土荆芥挥发性化感物质对蚕豆叶表皮保卫细胞的影响

化感作用是外来植物土荆芥( Chenopodium ambrosioides)成功入侵的机制之一。为了探讨土荆芥挥发油的化感作用机制,该文以蚕豆( Vicia faba)叶的下表皮为材料,将表皮条孵育在分别含土荆芥挥发油、α-萜品烯和对伞花素的MES [2-( N-morpholino) ethanesulfonic acid]缓冲液中,25℃下光照培养30 min,采用吖啶橙/溴乙锭( AO/EB)双荧光染色法和Feulgen染色法,研究土荆芥挥发油、α-萜品烯和对伞花素对保卫细胞活性和细胞核形态的影响。结果表明：在土荆芥挥发油、α-萜品烯和对伞花素的作用下,蚕豆气孔保卫细胞活性降低,细胞核出现固缩、畸形或降解等细胞凋亡特征。随着处理剂量增加,保卫细胞活性显著下降,核异常率显著增加,表明土荆芥挥发油、α-萜品烯和对伞花素均对蚕豆保卫细胞具有细胞毒性,其中,挥发油毒性最大,α-萜品烯的毒性次之,对伞花素的毒性最小;Caspase抑制剂Z-VAD-FMK可缓解挥发油、α-萜品烯和对伞花素对保卫细胞的毒性,提高细胞活性,这种缓解效应随着抑制剂浓度的增加而增大。由此可见,土荆芥挥发油、α-萜品烯和对伞花素诱导蚕豆保卫细胞发生了Caspase依赖性的细胞凋亡。     

信号分子活性氧和NO在土荆芥化感胁迫诱导蚕豆根边缘细胞死亡中的调控

为了探讨入侵植物土荆芥(Chenopodium ambrosioides L.)化感作用如何干扰受体植物的防御功能,以蚕豆(Vicia faba L.)为受体,研究了土荆芥挥发油及其主要成分ρ-对伞花素和α-萜品烯对根边缘细胞活性及其胞外诱捕网厚度的影响,并测定了细胞内信号分子活性氧(Reactive oxygen species, ROS)和NO水平的变化。结果表明:在土荆芥挥发油、ρ-对伞花素和α-萜品烯作用下,蚕豆根边缘细胞粘胶层厚度增加,细胞活性下降,而ROS和NO水平升高,且表现为浓度依赖效应,细胞死亡率、ROS水平和NO水平三者之间存在着显著的正相关(P<0.05)。ROS清除剂抗坏血酸(AsA)、硝酸还原酶抑制剂(NaN₃)和泛Caspase抑制剂Z-VAD-FMK均可有效缓解挥发性物质的细胞致死效应,表明ROS和NO诱导根边缘细胞发生了Caspase依赖性细胞凋亡。上述结果表明土荆芥挥发性化感物质诱导蚕豆根边缘细胞内NO和ROS的水平上升,二者协同作用导致细胞凋亡,引起受体防御功能障碍,从而抑制了植物根系的生长。     

六种农作物叶保卫细胞形态特征对不同入侵地土荆芥挥发物胁迫的响应

选择两个环境条件差异明显的土荆芥(Chenopodium ambrosioides L.)入侵地(四川成都和贵州安顺)为对象,以其入侵农田中6种农作物为受体,分析了两地土荆芥挥发油及其主要成分α-萜品烯和对伞花素对叶表皮保卫细胞活性和核结构的影响差异。结果表明:两地挥发油成分中,含量最多的成分均为α-萜品烯和对伞花素,成都植株二者的含量分别为21.07%和25.88%,安顺的分别为42.11%和24.04%;经挥发油、对伞花素、α-萜品烯、对伞花素+α-萜品烯处理后,保卫细胞活性下降,细胞核形态发生变化,除个别低剂量组(2μL)对保卫细胞无显著毒性外,各处理组毒性效应随处理浓度增加而显著升高(P0.05),当剂量为10μL时毒性效应最大,保卫细胞的最高死亡率达到93.85%,最高核畸变率达到81.16%;6种农作物保卫细胞对土荆芥挥发物的敏感程度由大到小依次为荞麦(Fagopyrum esculentum Moench.)、豌豆(Pisum sativum Linn.)、蚕豆(Vicia faba L.)、韭(Allium tuberosum Rottl.ex Spreng.)、花生(Arachis hypogaea Linn.)、白菜(Brassica campestris L.);细胞毒性表现为安顺挥发油大于成都挥发油、α-萜品烯大于对伞花素,对伞花素+α-萜品烯混合物的细胞毒性与α-萜品烯所占比例呈正相关。上述结果表明,土荆芥挥发物破坏了保卫细胞结构。入侵地环境较差时,土荆芥增加释放细胞毒性较大的化感物质。     

土荆芥挥发油对蚕豆根尖细胞的化感潜力

化感作用是外来植物成功入侵的机制之一。本研究以蚕豆根尖为材料,采用DNA Ladder分析技术和蚕豆根尖微核技术,分析了入侵植物土荆芥挥发油经土壤载体诱导的细胞凋亡以及对细胞的遗传损伤。结果表明：（1）经挥发油处理24 h和48 h,低剂量（＜5 μL）挥发油对蚕豆根的生长与根尖细胞有丝分裂具有显著的促进作用,但随着处理剂量增大（＞5 μL）和处理时间延长,根的生长与细胞有丝分裂过程明显受到抑制。（2）挥发油具有诱导染色体畸变的效应,根尖细胞微核率随处理剂量增加和时间延长而增大,但当挥发油剂量大于15 μL,这种诱导效应降低。（3）通过DNA Ladder分析,经挥发油处理后根尖细胞发生了凋亡,其中24 h处理组DNA未发生特异性降解,当剂量大于15 μL处理48 h和剂量大于10 μL处理72 h后,DNA开始发生特异性降解,形成DNA Ladder,表明随着挥发油剂量增大和作用时间延长,细胞凋亡过程加剧。本研究结果表明土荆芥释放的挥发性化感物质能以土壤为载体对根细胞产生影响。     

蚕豆幼苗光合特性对土荆芥挥发性物质胁迫的响应

以蚕豆(Vicia faba)为受体,采用盆栽试验评价了入侵植物土荆芥(Chenopodium ambrosioides)挥发油及其两个主要成分α-萜品烯和对伞花素对受体光合特性的影响。结果表明:土荆芥挥发油及其两个主要成分不同程度地影响了蚕豆叶片的特性。挥发油处理显著降低了净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)、蒸腾速率(T_r)、最大光化学效率(F_v/F_m)、实际光化学效率(ΦPSⅡ)和叶绿素含量,但增加了胞间CO₂浓度(C_i),这种效应表现为剂量和时间双重效应,高剂量挥发油处理的这种效应是不可逆的; 与对照相比,α-萜品烯处理组的P_n、F_v/F_m和ΦPSⅡ降低,C_i、G_s和T_r上升,停止处理后,各参数均趋于对照水平; 整体来看,对伞花素对蚕豆幼苗的光合特性影响不大。上述研究结果说明,土荆芥化感胁迫对受体光合特性的影响是诸多化感物质协同作用的结果,并非由单一组分决定。     

砷诱导蚕豆气孔保卫细胞死亡的毒性效应

采用蚕豆(Vicia faba L.)叶面气孔保卫细胞,研究砷对细胞的毒性效应。结果表明,0.3—10 mg/L的NaAsO_2能降低保卫细胞活性,使部分细胞死亡,死亡率随砷浓度升高而增高。死细胞中呈现核固缩、核崩解等典型程序性死亡特征,且泛caspase抑制剂Z-Asp-CH_2-DCB能阻止NaAsO_2诱发的细胞死亡。过氧化氢清除剂过氧化氢酶与NaAsO_2共同作用时,细胞死亡率显著低于砷单独处理组,保卫细胞内Ca~(2+)水平降低,具程序性死亡特征的细胞数减少;Ca~(2+)特异性螯合剂EGTA亦能降低NaAsO_2诱发的细胞死亡。研究结果表明,NaAsO_2能诱发蚕豆保卫细胞程序性死亡,该过程由胁迫引发的ROS升高引起,ROS可能通过激活质膜Ca~(2+)通道,使胞外Ca~(2+)内流,造成胞内Ca~(2+)浓度升高,进而诱导细胞程序性死亡。     

NO体外供体硝普钠诱导蚕豆气孔保卫细胞死亡机理研究

为分析NO在植物细胞死亡过程中的作用,以蚕豆表皮条和NO体外供体硝普钠(SNP)及NO信号途径抑制剂为材料,采用表皮条生物法,探讨SNP对蚕豆叶面保卫细胞的毒性机理.结果表明:(1)0.5～9 mmol· L-1的SNP可使蚕豆气孔保卫细胞活性降低,部分细胞死亡,且随着SNP浓度的增高细胞死亡率增高.(2)凋亡抑制剂Z-Asp-CH2-DCB或TLCK可显著降低SNP诱发的保卫细胞死亡率.(3)抗坏血酸(AsA)、过氧化氢酶(CAT)、Ca2+螯合剂EGTA或Ca2+通道抑制剂LaCl3与SNP共同作用时,细胞死亡率显著降低.(4)NO清除剂c-PTIO、MAPK激酶抑制剂PD98059和鸟苷酸环化酶抑制荆ODQ亦能有效阻止SNP诱发的细胞死亡.研究发现,较高浓度的SNP可诱导蚕豆保卫细胞程序性死亡,SNP诱发植物细胞死亡与胁迫组保卫细胞内NO、ROS和Ca2+水平升高有关,cGMP和MAPK参与了SNP诱发的细胞死亡.     

程序性细胞死亡相关基因及调节作用

程序性细胞死亡是基因调节的主动过程。本文简要综述了其相关基因的生理功能和调控机能。     

土荆芥挥发油化感胁迫对土壤胞外酶活性和微生物多样性的影响

入侵植物释放的化感物质可改变土壤理化性状和微生物群落结构,通过与土壤微生物的互作抑制本土植物生长。为了进一步诠释土荆芥化感作用机制,采用温室培养瓶法,探讨了其挥发油对土壤胞外酶活性和微生物多样性的影响。结果表明:土荆芥挥发油不同程度降低了脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和硝酸还原酶的活性(P0.05);较高剂量的挥发油处理组显著促进了过氧化氢酶活性(P0.05)。处理初期挥发油对土壤胞外酶活性影响较大,但随着处理时间延长,其影响逐渐减弱;处理16 d后,较高剂量(20μL和50μL)的挥发油处理组细菌数量显著高于对照(P0.05)。挥发油对土壤放线菌数量的影响表现为低剂量促进,高剂量抑制的效应;PCR-DGGE分析表明,随着挥发油处理剂量增加和处理时间延长,土壤中细菌和真菌的Shannonwiener多样性指数和丰富度指数均增大。结论:土荆芥挥发油可改变土壤微生物群落结构和胞外酶活性,增加土壤微生物多样性。     

化感胁迫诱导植物细胞损伤研究进展

化感胁迫(allelochemical stress)是指一种植物通过淋溶、挥发、根系分泌和残株腐解等途径释放化学物质,对另一种植物(包括微生物)产生直接或间接的伤害作用。有害化感物质对受体植物具有显著的细胞毒性,影响根边缘细胞的形成过程和活性,改变细胞壁和细胞膜的特性,破坏细胞内部结构,干扰细胞有丝分裂过程和基因表达模式;此外,化感胁迫往往伴随着氧化胁迫,受体植物细胞活性氧(ROS)水平升高,膜脂过氧化程度加剧,抗氧化系统被破坏,ROS影响与凋亡相关的信号调控过程,引起细胞大量死亡。因此,化感胁迫诱导的氧化胁迫可能是引起细胞凋亡的原因之一。阐明化感胁迫介导的氧化损伤和细胞损伤的相互关系以及根边缘细胞对化感胁迫的响应机制,是今后研究化感作用机制的一个方向。     

根边缘细胞缓解土荆芥淋溶途径化感作用对苦荞麦代谢扰动的机制

土荆芥(Chenopodium ambrosioides)可通过淋溶途径的化感作用抑制周围植物的种子萌发和幼苗生长,而根边缘细胞(Root border cells, RBCs)对此具有缓解效应。为探讨这一效应的分子机制,以苦荞麦(Fagopyrum tataricum)为研究对象,测定了在土荆芥水浸提液处理前及处理后,保留RBC组和移除RBC组根尖活性氧(ROS)、超氧阴离子(O^-₂)和丙二醛(MDA)含量以及抗氧化酶[超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)]活性的差异。再利用转录组测序分析上述处理对其代谢通路的影响,并进行qRT-PCR验证。结果表明：土荆芥水浸提液处理后,苦荞麦根尖ROS、O^-₂和MDA的含量以及抗氧化酶(POD和CAT)活性明显提高,且RBC移除组升高更多。通路分析表明,土荆芥水浸提液处理后,移除和保留RBCs组的苯丙素合成、α-亚麻酸代谢、类黄酮合成和谷胱甘肽代谢通路都显著发生改变。其中,苯丙素合成通路以抑制为主,且移除RBCs后受到抑制的程度...     

大叶桉挥发物对蚕豆细胞毒性效应及信号调节

为探讨大叶桉(Eucalyptus robusta)化感作用的细胞学机制，该研究以大叶桉挥发油及其主要成分α-蒎烯和桉油精为供体，以蚕豆(Vicia faba)的根细胞和叶保卫细胞为靶标，运用显微技术、细胞化学技术和qRT-PCR技术，研究了大叶桉挥发物的毒性效应。结果表明：(1)在大叶桉挥发物作用下，蚕豆幼根生长受抑制并表现为时间-浓度依赖效应，其化感效应强弱由大到小依次为挥发油、α-蒎烯和桉油精。(2)蚕豆根边缘细胞活性降低，分生区细胞微核率升高，有丝分裂指数下降且大部分细胞的细胞周期被阻滞在分裂前期。(3)蚕豆叶保卫细胞内NADPH氧化酶活性升高，活性氧(reactive oxygen species, ROS)爆发，微丝聚合，气孔开度下降；叶保卫细胞的核畸变率升高，细胞活性降低甚至发生caspase依赖性细胞凋亡，而Ca²⁺通道阻断剂(LaCl₃)、活性氧清除剂(AsA)和硝酸还原酶抑制剂(NaN₃)均可显著提高保卫细胞存活率，说明大叶桉挥发物改变了信号分子Ca²⁺、ROS和NO的信号调节。...     

Evidence for Ca-dependent protein phosphorylation in vitro in guard cells from Vicia faba L.

Protein phosphorylation in vitro was investigated in guard cells from Vicia faba. A number of proteins with apparent molecular masses of 72, 67, 57, 52, 49, 44, 37, and 26 kDa were phosphorylated when guard-cell extract was incubated with [γ-³²P]ATP under Ca²⁺-free conditions. In the presence of Ca²⁺ at 1 μM, several proteins with apparent molecular masses of 125, 83, 41, 31, and 25 kDa were newly phosphorylated. These Ca²⁺-dependent protein phosphorylations were suppressed by (8R^*,9S^*,11S^*)-(−)-9-hydroxy-9-methoxycarbonyl-8-methyl-2,3,9,10-tetrahydro-8,11-epoxy-1H,8H,11H-2,7b,11a- triazadibenzo[a,g]cycloocta[cde]trinden-1-one (K-252a), a wide-range inhibitor of protein kinases, suggesting that the protein phosphorylations were mediated by protein kinases. Several proteins were phosphorylated in vitro in mesophyll extract from Vicia. In contrast to guard cells, there was no detectable Ca²⁺-dependent protein phosphorylation in mesophyll cells. 1-(5-Indonaphthalene-1-sulfonyl)-1H-hexahydro-1,4-diazepine (ML-7), an inhibitor of myosin light chain kinase (MLCK), and an antagonist of calmodulin (CaM), N-(6-aminohexyl)-5-chloro-1-naphthalenesulfonamide (W-7), inhibited Ca²⁺-dependent phosphorylation of 41- and 25-kDa proteins in guard cells. Fractionation experiments revealed that the Ca²⁺-dependent phosphorylated proteins with molecular masses of 41 and 25 kDa were present in the mitochondria, and the 125- and 31-kDa proteins in the cytosol. These results suggest that Ca²⁺-dependent protein phosphorylation occurs markedly in guard cells, and that Ca²⁺-dependent phosphorylation of 41- and 25-kDa proteins may be catalyzed by MLCK or MLCK-like protein kinase in guard cells.     

K outward rectifying channels as targets of phosphatase inhibitor deltamethrin inVicia faba guard cells

The dominant outward rectifier K⁺ currents were examined in protoplasts from Vicia faba guard cells. In whole-cell patch-clamp recordings, we generally observed that the conductance of the K⁺ inward and the outward rectifier gradually decreases with a half time in the order of 2.3 ± 0.7 min. As a consequence of this rundown, a new steady state was achieved which was 90 ± 5 percnt; lower than that obtained at the beginning of the recording. The rundown of the outward rectifier could be greatly reduced by pre-treating protoplasts either with the membrane permeable drug deltamethrin or by perfusing protoplasts with a pipette solution containing 5 μmol/L cyclosporine A. Furthermore, after the rundown, the conductance of the outward rectifier could be partially restored upon addition of 5 μmol/L deltamethrin to the bath medium. Since deltamethrin and cyclosporine A are established inhibitors of the calcium sensitive phosphatase calcineurin, the data argue for a participation of this type of phosphatase in the control of the activity of K⁺ outward rectifier channels in guard cells.