植物内皮层的分化及其屏障功能研究进展

植物根系最主要的作用之一是从土壤中获取养分并将其运输至地上部。水和营养物质径向穿过根的表皮、皮层、内皮层等所有外部细胞层,才能到达中柱,以供地上部代谢所需。其中,内皮层细胞在发育过程中会经历两个特殊的分化阶段,分别形成凯氏带和木栓层两种扩散屏障,二者在控制养分获取与流失方面起着重要的作用。该文就近年来国内外有关植物内皮层分化过程及其屏障功能方面的研究进展进行了综述,以期对深入探索内皮层屏障在植物生长发育和逆境适应中的作用提供参考,为植物育种工作开辟新的思路。     

植物根中质外体屏障结构和生理功能研究进展

综述了近10年来植物根中质外体屏障结构和功能的研究进展。质外体屏障指根中内、外皮层初生壁的凯氏带,或次生壁栓质化和木质化,以及植物体表角质层组成的保护组织,能隔绝水、离子和氧气不能自由进出植物体的屏障结构,具有保护植物体的生理功能。根中凯氏带的分子发育机理研究表明根内皮层类似哺乳动物上皮组织的保护作用。植物根中质外体保证内部各种生理代谢在稳定的内部环境中进行,是植物适应各种逆境的重要屏障结构。根中质外体屏障在植物适应干旱、洪涝灾害、离子胁迫和病虫害的侵袭等方面具有重要作用,在探索适应并修复极端生态环境的植物资源中有广阔的应用前景。     

菰适应湿地环境的解剖和屏障结构特征研究

菰(Zizania latifolia)是一种多年生挺水植物,为了探讨该植物根、茎和叶的解剖结构、组织化学及其质外体屏障的通透性生理。该文利用光学显微镜和荧光显微镜,对菰的根、茎、叶进行了解剖学和组织化学研究。结果表明:(1)菰不定根解剖结构由外而内分别为表皮、外皮层、单层细胞的厚壁机械组织层、皮层、内皮层和维管柱;茎结构由外而内分别为角质层、表皮、周缘厚壁机械组织层、皮层、具维管束的厚壁组织层和髓腔。叶鞘具有表皮和具维管束皮层,叶片具有表皮,叶肉和维管束。(2)不定根具有位于内侧的内皮层及其邻近栓质化细胞和外侧的外皮层组成的屏障结构;茎具内侧厚壁机械组织层,外侧的角质层和周缘厚壁机械组织层组成的屏障结构,屏障结构的细胞壁具凯氏带、木栓质和木质素沉积的组织化学特点,叶表面具有角质层。(3)菰通气组织包括根中通气组织,茎、叶皮层的通气组织和髓腔。(4)菰的屏障结构和解剖结构是其适应湿地环境的重要特征,但其茎周缘厚壁层和厚壁组织层较薄。由此推测,菰适应湿地环境,但在旱生环境中分布有一定的局限性。     

质外体及其生理作用

植物质外体包括细胞壁和细胞间隙部分,它在地上器官和根皮层的组织体积中仅占5％或更少,但它在植物生理学方面有着不可低估的意义。它决定了浸浴细胞膜的介质中离子成份,控制胞外溶质的运输,影响包括细胞生长的一些生理活动等。     

潜在性缺铁条件下大豆根系质外体铁库的积累与利用

用营养液培养方法研究了在不同供铁条件下,大豆根系质外体铁库的积累与活化利用。结果表明：１．供应难溶性Ｆｅ（ＯＨ）３,大豆根系质外体铁库呈现出积累与亏缺的节律性变化。与之相应出现根系还原力的降低与升高的节律性变化,但地上部总铁含量和新叶叶绿素含量的无变化。     

潜在性缺铁条件下大豆根系质外体铁库的积累与利用

用营养液培养方法研究了在不同供铁条件下,大豆根系质外体铁库的积累与活化利用。结果表明：1、供应难溶性Fe（OH）3,大豆根系质外体铁库呈现出积累与亏缺的节律性变化。与之相应出现根系还原力的降低与升高的节律性变化,但地上部总铁含量和新叶叶绿素含量均无变化。说明了根系质外体铁库的利用,维持了大豆正常生长需铁。2、对缺铁植株脉冲供铁后,大豆根系质外体铁库首先出现明显积累,随后一直处于下降状态,与此同时根系还原力表现出相应的变化,前期下降,后期有波动。地上部总铁含量与新叶叶绿素含量的变化与前两者密切联系,出现升高、降低不同趋势的变化。     

植物细胞质外体多肽与蛋白研究

细胞质膜以外的质外体是植物细胞的重要组成部分, 质外体是植物细胞的重要信号源和细胞器。当植物遭受生物或非生物环境刺激时,可能首先引起质外体信号系统的变化; 同时质外体作为植物细胞之间最方便的通道, 在细胞间信号传递和信息交流上起重要作用, 从而成为协调植物细胞分化、器官形成和整体生长发育的决定性因素之一。本文概括地介绍了我室在此领域的一些研究进展。     

植物细胞质外体多肽与蛋白研究

细胞质膜以外的质外体是植物细胞的重要组成部分,质外体是植物细胞的重要信号源和细胞器。当植物遭受生物或非生物环境刺激时,可能首先引起质外体信号系统的变化;同时质外体作为植物细胞之间最方便的通道,在细胞间信号传递和信息交流上起重要作用,从而成为协调植物细胞分化、器官形成和整体生长发育的决定性因素之一。本文概括地介绍了我室在此领域的一些研究进展。     

植物细胞质外体pH感受机制的解析

质外体是植物感受和应答环境胁迫(包括生物和非生物胁迫)的前沿区域。质外体的pH值是被严格调控的重要生理参数。环境胁迫(如细菌病害)等会引起植物细胞质外体碱化现象。然而, 质外体pH如何协调根生长与免疫响应? 其分子调控机制尚不清楚。最近, 南方科技大学生命科学学院郭红卫团队与清华大学-德国马克斯普朗克研究所-科隆大学柴继杰团队以模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)为研究材料, 通过遗传学、细胞生物学、生物化学和结构生物学等综合手段, 发现细胞表面小肽-受体复合物可作为质外体pH感受器, 感受和应答分子模式触发的免疫(PTI)引发的拟南芥根尖分生组织细胞质外体碱化。该研究揭示了植物根尖分生组织细胞质外体pH感受的蛋白质复合物及响应机制, 以及免疫与生长之间的协调机制, 加深了人们对植物如何平衡生长与免疫应答生物学反应过程的理解。     

Effects of NO 3 deficiency and NaCl stress on suberin deposition in rhizo- and hypodermal (RHCW) and endodermal cell walls (ECW) of castor bean (Ricinus communis L.) roots

Castor bean (Ricinus communis L.) plants were hydroponically cultivated to achieve NO₃ deficiency (N starvation), salt stress (addition of 100 mM NaCl), or normal conditions. Endodermal (ECW) and rhizodermal and hypodermal cell walls (RHCW) were isolated enzymatically from roots, and suberin monomers were released by transesterification after solvent extraction. Aromatic and aliphatic suberin monomers were identified and quantified by gas chromatography and mass spectrometry. Between 90 and 95% of the released suberin monomers were linear, long-chain, aliphatic compounds (alcohols, acids, diacids, ω-hydroxy acids and 2-hydroxy acids) with an average chain length of 19 C-atoms. The remainder was an aromatic suberin fraction mainly composed of coumaric and ferulic acid. Suberin amounts were significantly increased in ECW and RHCW in the presence of NaCl. In contrast, N starvation led to significantly reduced levels of suberization in ECW and RHCW. It is concluded that R. communis plants reinforce their apoplastic transport barriers in roots in adaptation to NaCl stress in order to minimize NaCl uptake. Under conditions of N starvation the opposite occurs and plants reduce the suberization of their apoplastic transport barriers to facilitate nutrient uptake form the soil.     

Plant roots employ cell-layer-specific programs to respond to pathogenic and beneficial microbes

1. Download : Download high-res image (276KB)
2. Download : Download full-size image

     

Abscisic acid‐mediated modifications of radial apoplastic transport pathway play a key role in cadmium uptake in hyperaccumulator Sedum alfredii

Abscisic acid (ABA) is a key phytohormone underlying plant resistance to toxic metals. However, regulatory effects of ABA on apoplastic transport in roots and consequences for uptake of metal ions are poorly understood. Here, we demonstrate how ABA regulates development of apoplastic barriers in roots of two ecotypes of Sedum alfredii and assess effects on cadmium (Cd) uptake. Under Cd treatment, increased endogenous ABA level was detected in roots of nonhyperaccumulating ecotype (NHE) due to up‐regulated expressions of ABA biosynthesis genes (SaABA2, SaNCED), but no change was observed in hyperaccumulating ecotype (HE). Simultaneously, endodermal Casparian strips (CSs) and suberin lamellae (SL) were deposited closer to root tips of NHE compared with HE. Interestingly, the vessel‐to‐CSs overlap was identified as an ABA‐driven anatomical trait. Results of correlation analyses and exogenous applications of ABA/Abamine indicate that ABA regulates development of both types of apoplastic barriers through promoting activities of phenylalanine ammonialyase, peroxidase, and expressions of suberin‐related genes (SaCYP86A1, SaGPAT5, and SaKCS20). Using scanning ion‐selected electrode technique and PTS tracer confirmed that ABA‐promoted deposition of CSs and SL significantly reduced Cd entrance into root stele. Therefore, maintenance of low ABA levels in HE minimized deposition of apoplastic barriers and allowed maximization of Cd uptake via apoplastic pathway.     

植物细胞壁组织化学定位染色方法和技术的比较研究

利用光学和荧光显微镜比较研究几种植物细胞壁组织化学定位染色方法和技术,结果表明：（1）硫酸消化法和硫酸氢黄连素-苯胺兰对染法研究凯氏带,对取材时间和部位要求高,建议两种方法配合使用,可相互印证是否具凯氏带;（2）苏丹7B染色法,蓝色激发光下不染色和硫酸氢黄连素-苯胺兰对染研究细胞壁栓质层3种方法中,不染色蓝色激发光下结果比苏丹7B染色法敏感显色,但苏丹7B染色法在普通光学显微镜下观察较为便捷;（3）木质化细胞壁染色方法中硫酸氢黄连素-苯胺兰对染法比间苯三酚-盐酸染色法易显色观察;（4）甲苯胺兰快速染色细胞壁取代常规苏丹Ⅲ/Ⅳ法,细胞边界和层次更清楚。     

植物凯氏带形成分子机制及功能特点的研究进展

凯氏带位于被子植物初生根内皮层细胞,环绕细胞1周,是与质膜紧密结合的非极性带状增厚结构。凯氏带作为植物根中离子径向运输障碍,调节离子的质外体吸收途径,迫使土壤中的离子通过内皮层细胞膜,选择性地进入中柱。凯氏带发现于1865年,但直至拟南芥凯氏带蛋白的发现和凯氏带阻滞作用物质基础被揭示,凯氏带的形成机理和功能才逐渐为人们所认知。凯氏带的物质基础为木质素,其形成需要由凯氏带蛋白和受体激酶组成的合成平台。细胞内部的木质素单体经ABCG载体运输到凯氏带的形成区,经ESB1dirigent蛋白、RBOHF氧化酶和PER64过氧化物酶等催化,合成木质素。该文对近年来国内外有关凯氏带形成的分子机制和功能特点方面的研究进展进行综述,为进一步理解和解析凯氏带的形成机理和功能提供参考。     

大豆初生根凯氏带对铜离子的通透性

采用在根内生成有色铜沉淀的方法研究大豆（Glycine max）初生根凯氏带对铜离子的通透性。用真空泵抽取浓度为200μmol·L^–1的CuSO4溶液进入根中,然后在重力作用下从根基部灌注400μmol·L^–1的K4[Fe（CN）6]溶液,两种物质在根内相遇即可产生棕色的Cu2[Fe（CN）6]沉淀,根据沉淀的位置来确定铜离子所经过的途径。结果表明：Cu^2＋可以穿过内皮层凯氏带,在木质部导管壁以及凯氏带至木质部之间的细胞壁处产生棕色沉淀,侧根发生的部位也产生了大量的沉淀;当抽取K4[Fe（CN）6]溶液后再灌注CuSO4溶液,发现Cu^2＋仍然可以穿过凯氏带,并在凯氏带外侧以及外皮层细胞的细胞壁处产生棕色沉淀。研究结果证明凯氏带并不是一个可以完全阻止离子进出的完美屏障。     

植物根内通气组织形成的研究进展

植物能否在湿地或淹涝环境中生长,很大程度上取决于植物是否具有健全发达的通气组织。在结合形态学和分子生物学等方面研究的基础上,概述了植物根内通气组织的形成过程,主要涉及生理功能、诱导因子和相关酶等,推测细胞程序性死亡是溶生性通气组织形成的机理,乙烯在整体信号转导网络中起关键性中介作用。