吴文杰，钱莲文

（泉州师范学院 a.化学与生命学院；b.资源与环境学院，福建 泉州 362000）

常绿杨根伸长区铝毒指标性超微结构的研究

吴文杰a，钱莲文b

（泉州师范学院 a.化学与生命学院；b.资源与环境学院，福建 泉州 362000）

以常绿杨Populus×enramericana cv.A-61/186根尖为材料，研究根伸长区细胞铝中毒的超微结构标志性特征。结果表明：（1）低度慢性（0.074 mmol/L 90 d）中毒结构指标： 细胞壁“弯勾壁”（Hook wall）呈大小勾状且部分壁断裂，“梭形胞基质”（Spindle cell stroma）瘦长形且具孔洞；（2）中度中性（0.370 mmol/L，60 d）中毒结构指标：细胞壁间隙和局部胞间层溶解，“梭形胞基质”（Spindlecell stroma）分解呈松长线团状；（3）高度急性（0.518 mmol/L，30 d）中毒结构指标：细胞壁溶解，“弯勾壁”（Hook wall）呈多个细长勾重叠，“梭形胞基质”（Spindle cell stroma）多个细长具孔洞。本次实验发现并提出的“弯勾壁”（Hook wall）和“梭形胞基质”（Spindle cell stroma）这两个超微结构名词，填补了铝中毒诊断的结构指标，充实了细胞毒理解剖学内容。

常绿杨；根伸长区；细胞铝毒害；铝中毒诊断；超微结构指标

土壤中的铝离子进入植物根尖并成倍富集，直接阻碍了细胞的伸长，在小麦根尖铝毒[1]和玉米根尖铝毒的研究中已经证实[2]。铝毒害植物根的明显症状是根的长度受抑制[3]，外形表现为根系粗短，根尖肿大、根毛数量变少[4]，导致植物根系活力下降，降低了根的吸收能力，从而限制了植物正常的生长发育[5]。小麦根尖受铝毒后，其伸长区细胞疏松排列，特别是伸长区皮层细胞间隙小，形态扁平，细胞壁褶皱起伏不平，相靠近的细胞交合在一起,这些超微结构显示，铝胁迫使根尖伸长区细胞正常的纵向伸长转变为横向生长[6]。铝与杨树根尖伸长区的关系研究，还未见报道，本次实验旨在从超微结构水平探究铝毒害杨树根尖伸长区细胞的解剖学机理。

1 材料与方法

1.1 材 料

于2013年3月从本研究实验苗圃地剪取约15 cm长的常绿杨Populus×enramericana cv.A-61/186一年生插条，扦插在白色泡沫箱内，箱内盛18 L培养液，用一泡沫浮于培养液面作为插条的固定支持物，每盆每无性系扦插6株，随机排列，共24盆，用空气泵昼夜连续通气；扦插后先用自来水培养20 d，生根后挑选生长状况基本一致的苗木分装6盆，每盆6株，用Hoagland全素营养液培养，用稀盐酸调整pH值为4.8，分别加入不同浓度的AlCl3·6H2O，使培养液中的对照实验和铝浓度1至浓度5分别为：0、0.074、0.222、0.370、0.518、0.666 mmol·L-1。在胁迫 30、60、90 d 时分别取长势一致部位相同的根尖作为电镜观察的材料。

1.2 透射电镜观察

铝胁迫第30、60和90天，分别将采集的材料，迅速投进5%戊二醛（0.1 mol/L PBS配制，pH值7.0）的固定液里，抽气使材料沉底，在4℃冰箱里固定24 h，用0.1 mol/L PBS冲洗后，再用1%饿酸溶液固定4 h，重蒸水多次冲洗，经系列浓度乙醇脱水后，用Epon 812环氧树脂加以包埋，用LIMB V型超薄切片机进行纵切，切片用醋酸双氧铀及柠檬酸铅进行染色，在日立H-7650型透射电子显微镜下进行观察及拍片。

2 结果与分析

2.1 铝胁迫30 d杨树根伸长区细胞超微结构变化

第30天的图0-30、图1-30 、图2-30、图3-30、图4-30和图5-30分别是对照实验、铝浓度1至浓度5的超微结构（见图1）。

细胞壁变化：对照实验的细胞壁着色深明显易见，出现小结构“弯勾壁（Hw：hook wall）”的特殊结构；浓度1细胞壁厚薄不均，在薄壁处出现“弯勾壁”（Hw：hook wall）雏形；浓度2细胞壁间隙和局部胞间层空洞，未见其他特殊结构；浓度3部分细胞间隙和胞间层透亮，“弯勾壁（Hw：hook wall）”呈连续两个小勾；浓度4细胞壁模糊，“弯勾壁（Hw：hook wall）”呈多个细长勾重叠；浓度5细胞壁模糊，“弯勾壁（Hw：hook wall）”多个长勾聚集。

胞基质的变化：对照实验细胞内基质未见绞织成团；浓度1细胞内基质部分呈聚集态；浓度2“梭形胞基质”（Scs：Spindle cell stroma）已成形，且浓密结实；浓度3“梭形胞基质”（Scs：Spindle cell stroma）轻微收缩密集；浓度4“梭形胞基质”（Scs：Spindle cell stroma）多个细长有空洞；浓度5“梭形胞基质”（Scs：Spindle cell stroma）呈瓦解松散态。

细胞器的变化：随着浓度的升高淀粉粒有减少的趋势，液泡由大而明显变化到小而暗淡的趋向。

2.2 铝胁迫60 d杨树根伸长区细胞超微结构变化

细胞壁变化：对照实验的细胞 “弯勾壁”（Hw：hook wall）呈一大弯两大勾状（见图1中0-60）；浓度1细胞“弯勾壁（Hw：hook wall）”呈一大弯两侧各一个长勾状（见图1中1-60）；浓度2“弯勾壁（Hw：hook wall）”呈一大勾一小勾，小勾出部分壁断裂（见图1中2-60）；浓度3细胞间隙和部分的胞间层透亮，“弯勾壁（Hw：hook wall）”连续两个大勾（见图1中3-60）；浓度4细胞壁模糊，“弯勾壁（Hw：hook wall）”多个钝勾波浪排列（见图1中4-60）；浓度5细胞壁模糊，未见特殊结构。

胞基质的变化：对照实验“梭形胞基质”（Scs：Spindle cell stroma）较小较瘦（见图1中0-60）；浓度1细胞内可见“梭形胞基质（Scs：Spindle cell stroma）”雏形（见图1中1-60）；浓度2可见“梭形胞基质”（Scs：Spindle cell stroma）收缩呈有空洞团状（见图1中2-60）；浓度3“梭形胞基质”（Scs：Spindle cell stroma）瓦解呈松长线团状（见图1中3-60）；浓度4“梭形胞基质”（Scs：Spindle cell stroma）呈团状收缩密集（见图1中4-60）；浓度5只见胞基质的密集碎块（见图1中5-60）。

细胞器的变化：随着浓度的升高质体有减少的趋势，淀粉粒有增多的趋势；液泡由大而明显变化到小而暗淡的趋向。

2.3 铝胁迫90 d杨树根伸长区细胞超微结构变化

细胞壁变化：对照实验细胞壁深灰色隙致密紧凑，其弯勾壁”（Hw：hook wall）呈一小勾状（见图1中0-90）；浓度1细胞壁具 “弯勾壁（Hw：hook wall）”雏形（见图1中1-90）；浓度2“弯勾壁（Hw：hook wall）”呈两大勾一小勾，部分壁断裂（见图1中2-90）；浓度3弯勾壁（Hw：hook wall）”呈连一大勾两小勾，部分壁模糊断裂（见图1中3-90）；浓度4“弯勾壁（Hw：hook wall）”呈连一大勾（见图1中4-90）；浓度5细胞壁出现显著的断裂（见图1中5-90）。

胞基质的变化：对照实验细胞“梭形胞基质”（Scs：Spindle cell stroma）变大变胖（见图1中0-90）；浓度1大型带飘线的“梭形胞基质（Scs：Spindle cell stroma）”（见图1中1-90）；浓度2“梭形胞基质”（Scs：Spindle cell stroma）变瘦变长，出现空洞（见图1中2-90）；浓度3“梭形胞基质”（Scs：Spindle cell stroma）浓密，变瘦变小（见图1中3-90）；浓度4“梭形胞基质”（Scs：Spindle cell stroma）离解成多个浓密，局部空洞（见图1中4-90）；浓度5只见胞基质的密集碎块（见图1中5-90）。

图1 纵向图片排列示各浓度的超微结构（×15 000）Fig.1 Portrait picture arrangement shown in each concentration ultrastructure (×15 000)

细胞器的变化：质体呈正态分布，两边的浓度少中间的浓度多；液泡呈正态分布，两边的浓度大而明显，中间的浓度小而暗淡；淀粉粒有增多的趋势；液泡由大而明显变化到小而暗淡的趋向；蛋白质球有增多的趋势。

总之，30 d在浓度4胁迫下铝导致细胞“弯勾壁（Hw：hook wall）”数量变多并开始瓦解；60 d浓度3导致细胞“梭形胞基质”（Scs：Spindle cell stroma）松散瓦解； 90 d浓度2细胞壁开始瓦解断裂。

浓度2(90 d)“弯勾壁（Hw：hook wall）”呈两大勾一小勾，部分壁断裂，“梭形胞基质”（Scs：Spindle cell stroma）变瘦变长，出现空洞；浓度3(60 d)细胞壁间隙和部分的胞间层开始溶解，梭形胞基质”（Scs：Spindle cell stroma）瓦解呈松长线团状；浓度4(30 d)细胞壁溶解，“弯勾壁（Hw：hook wall）”呈多个细长勾重叠，“梭形胞基质”（Scs：Spindle cell stroma）多个细长有空洞。

时间与浓度作用关系呈负相关性。时间短浓度较高，主要作用在细胞壁上；随着时间延长浓度降低主要作用在胞基质上；时间增加浓度低，细胞壁和胞基质同时溶解。

3 结论与讨论

细胞壁是铝进入植物根尖的首要累积部位，有研究报道，小麦根系中77%的铝累积在细胞壁[7]。在铝胁迫下，耐铝型水稻品种的细胞壁铝含量高达80%[8]，大麦的根细胞壁中能累积铝达85%以上[9]。由于细胞壁大量累积铝，使得细胞壁的形成及其代谢系统受影响，引起细胞壁正常结构及功能的改变。本次实验根伸长区细胞壁也出现结构改变，呈现“弯勾壁”特殊结构。

细胞壁富集铝后，细胞壁组成物质的成分、含量和比例发生改变，进而使细胞壁在结构和功能上发生变化，特别是在细胞壁延伸性、刚柔性和和酶活性方面发生变化，抑制了细胞的伸长[10]。铝胁迫下细胞壁的主要化学成分纤维素、半纤维素和果胶等发生变化，改变状况能反应出植物受铝毒的程度。

铝胁迫下根尖细胞壁的素纤维含量升高，使细胞壁硬化，进而抑制了细胞的伸长。有学者Houd和Diallo应用微阵列图谱技术，对小麦根尖细胞的纤维素合成酶基因进行研究，得出其表达量显著提高，并将该基因作为耐铝毒基因[11]。但也有研究发现，铝毒使得小麦根尖的细胞壁纤维素含量下降，而伴有根短及根尖外形有肿胀现象，较少的微纤维排列方向发生变化，由正常的垂直方向排列变化为平行方向排列，从而使细胞生长方向由原来的纵向生长转变为横向生长[12]。铝胁迫下杨树根尖细胞壁纤维素含量是上升还是下降，还需作深入的研究，探究铝胁迫影响纤维素的合成机理。

铝胁迫能导致根尖细胞壁半纤维素含量明显提高，通过铝毒对水稻[8]、小麦[13]和南瓜[14]细胞壁半纤维素含量的影响研究得以证实。而从植物信号转导角度研究，信号物质NO的强度，能显著降低铝胁迫下水稻根尖细胞壁半纤维的含量，降低铝在根尖的积累含量，减少铝毒害程度[15]。植物信号转导现象，如应用于杨树根尖细胞的研究，进一被揭示其明确的调控过机理，对提高杨树根的抗铝毒能力具有现实意义。

铝胁迫导致根尖细胞壁果胶含量上升，是铝降低了果胶分解代谢的结果[10]。铝离子与果胶酸的游离梭基结合力大于二价离子钙和铜离子，铝离子置换了果胶中的二价离子，牢固结合了果胶梭基，加剧了凝胶化，凝胶化使细胞壁变硬，进而抑制了细胞的伸长[16]。

有研究报道，木质素、bingdi质也是植物耐铝的重要指标[17]。木质素和bingdi含量升高使得细胞壁变厚而使其弹性变小，因而抑制了细胞伸长[18]。铝胁迫下细胞壁半纤维素和果胶含量上升高增强了铝的累积量，加剧了铝毒程度[19]，进而影响了木质素代谢相关酶的活性以及其代谢产物的变化，使木质素含量显著增高，木质素填充于细胞壁中，使细胞壁见坚硬而木质化，抵制了细胞的膨压伸长动力，使根伸长受抑制[20]。杨树根伸长区细胞壁出现断裂现象，可能与木质素含量提高有关联，还需作深入的研究。

有报道成熟花粉内的细胞质聚集体与微丝束有关联，花粉活化后微丝聚集体散开；花粉萌发后，细胞质中出现周质微管和被刺小泡，微丝以纤丝状遍布整个花粉管中[21-22]。本次研究在铝胁迫下杨树根伸长区细胞内存在的“梭形胞基质”（Spindle cell stroma）特殊结构，可能与微丝微管的聚集体状态有关联，还需作深入的研究，以揭示其形成机理。

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Indicative effects of acid and aluminum stress on cell ultrastructure in root elongation zone of evergreen poplar clone

WU Wen-jiea, QIAN Lian-wenb
(a. College of Chemistry and Life science; b. College of Resources and Environment Science, Quanzhou Normal University,Quanzhou 362000, Fujian, China)

The indicative effect of ultrastructure of root cap cells were studied under controlled concentration and acting time with evergreen poplar clone (Populus×enramericana cv.A-61/186). The results show as follows. Low-grade chronic toxicosis indication(0.074 mmol/L, 90 dats): Cell wall showed as “Hook wall” of different size and parts of wall were broken, “Spindle cell stroma”appeared as slender shape with holes on it; Moderate neutral toxicosis indication (0.370 mmol/L, 60 days): The intercellular space of cells and middle lamella began to decompose, “Spindle cell stroma” were loosen and presented as long thread shape; Highly acute toxicosis indication (0.518 mmol/L, 30 days): Cell wall were decomposed and the hook of “Hook wall” were thin and long and overlap,“Spindle cell stroma” appeared as thin and long shape with many holes on it. The new cell ultrastructure noun “Hook wall” and “Spindle cell stroma” were founded and proposed in the experiment. The findings fill in the blanks of diagnosing ultrastructure indication of aluminum poison and enrich the contents of cell toxicity of anatomy.

evergreen poplar; root elongation zone; cell aluminum toxicity; aluminum intoxication diagnosis; ultrastructure indication

S792.11

A

1673-923X(2015)11-0005-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.11.002

2015-06-10

国家自然科学基金项目(31100459)；福建省教育厅A类科技计划项目（JA12272）

吴文杰，副教授 通讯作者：钱莲文，副教授，博士；E-mail：lianwenq@qq.com

吴文杰，钱莲文.常绿杨根伸长区铝毒指标性超微结构的研究[J].中南林业科技大学学报, 2015, 35(11): 5-9.

[本文编校：吴 毅]