酸铝胁迫下常绿杨根冠超微结构变化

钱莲文，吴文杰

酸铝胁迫下常绿杨根冠超微结构变化

钱莲文1，吴文杰2

1. 泉州师范学院 化学与生命学院，福建 泉州 362000；2.泉州师范学院资源与环境学院，福建 泉州 362000

中国的亚热带地区气候温暖湿润、雨量充沛，是中国速生丰产林基地，森林土壤多呈偏酸性和酸性，为富铝化酸性土壤，容易造成植物铝毒害。A-61/186（Populus×enramericana cv.）是澳大利亚L．D．Pryor博士选育的半常绿杨树无性系(semi-evergreen poplar clone)，母本为美国南方种的落叶型美洲黑杨（Populus deltoids Marsh），父本为原产智利的常绿品种欧洲杨智利变种（Populus nigra cv.Chile），是中国林科院郑世锴研究员于1987年从巴基斯坦引入中国的3个常绿杨品系之一，适合热带亚热带种植。以常绿杨A-61/186（Populus×euramericana cv.）根冠细胞为材料，采用水培酸铝胁迫实验，在胁迫30 d、60 d和90 d时在透射电子显微镜下进行根冠细胞超微结构的观察及拍片，研究在酸铝胁迫下浓度和作用时间对其超微结构的影响，探究铝毒条件下杨树根冠细胞的超微结构变化，并为根冠细胞铝毒亚显微水平评价提供资料。结果表明，随着铝浓度的升高，根冠细胞壁溶解断裂；细胞基质由凝胶态向分散碎块转变；淀粉粒数量有减少的趋向，淀粉质体数量有增加的趋向，而淀粉粒堆重心偏向由明显到不明显的趋向。随着铝作用时间的延长，根冠细胞在60 d浓度0.370 mmol·L–1淀粉粒急剧减少；在90 d浓度0.666 mmol·L–1淀粉粒质体急剧减少；淀粉粒堆或淀粉质体堆无重心偏向。

常绿杨；铝胁迫；根冠细胞；超微结构

在中国，酸性土壤的分布遍及14个省区，总面积达203万平方公里，约占全国可耕地面积的21%[2]。在酸性土壤分布地区，酸沉降加速了土壤和地表水的酸化过程，呈现出酸土毒害发生范围扩大和程度加剧的趋势，严重影响农林业生产的发展。酸性土壤的主要障碍因子是低pH值，游离铝和交换性铝浓度过高（铝毒），但在自然土壤中，pH值一般都不会低于4，因而H＋直接产生毒害的可能性不大，更重要的是低土壤pH值所产生的间接影响，也就是土壤中抑制植物生长的铝浓度过高，即铝毒。许多亚热带重要的用材树种受铝毒害的影响已有诸多报道，铝毒害已成为影响亚热带树种生长发育的一个重要因素（（刘庆华和蒋悟生，1995；罗承德等，2000；罗亮等，2006）。A-61/186（Populus×euramericana cv.）是澳大利亚L．D．Pryor博士选育的半常绿杨树无性系(semi-evergreen poplar clone)，母本为美国南方种的落叶型美洲黑杨（Populus deltoids Marsh），父本为原产智利的常绿品种欧洲杨智利变种（Populus nigra cv.Chile），是中国林科院郑世锴研究员于1987年从巴基斯坦引入中国的3个常绿杨品系之一，适合热带亚热带种植（郑世锴，2006）。作者所在的课题组于2006年开始在福州及泉州进行了常绿杨3个无性系的引种试验，全面系统的对常绿杨引种适应性及其生理生态特性进行了研究（钱莲文等，2008，2009，2010，2011），并在前期研究成果的基础上提出了酸性土壤及其铝毒害是影响常绿杨在亚热带地区发展的重要因素之一的科学假设，获批国家自然科学基金资助。本文对铝胁迫下常绿杨根冠超微结构的变化进行分析研究，同时为植物根冠细胞铝毒亚显微水平评价提供资料。

1 材料和方法

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×euramericana 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，使培养液中的对照组及铝浓度1至浓度3依次为：0、0.074、0.370、0.666 mmol·L–1，在胁迫30 d、60 d、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-1PBS配制，pH=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-1PBS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根冠细胞的结构变化

对照实验的结构变化（图1），根冠细胞壁厚密度均匀，胞间层宽而致密均匀。在细胞内可见着色不一的细胞基质，有聚集成条块状，其中靠细胞壁的一侧分布着色暗大片的细胞基质，在其中间分布着的淀粉粒，这些淀粉粒呈椭圆形，着色浅结实，数量多，成堆聚集排列在一起，且淀粉粒长轴平行于细胞壁靠拢聚集，整堆淀粉粒的重心明显朝向一侧壁。

铝浓度1的结构变化（图2），根冠细胞壁着色较深，壁较厚密度较均匀，胞间层较致密均匀。在细胞内可见细胞基质聚集成团块状，大小不等，由大小不等的液泡相隔开。在小块胞基质之间相间分布着大小不一致的淀粉粒，这些淀粉粒呈块状，着色浅结实，数量少，分散排列，离开细胞壁排列。

铝浓度2的结构变化（图3），根冠细胞壁着色浅灰色，壁较疏松且均匀，胞间层较致密均匀。在细胞内可见细胞基质聚集成小团块状，由大小不等的液泡相隔开。在小块胞基质间分布着几个较小的淀粉粒，这些淀粉粒呈椭圆状，着色灰色，较松懈，数量少，分散靠拢细胞壁排列。

铝浓度3的结构变化（图4），根冠细胞壁界限模糊，溶解松懈，局部有断裂，局部胞间层出现空隙。细胞内的细胞基质分布较均匀。在细胞内淀粉粒不明显，可见多个大小不等的淀粉质体，这些淀粉质体形态各异，数量多，离开细胞壁作围拢排列。

2.2铝胁迫60 d根冠细胞的结构变化

对照实验的结构变化（图5），根冠细胞壁平滑密度均匀。在细胞内可见着色较一致的细胞基质，呈均匀分布的细颗粒，其中有一片深色的细胞基质，在其中间分布着色深的淀粉粒，这些淀粉粒呈椭圆形，数量多，靠拢排列在一起，大部分淀粉粒长轴近平行于细胞壁分布，整体淀粉粒有一定的重心朝向一侧壁。

铝浓度1的结构变化（图6），根冠细胞壁明显着色均匀。在壁的内侧分布深色细胞基质，部分密集分布部分疏松排列。在细胞中央分布着聚集成小团块状的细胞基质，由大小不等的液泡相隔开。在小块胞基质间分布着多个小型的淀粉粒，这些淀粉粒形态不规则，着色灰色，有部分小淀粉粒聚集，大部分散状排列。

铝浓度2的结构变化（图7），根冠细胞壁着色较浅，壁较窄，胞间层分解有小空洞。细胞内的细胞基质聚集成少量的团块状和弯曲线状，大液泡明显。在靠一侧壁分布着模糊的少量淀粉粒，另一侧壁可见明显的细胞核及其一侧的几个小淀粉粒。出现少量的淀粉质体。

铝浓度3的结构变化（图8），根冠细胞壁边缘模糊，有部分溶解现象。细胞内的细胞基质着色深，分布较均匀。在细胞内未见淀粉玻粒，可见多个形态大小各异的淀粉质体，离开细胞壁作两部位近拢排列。

2.3铝胁迫90 d根冠细胞的结构变化

对照实验的结构变化（图9），根冠细胞壁密度大而平滑，胞间层致密紧凑。细胞内可见着色深细胞基质，聚集呈成长条或块状，由较大的液泡隔开。其中靠一侧细胞壁的分布着色暗小块的细胞基质，在其中间分布着的淀粉粒，这些淀粉粒呈椭圆形，着色浅结实，大小不等，数量多，聚拢排列在一起，整堆淀粉粒的重心有朝向这侧壁的趋向。

铝浓度1的结构变化（图10），根冠细胞壁变松变宽，部分胞间层分离。在细胞内的细胞基质呈条状或小碎块状，散状排列，由呈大星状的液泡隔开。在一侧壁可见几个模糊的淀粉粒，这些淀粉粒离开细胞壁分散排列。

铝浓度2的结构变化（图11），根冠细胞壁粗细不均，部分壁模糊呈分解离析态，细胞内的细胞基质呈小碎块状，分布较均匀，由大小不等的液泡隔开。在小块胞基质间分布着多个大小不等的淀粉质体，这些淀粉质体呈圆形或椭圆状，着色较深，有朝壁靠拢聚集的趋向。

铝浓度3的结构变化（图12），根冠细胞壁部分清晰明显，部分壁窄而模糊，有溶解松懈的现象。细胞内的细胞基质交织成团块状，分布较均匀，由较小液泡隔开。在细胞中央只见几个小型淀粉质体，这些淀粉质体呈小椭圆形，分散排列。

综合上述分析，铝胁迫随着浓度的增大，根冠细胞壁有溶解断裂的趋势，在浓度3现象明显；细胞基质由凝胶态向分散碎块转变；淀粉粒形态和数

量由明显可见和多个聚集向模糊或未见和量少或只见淀粉质体；即淀粉粒数量有减少的趋向淀粉质体数量有增加的趋向。而淀粉粒堆重心偏向由明显到不明显。

图版（×15000）中的第1列的图1至图4；第2列的图5至图8；第3列的图9至图12分别示30 d、60 d、90 d的对照实验、铝浓度1（0.074 mmol·L–1）、铝浓度2（0.370 mmol·L–1）、铝浓度3（0.666 mmol·L–1）根冠细胞超微结构图。细胞壁(Cw:Cell wall)；淀粉粒(Sg: Starch granules)；细胞基质（Cs：Cell stroma）；淀粉质体(Sp:Strarchplastid)；液泡（V:Vacuole）

铝胁迫随着时间的延长，根冠细胞淀粉粒或淀粉质体有减少的趋向，在浓度2淀粉粒少急剧减少；在浓度3淀粉粒质体由多变少；淀粉粒堆或淀粉质体堆重心偏向不明显。

3 讨论与结论

3.1讨论

根据Moore等[16]对根冠划分的Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区模式，本实验观察的根冠细胞应属于Ⅲ区根冠边缘1-3层细胞的超微结构。本实验结果得出随着铝浓度的升高，根冠细胞壁溶解断裂，浓度3（0.666 mmol·L–1）现象明显。同样的现象如铝胁迫也使龙眼根伸长区细胞的细胞壁发生降解（肖祥希等，2003）。当植物受铝毒害时其根冠及根尖其他部位有粘质分泌物产生，尤其是根冠细胞向外分泌含大量纤维素及多糖的分泌粘液，不仅使得植物的保护根冠润滑向土层内伸展，而且能阻挡铝侵入体内起到第一道防护线的保护现象（刘东华等，1995）；受铝刺激，根冠细胞内解体的碎片以及细胞内含物会以胞吐作用排出根冠的现象（Paull et al,1976; Robinson, 1985），这些现象是不是与本实验的细胞基质由凝胶态向分散碎块转变研究结果相关联，还值得后续进一步研究。

正常植物的根冠细胞形成是由根尖顶端分生组织的分裂、分化而来，而根冠细胞保持着不断脱落与补充的动态平衡，根冠细胞的这种动态平衡现象是由根冠重力感受系统所控制，即由平衡囊细胞所控制，平衡囊细胞的淀粉粒具有平衡石的作用，淀粉粒分布倾向于细胞向地的一侧(伊稍, 1982)。

在铝胁迫下，淀粉粒数量有减少的趋向，淀粉粒堆重心偏向由明显到不明显的趋向，根冠细胞在60 d浓度2（0.370 mmol·L–1）呈淀粉粒急剧减少；在90 d浓度3（0.666 mmol·L–1）淀粉粒质体急剧减少；淀粉粒堆或淀粉质体堆无重心偏向。说明铝毒显著抑制了杨树根冠的重力感受系统。

随着铝浓度的升高，根冠细胞内的淀粉粒数量减少，而淀粉质体数量却有增加的趋向；随着时间的延长，虽然淀粉质体数量有所下降，但还是有一定数量的存在。这一现象是否与铝毒先使根冠细胞中淀粉粒的分布失去向地性，关闭根冠的重力感受系统，而后由于时间的延长铝刺激根冠细胞中某段基因的活动，使得重力感受系统有潜在恢复的可能，这需要在今后从铝与基因片段关系上进行深入的研究，以从基因水平上阐明根冠抗铝毒的新原理。

3.2结论

铝胁迫破坏常绿杨根冠细胞超微结构，从作用浓度来看，3个铝浓度，即0.074 mmol·L–1、0.370 mmol·L–1和0.666 mmol·L–1都使根冠细胞壁、细胞基质、淀粉质体和淀粉粒受损，高浓度，即0.666 mmol·L–1水平下现象显著；从铝毒作用时间来看，中长时间低浓度（60 d、0.370 mmol·L–1）下抑制淀粉粒形成，长时间高浓度（90 d、0.666 mmol·L–1）下抑制淀粉粒质体形成及重心偏向。

杨树是一种普遍适合种植在中性偏碱性土壤的植物(尹伟伦, 2005)，目前关于杨树对酸性土壤及其铝毒害响应机制的研究还属空白。常绿杨作为适合热带亚热带气候的种植品系，面临的一个突出问题就是酸性土壤以及酸性土壤的富铁铝化带来的生理生态效应。对常绿杨在铝胁迫下根冠细胞超微结构的初步研究表明酸铝会对常绿杨根系统细胞结构产生影响，且有随着时间的加长而加剧的效应，但铝影响杨树超微结构的生理机制仍不清楚。因此，在今后的进一步研究中，将植物分子学、生物化学、植株整体表现型与铝浓度结合起来的研究是非常必要的。

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Acid and Aluminum Stress on Root Cap Ultrastructure of Evergreen Poplar Clone

QIAN lianwen1, WU wenjie2
1. College of Chemistry and Life Science, Quanzhou Normal University, Quanzhou 362000, China; 2. College of Resources and Environment Science, Quanzhou Normal University, Quanzhou 362000, China

The climate of China's subtropical area is warm humid, abundant rainfall, is fast-grown forest base. Forest soil is partial acidic or acidic, rich in aluminum. Which easily cause aluminum poisoning for the plant.A-61/186 (Populus x euramericana CV.) is the semi-evergreen poplar clone cultivated by Australian doctor L.D.Pryor, which female parent is Populus deltoids Marsh from the southern United States, and the male parent is originated Populus nigra CV. of Chile. It is one of three evergreen poplar clones and suitable for tropical and subtropical areas were introduced from Pakistan in 1987 by Mr. Shikai Zheng, who is a researcher of state forestry administration P.R.China. The changs in Ultrastructure of root cap cells were studied under controlled concentration and acting time by evergreen poplar clone A - 61/186 (Populus euramericana CV.), using hydroponic experiment acid aluminum stress. Root cap cell ultrastructure were observed and shooting under the transmission electron microscopein in 30 d, 60 d and 90 d. Acid concentration and acted time under aluminum stress on its ultrastructure were explored. Used for revealing changes of poplar root cap cells ultrastructure under aluminum toxicity, then for aluminum toxicity submicroscopic level evaluation of root cap cells. The results showed that cellwall was dissolved and brokend with the increasing of stress concentration, and Al content 3 was obvious . Cell matrix changed from gel state to Scattered debris. Starch grain declined in the number and amyloplasts increased in the number. While the core deviation of starch grain heap were changed from non-clear to clear trend. With the development of acting time, Starch grain were sharply reduced in Al content 2 under 60 d stresse and amyloplasts in Al conten 3 under 90 d stress. The core of starch grain heap was not deviated obviously.

evergreen poplar clone; aluminum stress; root cap cells; ultrastructure

Q944.5

A

1674-5906（2014）07-1136-05

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

钱莲文（1978年生），女，副教授，博士，主要从事植物生理生态及森林生态研究。E-mail:lianwenq@qq.com

2014-04-11

钱莲文，吴文杰. 酸铝胁迫下常绿杨根冠超微结构变化[J]. 生态环境学报, 2014, 23(7): 1136-1140.

QIAN lianwen, WU wenjie. Acid and Aluminum Stress on Root Cap Ultrastructure of Evergreen Poplar Clone [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(7): 1136-1140.