一氧化氮调控根尖细胞壁多糖组分适应水稻耐铝的作用机制
一氧化氮(nitric oxide，NO)是植物体内的重要信号分子，参与植物的多种胁迫响应过程。细胞壁在植物根系生长过程中首先接触铝，而细胞壁结合铝后其结构与功能遭到破坏，因此铝胁迫下维持根尖细胞壁组分和结构稳定可以提高植物抗铝性。水稻是抗铝性最强的禾谷类作物，根尖细胞壁排斥铝在缓解铝毒胁迫中起关键作用。但细胞壁如何感知和适应铝毒，该过程是否受NO调控，其调控机制并不清楚。本论文先以耐铝能力有差异显著的4种禾本科植物为材料，研究细胞壁排斥铝的差异性和NO对铝毒的响应过程。在此基础上，通过铝毒下水稻根尖内源一氧化氮(NO)的动态变化和产生途径分析确定NO对铝毒的响应过程，验证NO在水稻抗铝毒中的作用，并确定水稻细胞壁结合铝的主要多糖组分，进一步研究NO调控该组分合成与抗铝性之间的关系。具体研究结果如下: (1)采用水培法，以水稻、玉米、高粱、小麦的耐铝和铝敏感品种为材料，比较研究四类禾本科植物8个品种的耐铝能力，确定铝积累的主要细胞壁多糖组分。在5～200μmol·L-1 Al处理下，水稻日本晴和浙辐802的根长抑制率为19.8％和34.7％、玉米济单7和农大108为27.0％、45.5％、高粱丰优6和万农两糯1为49.3％和59.5％、小麦扬麦18和扬麦16为58.2％和67.8％，耐铝顺序为水稻＞玉米＞高粱＞小麦。50μmol·L-1Al处理下根小麦根尖的果胶和半纤维素增幅显著高于水稻，半纤维素2含量则表现为前者高于后者。浙辐802和日本晴细胞壁中有63.6％和30.2％的Al积累在果胶，34.8％和68.3％积累在半纤维素1。扬麦16和扬麦18的细胞壁中有59.9％和39.3％的Al积累在果胶，38.3％和61.1％的Al半纤维素1。根尖细胞壁对铝的吸附解吸表明更多的铝被吸附和固着在小麦细胞壁上，其中扬麦16较扬麦18吸附的更紧密。Al处理下根尖NO含量显著升高，水稻NO含量明显高于小麦。这些结果表明禾本科植物多糖在外部排斥铝上起重要作用，且铝敏感品种趋向以果胶排铝为主，耐铝品种则以半纤维素1排铝占主导。 (2)以水稻品种浙辐802(铝敏感)和日本晴（耐铝)为材料，采用水培法研究铝毒下外源NO对幼苗根系生长、NO产生和细胞壁抗铝的影响。结果表明浙辐802根伸长抑制率和根尖Al含量高于日本晴，浙辐802和日本晴根尖细胞壁中的Al积累量占根尖总Al量的90.4％和70.1％。50μmol·L-1Al处理下，根尖NO含量随处理时间增加逐渐升高，在12h时达到最大，且日本晴明显高于浙辐802。Al处理下水稻根尖硝酸还原酶(NR)活性显著增加，而一氧化氮合酶(NOS)活性在Al处理前后无差异，暗示NR可能起调节铝毒下水稻根尖NO的释放作用。与Al处理相比，Al+SNP处理下日本晴和浙辐802的根相对伸长率分别提高32.3％和91.7％，根尖Al含量分别降低68.6％和60.9％，细胞壁Al含量分别降低39.4％和44.3％，表明外源NO作用可减少Al在根尖及细胞壁的积累。外源NO使Al下水稻幼苗根尖细胞壁多糖（果胶、半纤维素1、半纤维素2）含量及根尖果胶甲酯化酶(PME)活性下降，铝吸附-解吸实验进一步表明反映NO显著降低细胞壁对Al的吸附及固定，这些变化在浙辐802上较日本晴表现的更为显著，且外源NO的该种作用可以被75μmol·L-1 NO清除剂(carboxy-PTIO，cPTIO)和5μmol·L-1 NO内源抑制剂(NaN3)逆转。可见，外源NO通过调节根尖细胞壁组分含量以减少Al在细胞壁积累，进而有效降低Al对根尖的伤害。 (3)以水稻品种浙辐802为材料，采用外源NO、NOS和NR抑制剂，探究铝毒下水稻根尖NO的产生途径。结果表明50μmol·L-1 Al能显著抑制水稻根系伸长，增加根尖Al含量，提高NR活性，引起根尖NO释放。而NR抑制剂在2μmol·L-1Na2WO4和5μmol·L-1 NaN3预处理加剧Al对水稻根系伸长的抑制，促使根尖Al含量显著增加，抑制根尖NR活性，减少NO释放，且100μmol·L-1 SNP预处理能逆转这一过程，而NOS抑制剂L-NAA、L-NAME对NOS活性和NO含量影响不大。以上结果表明NR是铝胁迫下水稻根尖内源NO产生的主要途径。 (4)以水稻品种敏感品种浙辐802和耐铝品种日本晴为材料，采用水培法研究铝毒下外源NO对幼苗根系生长、活性氧产生的影响，探讨外源NO调节活性氧以提高水稻耐铝性的机制。结果表明，50μmol·L-1 Al能显著抑制水稻根系生长，促使根失Al、过氧化氢(H2O2)和超氧阴离子自由基(O2-(·))含量显著增加，在浙辐802上比日本晴更为明显。而100μmol·L-1 SNP预处理能使铝毒下水稻幼苗浙辐802和日本晴根相对伸长率增加91.7％和32.3％，根尖Al下降68.6％和60.9％、H2O2降低15.4％和16.9％、O2-含量降低12.9％和22.9％，表明NO可部分缓解Al毒害，且这种作用与调节ROS有关。外源NO同时使铝胁迫下浙辐802上比日本晴根尖NO含量显著增加，使NR活性明显下降但对NOS活性无影响，且外源NO的该种作用可以被75μmol·L-1 NO清除剂cPTIO和5μmol·L-1内源NO阻断剂NaN3逆转和加剧。可见，外源NO在通过提升根尖NO浓度以调节活性氧代谢、降低根尖Al积累对水稻根系胁迫上起着重要作用。
水稻;铝胁迫响应;一氧化氮调控;细胞壁多糖;活性氧
浙江师范大学
硕士
植物学
蔡妙珍
2014
中文
S432.21;S435.111.2
87
2015-04-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）