应特性 红树植物是一类生活在周期性遭受海水浸淹的潮间带环境的植物，其生存的 特殊环境造就了红树植物耐盐和抗水淹等生理生态学特性；红树植物的生理特征 和形态结构受温度、光因子、盐度、污染物等多种因素的影响，其中尤以盐度对 红树植物的影响的研究较多伽。 红树植物对生境的适应的特征主要表现在：一，红树植物的根长期被海水浸 没，海水盐度波动变化，对红树林的类型建成、发育和形态学结构产生影响，从而 造就了红树植物对高盐度产生2 种不同的适应机制，一种为泌盐机制，即利用叶 片中的具有盐腺泌盐，如桐花树( a e g i c e r a sc o r n i c u l a t u f a ) 等：另一种是拒盐机 制，只允许低浓度盐进入液汁，通过代谢把盐运到衰老叶片、树皮或木质部，如秋 茄树( k a n d e l i ac a n d e ) 等。二，红树植物为了适应水环境和厌氧基质上的生长， 发育出气生根这种特殊的通气结构d ，如：气生支柱根，浅表的缆状根，膝状呼 吸根等出水通气根。此外，出现在树干外表的大量皮孔，也是一种适应水生气体 交换缺乏的机制。三，特化的胎生现象，有些红树树种在幼苗时期产生高度发育的 胎生繁殖体，可持续数个月的半休眠状态进行水上传播b 引，提高了幼苗对环境的 适应性和存活率。 盐度对秋茄和海莲幼苗的生长影响的相关研究表明：低盐度对红树植物高 度生长以及对根、茎、叶和总生物量具有正刺激效应：高盐度起抑制作用啪3 3 i 。 1 2 3 红树林的应用价值及研究意义 红树林对海岸风浪的抵御以及补沙造陆的功能已经得到普遍认识和有效利 用 3 4 1 ；对夏秋季我国沿海台风袭击，起到很好的防御和缓冲作用。红树林湿地丰 富的生物资源和生态多样性使其成为河口海岸生态的关键区，其中分布大量不同 种类的真红树、半红树及伴生植物树种，以及藻类、浮游动植物、底栖动物、昆 虫、鸟类、哺乳动物、爬行动物等多元化的生物资源。红树林的生物多样性早已 被人们认识和利用，其高生产力、高归还率、高分解率的三高特性口引，使红树林 1 3 海莲和秋茄幼苗对a i c l 3 的生理学适应 湿地的能量流动和物质循环高速运转，沿海水产养殖业的发展和经济效益的产 生，无不依赖于红树林维护海岸渔业资源和食物网正常高效运行的重大作用。 红树林的直接经济价值在于，为人们的生产生活提供丰富的天然可利用资 源，如传统上从红树林获取燃料木炭、建筑及家具装饰材料、渔业船舶装置、食 物和饲料；从红树植物中提取的生物活性物质和化学物质，如类固醇、三萜、皂 角苷、类黄酮、生物碱和单宁酸，赋予了红树植物更重要的经济价值以及在医 学上很强的药用价值，如杀虫剂，杀鱼药物等的沿用至今，以及单宁酸在染色工 艺和皮革制造业上的应用；最近几年在药理学领域的研究发现，从红树植物中提 取出的抗生素类、毒素等物质，对于治疗风湿、肝炎、哮喘、糖尿病、腹泻、白 血病、肺癌、疟疾等均有重要意义汹1 。 红树林在环境污染检测和治理，净化水土资源污染物，维护和促进对环境和 经济的可持续发展中起着重要的作用。随着全球性海岸带居住和开发高潮的兴起， 越来越多的生活污水、工业废水、陆地农田残留的农药和化肥，进入河流、海岸 带和海洋，使海洋污染不断加重。红树林可以过滤陆地径流和内陆带出的有机物 和污染物，净化空气和海水；林下土壤可沉积多种重金属及有机氯农药，富集在不 易转移扩散的树根或树干部位，避免通过食物链向其它海洋生物及人类传递。 总之，红树林具有重要的生态学意义和经济效益，但是，近年来，随着人 口增长，工业和经济高速发展的同时，生态环境也受到了的严重污染；近海水产 养殖业的发展使海洋和内陆资源植被遭到严重破坏 ，全球红树林面积在近5 0 年内已减少4 0 - - 5 0 ，不少国家已经认识到了保护和修复红树林生态的重要性， 特别对发展中国家而言啪1 ，对红树林资源的保护恢复和合理开发利用，以及新树 种的引种培育对环境资源和人类的可持续发展意义重大。 1 3 研究的目的意义 随着世界范围内酸雨的影响，工业“三废 的污染，以及农业上有机化肥的 过量施用，导致土壤环境酸化严重，以a 1 3 + 、a 1 ( 0 h ) 。+ 、a l ( 0 h ) 2 + 等无机离子态存 在的铝在土壤中大量渗出，导致土壤富铝化增加，铝毒的影响直接导致了农作物 减产和森林面积退化。铝毒影响植物营养成分的吸收与代谢，破坏细胞膜的结构 和功能，影响保护酶的活性，使植物根系、茎部和叶片功能坏死，停止生长：这 1 4 海莲和秋茄幼苗对a i c l 3 的生理学适应 些铝毒害症状已经在小麦、荞麦引1 、水稻m 朋1 及马尾松伽、茶树、龙眼删 等植物中得到验证。因此，如何筛选耐铝物种治理铝毒害以及探讨植物的耐铝机 制已经成为备受关注的研究热点之一。 已有的研究表明，红树植物对汞、镉、锌、铅等重金属元素有较强的富集 作用和耐受特性h7 船4 9 删，在治理环境污染上有一定应用前景畸。国内外学者对 红树林开展了大量的研究，但到目前为止，有关铝胁迫对红树植物的影响、红树 植物的适应铝毒的特性和生理耐受等方面的研究还鲜有报道。因此，本文以海莲 ( b r u g i e r a s e x a n g u l a ) 和秋茄( k a d e l i a c a n d e l ) 胚轴为材料，通过砂培和不同浓度a i c l 3 处理，了解a 1 c 1 3 对红树植物生长的影响以及保护酶系统等对铝胁迫产生的最早 的生理生化反应，有助于探讨耐铝植物在膜上形成的抗铝机理，为研究红树植物 的耐铝特性及其适应机制提供依据。 1 4 研究的主要内容 以海南、福建两省的红树科木榄属植物海莲和红树科秋茄属植物秋茄为研究 对象，探讨两种红树植物幼苗对a 1 c 1 3 的耐受特性，阐明a i c l 3 对红树幼苗活性 氧代谢及膜系统的影响；通过检测a i c l 3 处理的红树幼苗各部位元素积累情况， 探讨红树幼苗对环境中铝的吸收、运输和积累规律，以及铝对其他元素吸收积 累的影响。 1 5 海莲和秋茄幼苗对a i c1 3 的生理学适应 2 材料和方法 2 1 材料 2 1 1 植物材料的采集及样地自然概况 海莲成熟胚轴6 月份采于海南省文昌清澜港红树林自然保护区( 1 9 。5 1 7 n ，1 1 0 。2 4 7 e ) 。该地区属热带海洋气候，年平均气温为2 3 7 ，最冷月平均气温 为1 7 3 ，年平均降雨量1 9 4 2 m m 。胚轴平均长度8 2 3 1 0 4 c m 、平均重量1 2 2 0 6 8 9 秋茄成熟胚轴5 月份采于福建省龙海市浮宫镇( 2 4 。2 4 7 n ，1 1 7 。2 3 7 e ) 红 树林自然保护区的九龙江口，该地属南亚热带气候，年均气温2 1 ，年均降水量 1 3 6 5 1 m m ，年均相对湿度8 1 ，土壤含盐量为1 5 - 2 1 ，p h 接近7 ，海水总盐度为 1 7 1 。秋茄成熟胚轴平均长度2 0 8 0 0 5 9 c m 、平均重量1 2 1 7 1 6 9 9 2 1 2 主要化学试剂及仪器 2 1 2 1 主要化学试剂 h o a g l a n d s 液体培养基 氯化钠( n a c l ) 六水合三氯化铝( a l c l 3 6 h 2 0 ) 磷酸缓冲液( p b sp h7 8 ) 聚乙稀吡咯烷酮( p v p ) 硫代巴比妥酸( t b a ) 三氯乙酸( t c a ) 考马斯亮蓝( g - - 2 5 0 ) 氮蓝四唑( n b t ) 愈创木酚 核黄素 e d t a 1 6 海莲和秋茄幼苗对a i c l 3 的生理学适应 茚三酮 l 一脯氨酸 抗坏血酸