酸性土壤上植物应对铝胁迫的过程与机制

铝胁迫是酸性土壤上影响作物产量最重要的因素之一.目前,全球土壤酸化程度进一步加剧了铝胁迫.植物可通过将铝离子与有机酸螯合储藏于液泡和从根系中排出铝毒.排出铝毒主要通过苹果酸转运蛋白ALMT和柠檬酸转运蛋白MATE的跨膜运输来实现.编码ABC转运蛋白和锌指转录因子的基因与植物抗铝胁迫有关.这些抗铝毒基因的鉴别使得通过转基因和分子标记辅助育种等生物技术来提高农作物的抗铝毒能力成为可能.最后提出了植物抗铝胁迫研究中需要解决的关键问题及今后的研究方向.     

铝毒胁迫诱导菜豆柠檬酸的分泌与累积

水培试验结果表明 ,铝毒诱导菜豆柠檬酸的分泌与累积存在着显著的基因型差异 .Al3 + 浓度 <5 0 μmol·L-1时 ,柠檬酸分泌量随Al3 + 浓度的增大而增加 ;Al3 + 浓度在 5 0～ 80 μmol·L-1时 ,柠檬酸分泌量随Al3 + 浓度的增大而减小 .不同菜豆基因型以G1984 2的柠檬酸分泌量最大 ,单位干重Al吸收量最小 .铝毒胁迫时 ,不同菜豆基因型叶片柠檬酸累积量无明显差异 ,根系柠檬酸累积量为G1984 2 >AFR >ZPV >G5 2 73.菜豆柠檬酸分泌量缺P处理 <铝毒胁迫 ,5 0 μmol·L-1LaCl3 不能诱导菜豆分泌柠檬酸 ,表明柠檬酸的分泌与累积是菜豆抗铝毒胁迫的重要生理反应     

植物苹果酸和柠檬酸通道蛋白基因的研究进展

铝毒是酸性土壤中抑制植物生长和减少作物产量的主要因素。近年来研究表明植物主要通过根部有机酸通道蛋白将小分子有机酸阴离子转运到细胞膜外来缓解铝毒。本文综述了植物中编码铝诱导的苹果酸转运蛋白和多药及毒性复合物的排出转运蛋白两种耐铝基因,并从基因克隆、蛋白质同源性比较、基因表达调控、基因的功能和应用以及预测耐铝基因作用模式等方面进行了阐述;同时对这些耐铝基因的应用前景进行了展望。     

碱胁迫下耐碱植物星星草体内柠檬酸特异积累现象

对碱胁迫(0-175 mmol/L Na2CO3)下星星草(Puccinellia tenuiflora (Griseb.) Scribn.et Merr.)体内柠檬酸的积累规律及其相关胁变指标进行分析测定.实验结果证明:积累柠檬酸是星星草对碱胁迫特有的生理反应.盐胁迫(0-400 mmol/L NaCl)下,柠檬酸含量反而稍有下降.柠檬酸积累量随碱胁迫强度增大而增大,低胁迫强度时积累量上升缓慢,当胁迫强度大于100 mmol/L Na2CO3时,积累量明显上升.柠檬酸积累与胁迫时间之间呈直角曲线关系,一定胁迫强度下胁迫4 h后即可测出柠檬酸含量明显上升,约48 h后渐趋最大值.碱胁迫144 h后星星草各部位中柠檬酸含量从高到低的顺序依次是老叶、成熟叶、老叶鞘、幼叶鞘、幼茎、老茎和幼叶.成熟叶中柠檬酸随碱胁迫强度增大而逐渐上升,老叶和叶鞘中的柠檬酸在碱胁迫强度大于125 mmol/L后急剧上升,茎中柠檬酸含量无明显增高,幼叶中柠檬酸含量基本不变.实验证明,碱胁迫下积累的主要是柠檬酸,其他有机酸无明显变化.     

铝胁迫下黑麦和小麦根尖分泌有机酸的研究

通过建立的活体根培养及微量根尖分泌物收集系统,对铝胁迫下黑麦和小麦根尖分泌的有机酸进行研究。结果表明:50、100、200、300μmol·L-1 AlCl3处理后黑麦根尖分泌柠檬酸和苹果酸,而铝仅诱导小麦根尖分泌苹果酸。铝处理3h后,根尖分泌的苹果酸显著增加,并在9h内维持较高的分泌速率。铝诱导黑麦根尖分泌柠檬酸有明显的迟缓期,Al(300μmol·L-1)处理后的最初3h,根尖分泌的柠檬酸并不显著增加。在铝溶液中添加的阴离子通道抑制剂A-9-C(20、60、100μmol·L-1)显著抑制根尖分泌有机酸。然而,将黑麦根尖浸泡于含异三聚体G蛋白激活剂霍乱毒素(50ng·mL-1)后,根尖分泌的有机酸显著增加。说明建立的微量根尖分泌物收集系统适合于铝诱导根尖分泌有机酸的研究,小麦和黑麦根尖在铝胁迫下以不同模式通过阴离子通道分泌有机酸,而异三聚体G蛋白可能介导根尖分泌有机酸。     

低磷和铝毒胁迫条件下菜豆有机酸的分泌与累积

以水培方式研究了低磷、铝毒胁迫条件下,不同菜豆基因型根系有机酸的分泌及其在植穆不同部位的累积,结果表明,低磷,铝毒胁迫诱导菜豆有机酸的分泌与累积存在显著的基因差异。低磷、铝毒胁迫诱导菜豆主要分泌柠檬酸、酒石酸和乙酸,其中,50μmol/LAl^3 诱导柠檬酸分泌量最高;低磷（小于20μmol/LH2PO4^－）胁迫诱导柠榨菜酸分泌量显著高于高磷处理,但低磷处理之间差异不明显,铝毒胁迫诱导菜豆有机酸的分泌与累积显著高于低磷胁迫处理,低磷,铝毒胁迫植株不同部位有机酸的含量为叶片大小根系,低磷,铝毒胁迫时,G842菜豆型柠檬酸有机酸分泌总量显著高于273、AFR和ZPV,其干重和磷吸收明明显于大G273,AFR和ZPV,且铝吸收量小于G273,AFR和ZPV,说明,G482菜豆基因型对低磷,铝毒的适应能力强于G273,AFR和ZPV基因型,菜豆有机酸,,尤其柠檬酸的分泌是其适应低磷、铝毒胁迫的重要生理反应。     

碱胁迫下耐碱植物星星草体内柠檬酸特异积累现象

对碱胁迫（0-175mmol/L Na2CO3）下星星草(Puccinellia tenuiflora (Griseb.)Scribn.et Merr.）体内柠檬酸的积累规律及其相关胁变指标进行分析测定。实验结果证明：积累柠檬酸是星星草对碱胁迫特有的生理反应。盐胁迫量上升缓慢,当胁迫强度大于100mmol/L Na2CO3时,积累量明显上升,柠檬酸积累与胁迫时间之间呈直角曲线关系,一定胁迫强度下胁迫4h后即可测出柠檬酸含量明显上升,约48h后渐趋最大值。碱胁迫144h后星星草各部位中柠檬酸含量从高到低的顺序依次是老叶、成熟叶、老叶鞘、幼叶鞘、幼茎、老茎和幼叶。成熟叶中柠檬酸碱胁迫强度增大而逐渐上升,老叶和叶鞘中的柠械酸在碱胁迫强度大于125mmol/L后急剧上升,茎中柠檬酸含量无明显增高,幼叶中柠檬酸含量基本不变,实验证明,碱胁迫下积累的主要是柠檬酸,其他有机酸无明显变化。     

铝胁迫下植物根系的有机酸分泌及其解毒机理

酸性土壤中的铝毒害问题,已成为限制植物生长发育的主要因素之一.耐铝植物通过根系分泌有机酸来解除或减轻铝的毒害是外部解铝毒的重要机制.文章对铝胁迫下植物根系分泌有机酸的种类,有机酸解铝毒机理、解铝毒能力,有机酸分泌方式及调控其分泌的主要因素等相关研究进行综述.     

耐铝的和对铝敏感的玉米自交系根系的有机酸分泌

对玉米不同耐铝自交系在含A1^3 (0.1mmol/L)的完全营养液和A1C13 14．3μmol/L CaCl2 227．5μmol/L溶液等两种溶液中根系有机酸的分泌特征进行了研究。铝胁迫下,耐铝自交系Z1的生长与正常偏离不大,表现出较强的耐铝性,而铝敏感自交系Z2的生长则受到明显抑制。2种自交系根系分泌的有机酸种类包括苹果酸、柠檬酸、琥珀酸、马米酸、乙酸和草酸等,以苹果酸为主;其分泌量随铝处理时间而异。在两种溶液中,铝胁迫均可显著增加Z1苹果酸分泌量,且根系内苹果酸含量也显著增加。铝胁迫下,Z1根系NADP—苹果酸脱氢酶活性显著增加。从对试验结果分析得出：根系分泌苹果酸可能是玉米耐铝自交系适应酸性土壤逆境的生理特性之一,而分泌的苹果酸可能是在根系中通过PEP→4OAA→苹果酸途径合成的。     

铝胁迫下胡枝子根尖胼胝质形成规律及影响因素

采用水培试验,研究了铝胁迫下两个胡枝子品种根尖产生胼胝质的变化规律及影响因素。结果表明,两个品种的根尖铝吸收量与胼胝质形成量呈正比例关系。品种间差异主要是在根尖0—0.5 cm处。敏感品种胼胝质形成量同铝吸收量的变化趋势相一致,而耐性品种则在铝处理6 h时出现一个高峰值后下降。去除铝胁迫后,耐性品种胼胝质形成量并不显著减少。与单独铝处理相比,阴离子通道抑制剂苯甲酰甲醛加铝处理对两个品种胼胝质形成无影响;尼氟灭酸加铝处理抑制敏感品种胼胝质的形成,对耐性品种无影响;蒽-9-羧酸加铝处理显著抑制两个品种的胼胝质形成。另外,抑制剂2-去氧-D-葡萄糖加铝共同处理与单独铝处理相比,敏感品种的胼胝质形成量显著降低,耐性品种无影响。甘露醇对两个品种胼胝质形成的影响无显著差别。镧处理下胼胝质的形成量是耐性品种显著高于敏感品种,铝、镧同时处理胼胝质的形成量最高。敏感品种胼胝质形成处理间无差别。总之,耐性品种在铝胁迫下胼胝质形成与有机酸分泌可能存在一定的协调关系;铝胁迫下胼胝质形成是敏感指标;在一定条件下,特别是有机酸分泌前胼胝质的形成可能具有一定抗性意义;铝诱导胼胝质的形成受多种外界因素(浓度、时间、有机酸分泌,渗透压等)的影响。     

硝普钠对铝胁迫下黑麦和小麦根尖线粒体功能的影响

硝普钠（SNP）能够缓解铝对黑麦和小麦根伸长生长的抑制效应。铝降低黑麦和小麦的呼吸速率和P／O、OPR、R3、R4、RCR值以及线粒体膜H^＋-ATP酶、H^＋-PP酶、Na^＋-K^＋-ATP酶、Ca^2＋-ATP酶、Mg^2＋-ATP酶活性,而SNP则能提高铝胁迫下呼吸速率、P/O、OPR、R3、R4、RCR值和这些酶活性。说明铝胁迫导致黑麦和小麦根尖细胞线粒体呼吸功能受损,氧化磷酸化解耦联。黑麦受损程度较小麦低,具有较强耐铝能力。SNP作为一氧化氮（NO）的供体,推测NO可以有效减轻铝胁迫导致的小麦根尖线粒体呼吸功能障碍,从而能够缓解铝毒害。     

渗透胁迫下小麦根系渗透调节与根冠淀粉水解的研究

用不同浓度的PEG—600对抗旱性不同的小麦幼苗进行渗透胁迫处理,研究了小麦幼苗根系的淀粉酶活性、可溶性糖含量、渗透势、渗透调节能力和根冠淀粉的水解状况。结果表明,随着渗透胁迫程度的加重,抗旱性强的小麦品种昌乐5号和北农2号根系渗透势和饱和渗透势的降低程度大于抗旱性弱的小麦品种鲁麦5号和921842,并且抗旱性强的小麦品种根系的渗透调节能力大于抗旱性弱的小麦品种。随着渗透胁迫程度的加重．各品种小麦根冠淀粉粒均有不同程度的减少。而抗旱性强的品种根冠淀粉粒的减少程度小于抗旱性弱的品种;抗旱性强的小麦品种根系淀粉酶活性显著高于抗旱性弱的小麦品种,但是,随着渗透胁迫程度的加重,抗旱性弱的品种淀粉酶活性增加的幅度远高于抗旱性强的品种。可溶性糖含量的变化趋势与淀粉酶活性的变化趋势一致．即渗透胁迫下根冠淀粉水解程度大的小麦品种,可溶性糖的含量高。但根冠淀粉水解在根系的渗透调节以及在小麦适应水分胁迫中的作用还有待于进一步探讨。     

Nylon Filter Arrays Reveal Differential Expression of Expressed Sequence Tags in Wheat Roots Under Aluminum Stress

To enrich differentially expressed sequence tags (ESTs) for aluminum (Al) tolerance, cDNA subtraction libraries were generated from Al-stressed roots of two wheat (Triticum aestivum L.) nearisogenic lines (NILs) contrasting in Al-tolerance gene(s) from the Al-tolerant cultivar Atlas 66, using suppression subtractive hybridization (SSH). Expression patterns of the ESTs were investigated with nylon filter arrays containing 614 cDNA clones from the subtraction library. Gene expression profiles from macroarray analysis indicated that 25 ESTs were upregulated in the tolerant NIL in response to Al stress. The result from Northern analysis of selected upregulated ESTs was similar to that from macroarray analysis. These highly expressed ESTs showed high homology with genes involved in signal transduction, oxidative stress alleviation, membrane structure, Mg2 transportation, and other functions. Under Al stress, the Al-tolerant NIL may possess altered structure or function of the cell wall, plasma membrane, and mitochondrion. The wheat response to Al stress may involve complicated defense-related signaling and metabolic pathways.The present experiment did not detect any induced or activated genes involved in the synthesis of malate and other organic acids in wheat under Al-stress.     

Nylon Filter Arrays Reveal Differential Expression of Expressed Sequence Tags in Wheat Roots Under Aluminum Stress

To enrich differentially expressed sequence tags (ESTs) for aluminum (A1) tolerance, cDNA subtraction libraries were generated from Al-stressed roots of two wheat (Triticum aestivum L.) nearisogenic lines (NILs) contrasting in Al-tolerance gene(s) from the Al-tolerant cultivar Atlas 66, using suppression subtractive hybridization (SSH). Expression patterns of the ESTs were investigated with nylon filter arrays containing 614 cDNA clones from the subtraction library. Gene expression profiles from macroarray analysis indicated that 25 ESTs were upregulated in the tolerant NIL in response to A1 stress. The result from Northern analysis of selected upregulated ESTs was similar to that from macroarray analysis. These highly expressed ESTs showed high homology with genes involved in signal transduction, oxidative stress alleviation, membrane structure, Mg^2 transportation, and other functions. Under A1 stress, the Al-tolerant NIL may possess altered structure or function of the cell wall, plasma membrane, and mitochondrion. The wheat response to A1 stress may involve complicated defense-related signaling and metabolic pathways. The present experiment did not detect any induced or activated genes involved in the synthesis of malate and other organic acids in wheat under Al-stress.     

渗透胁迫对小麦幼苗根系呼吸的影响

用PEG—6000调节培养液的渗透势,研究了渗透胁迫对小麦幼苗根系呼吸作用的影响。在-0.5 MPa的溶液中根总呼吸强度显著降低,不同苗龄根的反应差异明显;随胁迫加强呼吸强度随之降低;根系ATP含量减少。在胁迫初期呼吸废物对呼吸强度的降低无补偿作用,而在后期(72 h后)则可提高呼吸强度。 中度水分胁迫下,HMP支路活性上升,EMP-TCAO途径活性降低;抗氰呼吸活性增大,而对氰敏感的系统活性减低;细胞色素氧化酶活性显著低于对照。     

外源有机酸对小麦幼苗铝毒的缓解作用

用Al(50μmol／L)处理水培小麦(Triticum aestivum L．)幼苗24h,显著抑制Al敏感(Scout 66)和耐Al品种(Atlas 66)小麦幼苗根系伸长,明显增加根系的电解质渗漏率。在Al处理同时外加草酸或柠檬酸能缓解Al对小麦根系伸长的抑制作用,同时降低小麦根系的电解质渗漏率。铬花青R染色和碘化丙锭荧光染料染色实验结果显示,用Al(50μmol／L)处理Al敏感小麦Scout 66幼苗24h后,大量Al结合在根尖表面,并降低根尖表面细胞活力。而Al处理同时外加草酸,则减少Al与根尖表面的结合,缓解Al对细胞活力的抑制。分根结果表明,外源草酸有可能通过根系进入植物体内参与内部解Al毒机制。     

Role of Organic Acids in Sunflower Tolerance to Heavy Metals

Exposure of Helianthus annuus L. seedlings to Al³⁺, Cd²⁺ or Zn²⁺ resulted in a marked decrease of fresh and dry masses of the shoots and the roots. The increase of Al³⁺, Cd²⁺ or Zn²⁺ uptake was accompanied by a significant decrease of nitrate, phosphorus and K⁺ uptake. There was a significant increase of malic and citric acid contents in the shoots and roots of heavy metal-treated seedlings whereas the change in fumaric acid was insignificant. Al³⁺ and Zn²⁺ alone stimulated excretion of malic and citric acids to the rhizosphere. Addition of high concentrations of malic or citric acid alleviate to some extent the inhibitory effect of Al³⁺ and Zn²⁺ on plant growth. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

不同品种春小麦根系对低钾胁迫的生物学响应

采用水培法,以3个春小麦品种(加春1号、2号、4号)为试验材料,研究了低钾胁迫下不同品种春小麦根系的形态学与生理学特征。结果表明:(1)与对照相比,低钾胁迫下小麦的根重、根数、总根长、总吸收面积、根活力、根系SOD及POD活性、根系活性吸收面积均明显降低,但根冠比有所增加,不同春小麦品种间的变化趋势相似,但变化幅度存在明显差异。(2)供试品种小麦根系的形态与生理学特征在同一供钾水平下和不同供钾水平间均存在着明显的差异,表明这两种性状的差异是由基因型和环境因素共同决定的,因此,根系形态学和生理学特征可以作为筛选高效吸收钾小麦品种的参考指标。(3)供试的3个春小麦品种中‘加春4号’对低钾环境的适应性最强。     

水杨酸调节决明根系铝诱导的氧化胁迫

水杨酸(Salicylic acid,SA)在调节生物和非生物胁迫,诱导植物氧化胁迫中起着重要的作用,但对铝诱导的氧化胁迫的调节作用尚不清楚.本文研究了SA对决明(Cassiatora L.)根系铝诱导的H2O2和O2-含量变化,包括抗氧化酶活性以及细胞质膜过氧化胁迫变化的影响.介质中20 μmol/L铝处理增加质膜透性,导致MDA含量上升及根尖细胞Evans blue染色加重(测定细胞死亡),而外源供给5 μmol/L SA能缓解铝诱导的氧化胁迫.SA处理能明显降低根尖H2O2和O2-的含量,但两者含量与CAT、APX和GR的活性变化没有相关性,而与POD活性增加有关.水杨酸诱导H2O2含量的下降与抑制O2积累和SOD活性有关.结果表明,SA可能激活一条由H2O2介导的、依赖于POD的抗氧化机制来缓解脂质的过氧化作用.