（植物营养学专业论文）铝诱导柱花草根系分泌柠檬酸及其调控机制的研究.pdf

铝诱导柱花草根系分泌柠檬酸及其调控机理的研究 摘要 铝毒是酸性土壤上限制植物生长的最重要的限制因子之一。有机 酸分泌被认为是一些耐铝植物抵御铝毒害的重要机制，但人们对有关 铝胁迫下，植物根系分泌有机酸的调控机制的认识还比较有限。本研 究以柱花草为材料，通过水培试验，比较柱花草热研2 号和热研7 号的耐铝性差异及与其根系分泌有机酸，以明确柱花草品种间耐铝性 差异的机制。研究还以耐铝性较强的热研2 号品种为材料，在研究了 柱花草根系柠檬酸分泌特点的基础上，进一步从阴离子通道、蛋白质 合成及修饰、有机酸代谢与运输以及细胞信号转导等方面探讨铝诱导 柱花草根系分泌柠檬酸的调控机制。研究结果表明： 柱花草品种间存在耐铝性差异，1 0 、2 0 、3 0 p m o i l 1 a l 处理2 4 h 后，热研2 号相对根伸长率均大于热研7 号的伸长率，而根尖被铬天 青r 染色较浅，说明热研2 号耐铝性较强。在铝胁迫下热研2 号根系 分泌柠檬酸的速率显著大于铝较敏感的热研7 号品种，且柠檬酸分泌 受阴离子通道抑制剂、蛋白合成抑制剂、呼吸抑制剂抑制时，根尖的 铝含量显著增加，说明了铝诱导根系分泌柠檬酸是柱花草品种间耐铝 性差异的重要机制。 铝胁迫下距根尖0 5 1 o c m 的根段分泌的柠檬酸数量显著高于 0 - 0 5 、1 0 1 5 、1 5 2 o c m 根段，说明0 s ，1 o e r n 的根段是柠檬酸的主 要分泌位点。 缺磷也能诱导柱花草根系分泌柠檬酸，在处理后的第6 天开始缺 磷处理根系分泌的柠檬酸显著高于对照处理的柠檬酸，并在缺磷处理 后的第8 d 至第10 d 时达最大并在此后减少，暗示根系分泌柠檬酸并 非柱花草对铝胁迫的专一性反应。 铝诱导柱花草根系柠檬酸的分泌有一个明显的滞缓期，在开始铝 处理的0 5 、2 、4 h 根系分泌的柠檬酸很少，而处理8 h 后分泌量明显 增加，说明柱花草以第二类模式分泌有机酸。 1 0 t m o ll 1 阴离子通道抑制剂( p g 、n i f 、d i d s 、a 9 c ) 处理 均抑制铝诱导的柠檬酸分泌。其次，在铝溶液中加入的蛋白合成抑制 剂( c h m ) 、铝处理前c h m 的预处理及铝处理后加入的c h m 均抑 制柠檬酸分泌。此外，呼吸抑制剂( n a n 3 ) 、柠檬酸载体抑制剂( p i t c ) 也显著抑制铝诱导的柠檬酸分泌。另一方面，铝处理溶液中的异三聚 g 蛋白激活剂( c t x ) 使根尖细胞内的游离钙信号加强并促进柠檬 酸的分泌，而加入g 蛋白抑制剂( p t x ) 削弱钙信号强度并抑制柠 檬酸的分泌。这些结果说明：( 1 ) 阴离子通道介导铝诱导柱花草根系 柠檬酸分泌，且柠檬酸的分泌需新合成蛋白的参与；( 2 ) 在铝胁迫下 根尖的呼吸作用及柠檬酸在线粒体膜上的跨膜运输影晌着根系柠檬 酸的分泌；( 3 ) 异三聚体g 蛋白介导铝胁迫的信号转导，并参与铝 诱导柱花草根系分泌柠檬酸的调控过程。 关键词：铝柱花草柠檬酸分泌调控机制 n as t u d yo na l u m i n u m i n d u c e ds e c r e t i o no f c i t r a t ef r o mt h er o o t so f s t y l o s a n t h e ss p p a n d c o r r e s p o n dm e c h a n i s m a b s t r a c t a l u m i n u m ( a 1 ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sl i m i t i n gp l a n tg r o w t h i na c i ds o i l s a l t h o u g hi th a sb e e nc o n s i d e r e dt h a ta i i n d u c e ds e c r e t i o no f o r g a n i ca c i d sf r o mr o o t si sam a i nm e c h a n i s mf o rs o m ea i - t o l e r a n c ep l a n t s , s o f a r t h ek n o w l e d g ea b o u tt h em e c h a n i s m sr e s p o n s i b l ef o ra l - i n d u c e ds e c r e t i o no f o r g a n i ca c i d si ss t i l lv e r yl i m i t e d i np r e s e n ts t u d i e s ，t w oc u l t i v a r so fs 白, l o ( s t y l o s a n t h e ss p p ) ，r e y a nn o 2a n dr e y a nn o 7 ，w e r eo b j e c t e dt oc o m p a r et h e d i f f e r e n c eo fa i t o l e r a n c eb e t w e e nc u i t i v a r sa n de x u d a t i o no fo r g a n i ca c i df r o m t h er o o t st oe l u c i d a t et h em e c h a n i s mr e s p o n s i b l ef o ra i t o l e r a n td i v e r s i t yi n s t y l o s f u r t h e r m o r e o nt h eb a s eo fs t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa i i n d u c e d s e c r e t i o no fc i t r a t ei ns t y l o ，t h ef a c t o r sr e g u l a t e dc i t r a t es e c r e t i o nu n d e ra is t r e s s , i nt e r m so fa n i o nc h a n n e b ，p r o t e i ns y n t h e s i s ，m e t a b o l i z i o na n dt r a n s p o r t i o no f o r g a n i ca c i d sa n dc e l ls i g n a lt r a n s d u c t i o n ，w e r ei n v e s t i g a t e di nr e y a nn o 2 t h er e s u l t sw e r es h o w na sf o l l o w s ： t h e r ew a sg r e a tg e n e t i cv a r i a t i o ni na lt o l e r a n c eb e t w e e nc u l t i v a r so fs t y l o m o r ei n h i b i t i o no fr o o te l o n g a t i o na n ds t r o n g e rs t a i n i n go nt h es u r f a c e so fr o o t s w i t he r i o c h r o m ec y a n i n erw e r ef o u n di nr e y a nn o 2c o n t r a s t i n gt ot h a to f r e y a nn o 7a f t e re x p o s u r eo fr o o t st oa 1 3 + ( 1 0 ，2 0 ，3 0j - t m o l l 。1 ) s o l u t i o n ，w h i c h i n d i c a t e dt h a tr e y a nn o 2w a sa l la i t o l e r a n c ee u l t i v a r s a l u m i n u m i n d u c e d i i l s e c r e t i o no fc i t r a t ef r o mr o o t sw a sm o r es i g n i f i e a n t l yi nr e y a nn o 2 i no t h e r w a y , a ic o n t e n ti n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yw h e nc i t r a t ee x u d a t i o nw a si n h i b i t e db y t h ei n h i b i t o r so fa n i o nc h a n n e l s ，p r o t e i ns y n t h e s i sa n dr e s p i r a t i o n t h e s e r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a ta l - r e d u c e ds e c r e t i o no fc i t r a t ef r o mr o o t sw a sa n i m p o r t a n tm e c h a n i s mf o rt h ed i f f e r e n c ei na i t o l e r a n c eb e t w e e nc u l t i v a r so f s t y l o t h ea m o u n to fc i t r a t es e c r e t e df r o mt h es e g m e n to f0 5 1 0 c mf r o mr o o t a p e xw a sg r e a t e rt h a n o t h e rs e g m e n t ( 0 0 5 ，1 0 1 5 ，1 5 - 2 0 c m ) i tw a s i l l u m i n a t e dt h a tc i t r a t ew a ss e c r e t e dm a i n l yf r o m0 5 1 0 c mr o o ts e g m e n ti ns t y l o u n d e ra ls t r e s s p h o s p h o r ( p ) a b s e n c ec o u l da l s oi n d u c es e c r e t i o no fc i t r a t ef r o mr o o t si n s t y l o a n dt h ea m o u n tc a m et ot h em o s tf r o mt h e8 ha n d1 0 “d a yo fpd e f i c i e n c y t r e a t m e n t t h er e s u l ts h o w e dt h a ts e c r e t i o no fc i t r a t ef r o mr o o t si ns t y l od i d n o tt h es p e c i a lr e s p o n s et oa ls t r e s s a n o t h e r , t h e r ew a so b v i o u sal a gb e t w e e na i - i n d u c e ds e c r e t i o no fc i t r a t e a n dt h ei n i t i a lt oa it r e a t m e n ti ns t y l o t h es e c r e t i o no fc i t r a t ew a sl i m i t e da f t e r t h et r e a t m e n tw i t ha if o r0 5 ，2 ，4h o u r s ，w h i l et h es e c r e t i o ne n h a n c e d s i g n i f i c a n t l yf r o mt h e8 蚰h o u ro fa it r e a t m e n t i ti n d i c a t e dt h a tc i t r a t e i ns t y l o w a ss e c r e t e df r o mr o o t su n d e ra ls t r e s si np a t t e r n t h ea n i o nc h a n n e l si n h i b i t o r si n c l u d i n gp g , n i f , d i d sa n da - 9 - ci n s o l u t i o n ( 1 0p m o l l 1 ) c o u l da ni n h i b i ta l i n d u c e ds e c r e t i o no fc i t r a t e s e c o n d l y , t h ei n h i b i t i o no fc i t r a t es e c r e t i o nw a sf o u n da f t e ra d d i t i o no fp r o t e i ns y n t h e s i s i n h i b i t o r ( c h m ，2 5o r5 0 i t m o l l d ) i na is o l u t i o na sw e l la sp r e t r e a t m e n to f c h mb e f o r ea it r e a t m e n ta n dt h et r e a t m e n tw i t hc h m a f t e ra it r e a t m e n t f u r t h e r m o r e ，r e s p i r a t i o ni n h i b i t o r ( n a n 3 ，1 0 t m o l l 。) o rt h ei n h i b i t o r ( p i t c ， 1 0p m o l l 。1 ) o fc i t r a t ec a r r i e ro nm i t o e h o n d o r i a lm e m b r a n ea l li n h i b i t e dt h e e x u d a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h et r e a t m e n tw i t hh e t e r o t r i m e r i cgp r o t e i n a c t i v a t o r ( c t x ) e n h a n c e d c a 2 + c y ts i g n a l i nr o o tt i ps u r f a c ec e l l sa n dt h e e x u d a t i o no fc i t r a t ed u r i n gt h ec o u r s eo fa i i n d u c e ds e c r e t i o no fc i t r a t e ，w h i l e t h ei n h i b i t o r ( p t x ) o fh e t e r o t r i m e r i cgp r o t e i nd e p r e s s e de f f e c t i v e l yc a 2 + s i g n a l l v t r a n s d u c t i o na n dt h es e c r e t i o no fc i t r a t e a l lt h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a t ：( 1 ) a n i o nc h a n n e l si n v o l v e di na i - i n d u c e ds e c r e t i o no fc i t r a t ei ns t y l o ，妇托d 阳 s y n t h e s i sa n da c t i v a t i o no fa na n i o nc h a n n e lp r o t e i n sm i g h tb er e q u i r e df o rt h e s e c r e t i o n ；( 2 ) b o t ht h er e s p i r a t i o no fr o o tt i p sa n dc i t r a t et r a n s p o r t a t i o nc r o s s i n g m i t o c h o n d o r i a im e m b r a n ei m p a c t e dt h es e c r e t i o no fc i t r a t eu n d e ra is t r e s s ( 3 ) h e t e r o t r i m e r i cg p r o t e i nw o u l di n t e r v e n ei nt h es i g n a lt r a n s d u c t i o no fa ls t r e s s a n dp a r t i c i p a t e di nt h er e g u l a t i o no fa i i n d u c e ds e c r e t i o no fc i t r a t ei ns t y l o k e yw o r d s ：a l u m i n u ms t y l o s a n t h e s r e g u l a t i o n m e c h a n i s m v s p p c i t r a t es e c r e t i o n 符号说明 a l u m i n u m 铝 c i t c i t r a t e柠檬酸 e re r i o c h r o m ec y a n i n er铬天青r h p l c h i g h p r e s s u r el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y 高效液相色谱 l xl u x 勒克斯( 照度单位) m d hm a l a t ed e h y d r o g e n a s e 苹果酸脱氢酶 n a d hr e d u c e dn i e o t i n a m i d ea d e n o s i n ed i n u c l e o t i d e 还原型辅酶i c lc i t r a t el y a s e 柠檬酸裂解酶 p g p h e n y l g l y o x a l 苯甲酰甲醛 n i fn i f l u m i ca c i d 尼氟灭酸 d i d s 4 ，4 - d i s o t h i o c y a n a s t i l b e n e - 2 ，2 - d i s u l f o n i ca c i d 4 ，4 二异硫氰2 ，2 - 二磺酸芪 a 9 c 9 - a n t h r a c e n e c a r b o x y l i ca c i d 蒽9 羧酸 c h m c y c l o h e x i m i d e 环己酰亚胺 p i t c p h e n y l i s o t h i o c y a n a t e 异硫氰酸苯酯 吣 c h o l e r at o x i n 霍乱毒素 p t x p e r t u s s i st o x i n百日咳毒素 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：7 三 弓绎 矽年月，g 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布 囱解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：声才彳导师签名 母汹毯目 铝诱导柱花草摄系分泌柠檬酸覆其调控机制的研究 1 柱花草及其生产意义的简介 前言 柱花草( s t y l o s a n t h e ss p p ) ，又名热带苜蓿，疏毛柱花草、斯大罗，笔花豆等， 是热带、亚热带地区广泛种植的多年生豆科牧草，原产于拉丁美洲，主要在巴西北部、 澳大利亚等热带地区广泛栽培。该属有种或亚种4 4 个，占世界热带、亚热带地区人工 草地牧草品种的1 3 r 1 1 。 柱花草生长适宜地区在南北纬2 3 。c 之间，喜高温、多阿、潮湿气候。对土壤选择不 严，耐贫瘠，在热带砖红壤、砂质土、壤土、黏土、潜育土和沙性的灰化土上都可以生 长。能耐高度酸性红壤，在p h 为4 0 的酸性土壤中仍能结根瘤。柱花草多用于青饲料、 干草粉生产、放牧。柱花草鲜草产量为2 0 0 0 3 0 0 0 k g 6 6 7 m 2 ，干草率为2 3 2 5 ，在华 南地区年割2 3 次，在其干物质中，平均含粗蛋白1 8 2 0 ，粗纤维3 3 4 0 ，无氮 浸出物3 8 4 4 ，灰分9 1 0 ，钙o 8 1 o ，磷o 1 一0 2 1 1 1 。柱花草是优质饲料， 其适口性好，鲜草牛、羊、兔、猪喜吃，晒干加工成草粉可用于配合饲料以代替等量精 料( 如玉米、麸皮等) ，既节约精料用量，又可以人大降低饲料成本 2 1 。据广东韶关市畜 牧局试验，用1 0 青贮柱花草( 计干物质) 代替等量日粮饲料长白与本地二元杂交中大 猪5 3 d ，平均日增重7 1 0 9 d ，比对照增加1 9 8 ，每增重l k g 活重的饲料成本节省了o 6 0 元，并且每头猪可节省配合饲料1 7 8 k g 2 1 。 柱花草还具有枝叶繁茂，主根明显，根系发达，入土深可达1 - 2 m ，侧根也很发达 且密布根瘤等特点，具有良好的控制水土流失和培肥地力的作用。据广东省有关调查得 知，豆科柱花草在广东省大农业中的作用，不单为了解决饲料，也有荒坡地利用、培肥、 改革耕作制、农业持续高效的需要【3 】。果园间种柱花草，具有培肥、保水、稳温、生物 防治等多种效益【4 1 。据在广东省电白县大衙镇新垦种荔枝园的间种试验三年后，种植柱 花草的土壤有机质增加7 7 3 ，全氮增加3 0 全钾增加2 5 3 ，荔枝树高增加1 7 8 树 冠增加1 5 5 且可提前一年挂果。因此，柱花草常被用作新垦果园与橡胶园等经济幼林 地的地被物，以控制杂草生长、控制水土流失和培肥地力，形成了被誉为全国草业十大 模式之的“果园套种”生产模式【4 j 。 正由于柱花草具有产量高，质量好、耐旱、耐瘠、耐酸，适应性广等特性，而被誉 铝诱寻柱花摹根系分逊柠钧e t 鼍2 t 箕调控机制的研究 为“瘦地克星”。1 9 6 2 年被华南热带作物研究所引入在华南地区作为绿肥试验，至8 0 年代中期，由于畜牧经济的发展而大量被用于草地草坡的改良，现在广东、广西、海南、 福建、云南等地都有较大面积栽培，成为最重要的当家草种并形成了一套与当地自然资 源和生产结构相适应的生产管理利用模式，是一种很有发展自玎途的热带和亚热带牧草1 4 1 。 2 铝毒是酸性土壤中限制作物生长的主要因子 铝是地壳中含量最丰富的金属元素，约占地壳重量的7 【5 1 。在土壤中a 1 的存在形 式是多种多样的。多数情况下，土壤中舢主要以硅酸盐或氧化态存在，对植物是无毒 的。环境中铝的化学形态随着环境条件的不同而异【6 l ，当环境存在f 。、s 0 4 2 等离子时， 铝会形成舢f 、砧s 0 4 等络合物【卜引。另外，土壤巾天然的配合位如腐植酸、多酚类等 也具有螯合铝的作用，这些络合物对生物的毒性很小【9 】。铝的存在形态与环境的p h 值 相关1 0 1 。当铝溶液局部受到强碱中和时，还会产生毒性较大的形式一聚合态羟基础1 3 【1 1 1 。 当土壤溶液接近中性时，则以固态a i ( o h ) 3 形式存在；在一定物候条件下，土壤中的原 生矿物发生强烈的风化，盐基被大量淋洗，致使f e 、舢氧化物的富集。当土壤环境p h 5 时，铝将以a 1 3 + 、a 1 ( o h ) ”、a i ( o h ) 2 + 形式存在【1 2 1 ；当p h 4 5 时，土壤a l 离子 主要以a 1 3 + 形态存在，而这是对植物毒性最大的形态【3 】o 此外，铝对植物的毒性还与温 度、土壤状况、季节变化以及溶液中其他阳离子浓度密切相关【7 l ，植物在最适合生长范 围内受铝毒害最为明显。 据统计，全世界可耕地面积的4 0 为酸性土壤【l3 1 ，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，约占全国可耕地面积的2 1 左右。近年来随着工矿业的迅 速发展，造成环境日益恶化，酸雨沉降频繁出现，加以农业生产活动中肥料的不合理施 用，加速了土壤的酸化和有毒离子态a 1 3 + 的溶出。铝毒已成为影响酸性土壤上作物生 产最为严重的问题之一【1 4 】。这在高温多雨的热带、亚热带地区尤为突出。因此，铝毒问 题成为当今国内外广泛关注的热点问题。 植物吸收a l 是由根系进行的【15 1 ，且吸收的主要形态为a l ”，但其吸收方式至尽仍 有争论。a 1 3 + 为多价、高价、半径小、活性高的阳离子，可能沿非原生质体通道进入细 胞。植物对它的吸收主要是以被动吸收方式进行，并主要随质流上移至地上部分【l 引。但 些文献报道，a l 也可以利用共质体通道，生长在铝毒土壤上的植物根系，非原生质体 含大部分a l ，也有部分进入共质体。因此，a 1 3 + 可通过质外体通道穿过皮层细胞，也可 铝诱导拄花草根系分泌柠檬酸及其调控机制的研究 利用共质体通过质膜进入中柱。由此可推测，植物根系对a j 的吸收主要是被动吸收， 同时也有极少部分是以主动吸收的方式进行的【1 7 1 。因此，植物很容易吸收过量铝而造成 毒害。 铝在植物体内移动性很小。a 1 被植物吸收后主要积累在根部，极少转移到地上部。 但是，绣球花、荞麦、茶树等些耐铝的植物的地上部也能够积累大量的铝。从组织水 平上看，根中铝的分布也是从外向内呈减少趋势，即中柱 内皮层 皮层 外皮层【1 8 】。 铝对植物的伤害不仅与进入植物体内a i 的数量有关，还与a l 在植物体内的活性有关【刀。 a l 进入植物体内一般为自由态和束缚态，前者位于细胞外的表观自由空间，不与细胞内 的物质结合，对植物毒害相对较小，后者则与细胞内的物质结合，改变了细胞原有的性 质而对细胞产生了毒害，这是灿对植物较大的一种危害。 可见，铝毒是酸性土壤上植物生长的一大克星。 3 铝对植物毒害及机理 酸性土壤中铝对植物产生毒害作用，这已被很多研究所证实。铝可与蛋白质结合， 也可与脂质、糖类、核酸等结合，干扰植物细胞内的代谢活动，影响各种生理生化过程 正常进行，从而抑制植物的生长【9 】。植物遭受铝毒的原初症状表现为根伸长受阻，随着 毒害进程的发展表现为侧根变短加粗，根毛减少，根尖肿胀。这也是区分植物遭受铝毒 与其它元素毒害的明显症状。根系收到铝毒害后，大大限制了植物对水分和养分的吸收， 从而影响了植物地上部分的生长与发育【1 9 】。随着铝毒胁迫的加深，植物地上部分出现铝 毒症状：植物茎叶生长受到抑制，幼叶变小，沿叶缘卷曲，叶片变黄【2 。 从细胞分子水平看，铝对植物细胞的毒害机理还表现在：1 、铝对植物细胞分裂和伸 长的抑制作用。这是铝对植物毒害最明显的特征：2 、影响酶活性，破坏细胞膜的结构 和功能，阻碍了细胞膜在植物吸收水分和养分过程中所起的作用【2 l j ；3 、破坏内源激素 的平衡。根尖是植物激素合成的重要部位，又是a l 毒害的初始部位瞄】。a l 损害了根系 分生组织的细胞活性，抑制了细胞分裂素的合成和向地上部分分生组织运输【2 3 1 。4 、影 响细胞骨架的结构和功能；5 、影响着细胞内外的信号转导，改变植物细胞内外信息传 递通路【2 4 1 。总之，众多有关铝毒机制的研究让人们逐步意识到铝对植物的毒害是一种综 合性的作用。 铝诱导桂花蕈报系分泌柠檬馥及其调控机制的研究 4 植物抗铝能力的基因型差异 在对铝毒的研究过程中，人们发现，同一环境中生长的不同植物对铝胁迫却表现出 不同反应，而且同种植物的不同基因型对铝毒的敏感性也存在巨大的差异。f o y 比较发 现水稻、燕麦、玉米、甘薯、甜菜、苜蓿、菜豆、大豆和番茄等作物品种间的抗铝性有 显著差异，其中水稻、甘薯、燕麦、玉米、大豆等耐铝性强，菜豆、番茄等作物耐铝性 中等，而甜菜、苜蓿等作物对铝较为敏感【2 5 1 。茶叶的老叶中铝浓度可高达 3 0 0 0 0 r a g k 岔1 d w 【2 6 j ，另一种称为绣球花( h y d r a n g e a ) 的植物，其叶片铝浓度可达3 0 0 0 m g k g d w 以上【2 7 】。p o l l c 在对小麦品种的筛选中发现，小麦品种间的耐铝性不同，它 们的耐铝性由强到弱依次为：a t l a s 6 6 、c h n e s e 、s p r i n g 、d r u c h a m p 、b r e v o r t 2 s 。在国内， 金华斌等从4 0 个花生品种的耐铝性比较试验中发现了一批高耐铝、中等耐铝及敏感型 的品种【2 9 l 。黎晓峰通过调查几种禾本科作物根的伸长、根尖的铝含量和铝诱导其根系有 机酸的分泌，探讨作物耐铝( 铝敏感) 性及作物对铝毒害的抵御机理，结果表明，水稻、 黑麦是耐铝的作物，而大麦、小麦( s c o u t 6 6 ) 是对铝敏感的作物，玉米和高粱对铝敏感 性较小麦弱【3 0 】。小麦和玉米品种间对铝的敏感性差异显著，而高粱对铝的敏感性品种间 差异性较小。这些说明在物种的进化过程中，植物对铝毒产生了一定的适应性，以适应 酸性土壤中过多的铝离子的胁迫环境。 5 铝诱导植物根系分泌有机酸是植物抵御铝毒的重要机制 已有很多关于植物抗铝机理报道。由于生物的生命过程本身相当复杂，代谢途径和 生物物种多种多样，当生物在为适应环境改变而发生自身变化时其途径可能会更多，植 物便以不同的抗性机理以适应铝胁迫的环境。目自仃因内外已提出多种假说试图解释这些 植物的抗性机理。植物对铝的抗性一般分为外部排斥机理和内部忍耐机理【3 卜3 2 】。排斥机 理主要是指植物阻止铝离子进入植物体内或达到细胞内敏感的代谢位置。常见的排斥机 理有：细胞壁对铝的固定：质膜对铝的选择透性；根际的p h 屏障；根系分泌铝螯合配 位体如有机酸，根系分泌磷酸盐以及a l 的分泌。内部解毒机理则是指离子进入体内后， 植物通过解毒作用获得对其抵抗力。内部解毒机理有：细胞内含物质如有机酸、蛋白质 或其它有机配位体对a l 的螫合作用、液泡的分隔化、形成铝结合蛋白、诱导耐铝酶系 的形成等机理达到缓解体内铝毒的目的【1 9 - 2 0 1 。在植物对铝毒的抵御机制中，有机酸的分 4 铝诱导柱花草根系分泌柠攘酸a 其调控机制的研究 泌被认为是最有力的主动性御毒策略。 5 1 植物根系在铝胁迫下分泌有机酸在其抵御铝毒害中的作用 有机酸是一种带有一个或多个羧基功能团的低分子量的碳氢氧化合物，易和金属发 生络合或螯合作用，其本身的特性在植物或微生物体对营养元素的吸收和代谢、植物对 金属的解毒等起着特有的不可替代的作用f 3 3 】。铝胁迫下，植物耐铝品种或基因型通过根 系向生长介质释放低分子量有机酸如柠檬酸、苹果酸和草酸等来解除或降低铝毒，这是 植物最重要的抗铝机制之一【3 3 。3 4 1 。 早在1 9 9 1 年，m i y a s a k a 等就发现了铝能诱导有机酸分泌的现象【”】。此后，人们先 后报道了在铝的胁迫下柠檬酸、苹果酸、草酸等低分子量有机酸的分泌。小麦、菜豆、 玉米、芋、荞麦、五色梅等植物的一些品种仅分泌一种有机酸；油菜、萝卜、燕麦、黑 小麦的一些品种能够分泌柠檬酸和苹果酸1 3 3 】。沈宏等对铝胁迫下菜豆有机酸分泌研究表 明，菜豆在铝毒胁迫主要分泌柠檬酸、酒石酸和乙酸，其中柠檬酸的分泌量最高，认为 菜豆有机酸，尤其是柠檬酸的分泌是适应铝胁迫的重要生理反应【3 6 j 。z h i 等也发现铝胁 迫对肉桂根尖诱导分泌柠檬酸的代谢调节有明显的影响【3 7 】。耐铝性极强的荞麦、芋，在 铝胁迫下能迅速分泌草酸，在铝毒溶液中直接加入有机酸也能改善铝对敏感品种的毒害 作用，并显著降低根细胞的死亡1 3 8 3 9 1 。在相同铝胁迫下，3 6 个小麦品种中苹果酸的分 泌量与其耐铝程度间有很高的相关性【4 0 l 。耐铝型小麦品种根系分泌更多的柠檬酸和苹果 酸，在这种品系中有机酸的分泌与黑麦染色体3 r 的短臂有关 4 1j ，这或许和铝与二羧酸、 三羧酸形成复合物不能运输通过根细胞质膜有关。 因铝的活性，铝供应时间的长短、生长环境及其他因子不同，根系分泌的有机酸数 量在不同物种间存在差异。z h e n g 等在属于5 个植物种类的8 个品种内对铝的忍耐程度 和铝诱导的有机酸的分泌的数量间关系进行检验，结果也发现高水平的有机酸的连续分 泌与作物对铝的高度忍耐有关f 4 2 1 。很多研究表明耐铝植物在铝胁迫下可分泌大量的有机 酸，在植物根区螯合铝形成稳定的复合体，阻止铝进入共质体从而降低铝的毒性。众多 证据让人们对有机酸分泌在植物耐铝机制中的地位已无庸置疑。 5 2 铝诱导植物根系分泌有机酸的特点 最易识别铝毒害的症状就是根的伸长受抑制，因此有人提出根尖是铝毒害的最初作 铝诱辱柱蔼羊根泵分泌柠檬政及其调控机制的研究 用部位，关于铝毒害的最初作用部位究竟是分生组织还是伸长区尚未有一致的说法。从 目前对有机酸在根系的分泌位点报道的资料来看，普遍认为根尖是有机酸的主要分泌位 点。在耐铝型小麦品系内，根尖比成熟组织分泌更多的苹果酸约3 5 倍左右【4 3 1 ，说明铝 刺激根尖分泌有机酸，而不是成熟组织。耐铝型玉米根系铝诱导的柠檬酸分泌也定位于 根尖，并发现耐铝型或敏感型不管是在有铝或无铝条件下比较成熟的根区均没有释放柠 檬酸。使用非破坏技术发现养麦根尖1 1 0 r a m 处分泌草酸f 4 2 1 。 众多研究证明铝胁迫条件下植物根系有机酸的分泌是铝胁迫的直接专一性反应 即q 5 1 。铝胁迫诱导黑麦、小麦等根系分泌有机酸，但缺磷不能诱导它们的根系分泌有机 酸；铝处理时决明、荞麦的根系分别能分泌柠檬酸、草酸以抵御铝的毒害，而相应地 砧1 3 、f e 、y b 、g a 、h 和缺磷都不能刺激有机酸的分泌m 】。b e n n e t 和b r e c n 发现，l a 3 + 、 y b 计与a 1 3 + 电荷数相同，对水稻和茶树根系生长的影响却不相同，比a 1 3 + 对根系生长的 抑制作用更强烈1 4 7 】，但在l a 和y b 处理下并不能诱导小麦根系分泌苹果酸。 5 3 铝诱导根系分泌有机酸的机制 在许多植物中都已经证实了耐铝基因型都具有上述这普遍的耐铝机理。尽管植物 体内同时存在多种有机酸，但不同植物在铝胁迫下为什么会分泌不同的有机酸? 从理论 上来说，柠檬酸阴离子在结合a 1 3 + 的能力上大于其它低分子量有机酸，可见，柠檬酸在 解铝毒能力上远高于苹果酸，对植物来说分泌柠檬酸比分泌苹果酸等其它有机酸更实 际，可不同植物又是如何去调控特定的有机酸分泌的。对诱导根系分泌有机酸的机制的 研究发现，根据铝胁迫与有机酸分泌的响应时间关系，m a 将有机酸分泌分为两类模式： 有机酸分泌模式i 以小麦、荞麦为代表，此类植物可快速对铝胁迫作出反应，就在几十 分钟内向介质中释放有机酸，而第1 1 分泌模式以玉米、绣球花、黑小麦、燕麦为代表， 这类植物对铝胁迫的反应有一明显的滞后期，一般需铝处理数小时后才+ 有明显的有机酸 分泌【4 i 】。这两大类分泌模式涉及有机酸的不同分泌机理。 研究表明有机酸的分泌并非单纯的跨膜被动流出，而是通过根尖细胞原生质膜上的 阴离子通道自动运往膜外的。早在1 9 9 7 年，r y a , 等人就利用膜片钳技术研究分离的耐 铝小麦根尖原生质体发现，铝可激活质膜上离子通道的活性，而l a 3 + 不能激活之，这一 研究首次报道了阴离子通道受a 1 3 + 激活【4 8 1 。随后，z h e n g 等的研究发现，阴离子通道抑 制剂抑制荞麦根系分泌草酸【3 9 】。南澳大利亚f l i n d e r s 大学的张文浩采用膜片钳技术研究 6 铝诱导柱花簟根系分泌柠捆e 畎及其啊控机制的研究 表1 铝诱导植物根系分泌有机酸及其分泌特性 t a b l e1c h a r a c t e r i z a t i o no f a li n d u c e do r g a n i ca c i ds e c r e t i o ni np l a n tr o o t s 小麦原生质膜苹果酸透性通道，发现铝激发原生质膜上驱动阴离子跨膜移动的电流，该 电流有利于苹果酸的膜透性【4 引。k o u m e i e r 等人认为，铝激活玉米d t z 根区阴离子通道， 并使玉米易于分泌柠檬酸，提高植物的耐铝性【5 0 i 。 从表l 得知，在铝胁迫下，不同植物分泌不同有机酸，受不同阴离子通道抑制剂的 抑制，这些结果表明，离子通道的特性随有机酸的种类或者作物的种类不同而不同。 铝诱导植物根系有机酸分泌的调控还涉及相关的代谢。有关研究发现，铝胁迫诱导 的有机酸分泌似乎与三羧酸( t c a ) 循环中的有机酸的合成或者分解速率改变有关。l i 等 用1 0 5 0 i t m o l l a 1 c 1 3 处理黑麦根系，铝处理4 小时后的根尖柠檬酸合成酶活性明显提 高【5 5 】。铝诱导大豆根系分泌柠檬酸过程中，柠檬酸合成酶活性被铝激活，而柠檬酸代谢 关系密切的另一些酶如苹果酸脱氢酶( m d h ) 、磷酸稀醇式丙酮酸羧化酶( p e p c a s e ) 、 n a d p 异柠檬酸脱氢酶活性没有明显变化【5 6 】。李德华等在研究玉米两种自交系根系有机 酸分泌过程中观察到，其中一个抗性系z 1 经铝处理后根系n a d p 。m d h 活性显著增加， 且n a d p m d h 活性增加与苹果酸分泌有很好的关联性【5 7 1 。美国明尼苏达大学的t e s f a y e 等将苹果酸脱氢酶基因转移到苜蓿中后苹果酸脱氢酶活性提高1 6 倍，根尖内苹果酸含 量提高4 2 倍，有机酸的分泌提高了7 1 倍，使苜蓿对铝的抗性提高【5 引。铝刺激有机酸 铝诱导桂花革根泵分泌柠檬酸及其调控机制的研究 相关合成酶活性提高的机制已得到转基因实验的支持。这些研究结果都证明了根系有机 酸的代谢( 合成、降解) 可能是一部分耐铝植物有机酸大量分泌的重要因素，铝诱导这 些植物柠檬酸、苹果酸的分泌可能与其根系内相关酶活性的提高有关。但迄今的报道表 明，有机酸分泌模式不同，其结果亦不同，仍有待进一步证呼5 5 巧9 1 。 其他因素也可能涉及有机酸分泌的调控。t c a 发生于线粒体内，线粒体内合成的有 机酸向外运转必须先经过线粒体膜，而膜上载体在溶质跨膜过程中起重要作用。l i 等的 研究发现，柠檬酸载体抑制剂p y r i d o x a l 5 一p 和p h e n y l i s o t h i o c y a n a t e 均强烈抑制铝诱导的 黑麦根系柠檬酸的分泌【55 | 。m e r s a l 可抑制大豆耐铝基因型p 1 4 1 6 9 3 7 根系铝诱导的柠檬 酸分泌。这些实验表明线粒体膜上载体也可能是调节有机酸向外分泌的关键因素。在蛋 白对有机酸分泌的影响方面，l i 等发现蛋白合成抑制剂环己酰亚胺抑制铝诱导黑麦根系 分泌有机酸【5 5 1 。最近，y a n g 等发现蛋白合成抑制剂对不同模式分泌有机酸的植物的影 响不一致，蛋白合成抑制剂抑制模式i i 的植物( 决明) 分泌柠檬酸，而不影响模式i 植 物( 养麦) 分泌草酸【删。 6 与有机酸分泌有关的细胞信号转导 现已证明，有机酸的大量分泌是通过铝诱导有机酸阴离子通道实现的。但迄今人们 还不清楚铝是如何通过何种方式来调节根尖分泌有机酸离子通道的活性。目前至少有两 种假设【5 9 l ：( 1 ) 铝直接与通道蛋白结合，激活通道丌启；( 2 ) 铝首先同一个位于质膜上 的专一性的受体结合，然后启动一个第二信号级联系统来激活离子通道。 阴离子通道与膜上复杂的信号转导串联有关。作为重要的第二信使之一，c a 2 + 调节 植物对多种外源胁迫因子的响应。在胁迫下，细胞质内c a 2 + 浓度常出现波动。铝可能干 扰细胞的c a 2 + 平衡和c a 2 + 调节的信号转导。z h a n g 和r e n g e l 等发现，在小麦中，铝处理 能持续性( 1 h 以上) 引起根尖胞质内c a 2 + 水平的增加，他们认为c a 2 + 的失衡引起钙信号传 导途径中断，以致影响细胞的正常分裂和伸长1 6 。j o n e s 等在烟草细胞种观察到，铝能 够诱导细胞内c a 2 + 水平的下