重金属对植物根尖边缘细胞的毒性效应

肖梦茹+黄碧捷+张霞+彭开达+代青青+严亚文

摘要：指出了根尖边缘细胞已被证实在外源污染胁迫下具有多种生物学功能，能作为重金属元素对植物毒性的标志物。综述了根尖边缘细胞的定义、特征与功能，并以已有报道文献中的铝、铁、铜和镉为典型金属元素探讨了其对植物根尖边缘细胞的毒性效应。最后，展望了将RBCs作为指示金属毒性的毒性测试受体并建立相关的标准化的实验流程是未来研究的方向。

关键词：根尖边缘细胞;重金属;毒性效应;污染胁迫

中图分类号：X173

文献标识码：A文章编号：1674-9944（2014）12-0140-03

1引言

大气、水体等各环境介质中的污染日益严重，环境污染治理已刻不容缓，尤其是重金属环境污染问题日益提上主要议程。重金属污染是因人类活动，如采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属制品等人为因素，导致环境中的重金属含量增加，超出正常范围，使得环境质量恶化的现象。近年来，植物根尖边缘细胞作为陆生植物抵御土壤重金属元素毒害的第一道屏障，对植物对重金属的抗性、吸收机理研究都有很重要的指示作用，已得到了较大的关注。植物根尖边缘细胞能作为较为敏感的重金属元素毒性的标志物，越来越多的研究者从不同植物种类、不同重金属元素等多角度报道了重金属对其的毒性效应，并正进行更深入的研究。

2根尖边缘细胞的定义、特征及功能

2.1根尖边缘细胞的定义

区别于传统认为的根尖边缘细胞就是根冠更新过程中脱落下来的垂死副产物，现代科学已证实根尖边缘细胞离体时仍能存活数月，绝大多数物种的根冠脱落细胞是有活性的，其发育受胞内外信号调控的。根尖边缘细胞（Root border cells，RBCs，下同）[1]是从根冠表皮游离出来并聚集在根尖周围的一群特殊细胞，其发育是受遗传调控，并在逆境中起着多种生物学功能。边缘细胞起源于根冠组织的有丝分裂，经过一系列的不同发育时期，包括淀粉合成期、重力感受期、粘液分泌期等，最后在根冠外围形成细胞层。

2.2根尖边缘细胞的特征及功能

RBCs大部分呈椭圆形或方形，长50～80 μm，宽20～25 μm。不同物种产生的RBCs的外形不同。一般来说，豆科植物的RBCs比玉米稍大、稍长;胡萝卜的RBCs比豆科植物和禾谷类作物小且形状更均一;松树和小麦边缘细胞淀粉粒之类的细胞内容物更明显可见;而在高梁和甘蔗RBCs中有色素表达，呈现粉红色或紫色[2]。处于不同生长时期的RBCs的外形也略有不同，浸入溶液后RBCs的形状也会有所改变，依不同生长时期变成较为光滑的蠕虫形或短棒状[3]。一条根系产生的RBCs数目因物种的差异而不同，从烟草的十几个到棉花、松树的上万个RBCs，这与边缘细胞发育起始时间、生成速度及其死亡速度有关[4]，同一科的植物根系产生RBCs的数量是大致相当的。RBCs从根尖脱离后，能够自主进行新陈代谢，即能单个生存，并在遭受逆境时向外特异性合成分泌一系列具有生物活性的物质，形成一个独立的胞际空间，RBCs的粘液层是很重要的屏障，如能防止和减少铝的吸收，能抑制和促进根际周围微生物的生长。

3典型金属元素对植物根尖边缘细胞的

毒性效应

RBCs用于金属元素毒性实验主要源于Al对水稻根尖的毒性效应研究。水稻是重要的单子叶植物， 也是小谷类作物中Al抗性较强的作物之一[5]。研究者逐渐将金属元素对植物生长的影响研究的植物受体从水生植物扩宽到了陆生植物，从单子叶植物扩宽到双子叶植物，从封闭型双子叶植物扩宽到能产生更大活性和更多数量RBCs的开放型双子叶植物中。研究的金属元素种类也慢慢从单一的Al元素扩展到Fe、Cu、As、Cd、Hg、Pb、Cr等毒性较大的重金属元素。无论选取何种植物种类和金属元素，其毒性效应研究选择的毒作用指标主要是通过对离体或活体RBCs存活率的影响和对RBCs活性和酶含量的毒性影响等为主。下文将以几种典型金属元素为例介绍金属对植物RBCs的毒性效应。

3.1Al元素

戚伟刚[6]等人以水稻为材料，研究了水稻RBCs数目和存活率的变化及不同Al处理对水稻RBCs的影响。第1个水稻RBCs的出现几乎与初生根根尖同步，RBCs数目达到最大值时，根长大约为25～30 mm，;当根长超过5 mm时， RBCs的存活率维持在一定的水平上;水稻RBCs的存活率随着Al浓度的递增而减小，Al毒明显降低水稻RBCs的存活率。对铝毒的研究当然不仅仅局限于对于水生植物的研究，并且对于陆生植物也得到了类似的结论。杜幸[7]等人以红豇豆为材料，采用悬空气培法，研究红豇豆RBCs产生的数目、活性及对铝胁迫的响应。结果表明：红豇豆的RBCs数目先随着根的伸长而迅速增加，到根长为10 mm时达到最多，约为5300个;随后，RBCs数目稍有减少，且较为稳定。RBCs的存活率较高，都大于85%，随着红豇豆根长的伸长，RBCs的活性逐渐增高。冯英明[1]等人以豌豆为材料，研究了不同铝浓度AlCl3与离体豌豆（Pisum Sativum）RBCs共培养一段时间后RBCs存活率粘胶层厚度及细胞数量的变化，通过实验得到在一定铝浓度范围RBCs存活率随铝浓度升高而降低。铝毒对RBCs具有致死效应，这种致死效应在一定浓度范围符合剂量依数性关系高浓度时则RBCs存活率反而升高。与前者不同的是，后者还引入了时间变量，也证明了RBCs的存活率明显随着处理时间的延长而下降。而对于离体与活体根尖边缘细胞的活性及耐铝性，张淑娜[8]等人以荞麦为材料也做了说明：Al3+降低荞麦相对根长和RBCs活性;相同Al3+浓度处理下，附着于根尖的RBCs活性要大于离体RBCs。细胞黏液层厚度与Al3+浓度相关，且离体RBCs黏液层厚度要大于原位RBCs，耐铝品种中表现得更为明显。邢成华[5]等人以两镉大豆品种（耐铝性大豆和铝敏感性大豆）为材料，比较研究了Al3+对根尖原位边缘细胞释放以及对离体边缘细胞的毒害作用。结果显示：Al3+对离体边缘细胞有明显的毒害作用，100 μmol/L Al3+处理1～6h就表现出细胞死亡症状，毒害作用最大时出现在6h之后，其中Al3+对敏感型大豆的毒害作用高于耐铝型大豆。100 μmol/L Al3+处理的离体边缘细胞存活率已大幅度下降，400 μmol/L Al3+时，存活率已不过半。外界Al3+浓度增加影响边缘细胞的释放，并且显著降低离体边缘细胞的存活率。对于不同品种的大都对Al3+的反应的最大差异性出现在6h处。对于铝毒对植物根尖边缘细胞的研究较普遍，都得到类似以上结论。endprint

3.2Fe元素

Fe是植物生长发育过程中必不可少的元素，但少量或过量的Fe都会对植物产生不良作用。章艺[9]等人以铁耐型（Azucena）和铁敏感型（IR64）两种不同水稻品种为材料，研究了Fe2+胁迫下RBCs的数目、存活率， RBCs形态结构，根尖保护酶活性的变化，结果显示：Fe2+对RBCs的产生有抑制作用;相对于铁敏感型水稻而言，一定浓度的Fe2+（100～200 μmol/L）有利于铁耐型品种 RBCs的产生;Fe2+对RBCs有致死效应，随Fe2+浓度的提升， RBCs的存活率呈下降趋势，根尖外围细胞壁增厚，并出现细胞程序性死亡特征（铁敏感型）;Fe2+对根尖保护酶活性有一定的影响，200～400 μmol/L Fe2+处理下，铁耐型品种过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物岐化酶（SOD）活性都超过对照，铁敏感型水稻只有SOD活性超过对照，这说明Fe2+胁迫下，水稻根尖可通过增加RBCs数目、提高细胞拒Fe作用，维持较高水平的POD、CAT和SOD活性来缓解铁毒害。铁对于植物生长也存在低促高抑的现象。

3.3Cu元素

Cu是植物必需的营养元素，但过量的Cu对植物有明显的毒害作用。刘婷婷[10]等人采用悬空培养及离体培养的方式， 观察玉米的RBCs在铜离子胁迫下发生的形态、数量及存活率变化情况。结果表明：在玉米根长为32 mm的时，RBCs的数量达到最大，但其存活率此时最低;玉米的RBCs随着铜离子浓度的增加发生变化。当处理浓度为50 μmol·L-1时，存活率为24.80%，铜离子处理浓度增加到100 μmol·L-1时，存活率降低为17.54 %;玉米RBCs的数量随着铜离子浓度的增加逐渐减少，存活率逐渐降低，说明过量重金属铜离子胁迫对RBCs有明显的毒害作用。

3.4Cd元素

Cd是危害植物生长发育的有害物质。梁剑[11]等人以麻疯树离体RBCs为材料，探究其RBCs的生物学特性及Cd对其活性的影响。麻疯树RBCs大多数呈椭圆型，少数成弯曲的长条型;根长为15 mm时，RBCs存活率达到最大值;根冠果胶甲基脂酶（PME）酶活性随根的伸长有所降低;Cd对麻疯树RBCs产生明显毒害，随着镉浓度和处理时间的增加，RBCs的活性都呈现下降的趋势。梁剑[12]以油橄榄根系为材料，探讨Cd 胁迫下对油橄榄RBCs的影响，发现镉对油橄榄RBCs产生明显毒害，当镉浓度逐渐增加时，PME酶活性和RBCs存活率呈下降趋势。王亚男[13]等人以绿豆为材料，采用琼脂悬空培养法和培养皿滤纸培养法，以不同浓度的Cd2+处理洗脱RBCs和未洗脱RBCs的绿豆根尖，研究了离体状态和活体状态绿豆RBCs对镉毒的响应。在Cd2+的诱导下，离体状态的绿豆RBCs凋亡和分泌黏液，同时随着Cd2+浓度的升高，其存活率逐渐递减;Cd2+具有诱导根尖产生RBCs的作用，根尖释放的RBCs数量随着Cd2+浓度的增加先增多后减少;其中50 μmol L-1 Cd2+处理在洗脱组和未洗脱组均呈现最大诱导效应;Cd2+对RBCs的活性具有影响，随着Cd2+浓度的增加，RBCs的存活率在未洗脱组逐渐降低，而洗脱组则先升高后降低。受到Cd2+胁迫时，绿豆根尖可释放更多RBCs，并通过离体RBCs形成黏液层、凋亡等来抵御Cd2+对根尖的毒害作用。

4研究展望

将RBCs指示重金属毒性的毒性测试受体并建立相关的标准化的实验流程是需要更多大量相关数据作为支撑的。现有对重金属中的“五毒”（Pb、Hg、Cr、Cd、As）对RBCs的单一及联合毒性效应均不完善。另外，是否能将同一种植物从细胞（RBCs活性抑制）、种子（发芽率抑制）、器官（根伸长抑制）到植株（生长抑制，生理生化效应等），甚至到生态效应将对全面、系统地揭示

植物-土壤界面根系对重金属的吸收及排斥机理和重金属元素对植物生长全过程的毒性效应将具有很强的科学意义。笔者也如同其他研究者一样着重进行着关于重金属“五毒”元素对绿豆从RBCs到植株全过程毒性效应的研究。

参考文献：

[1]冯英明， 喻敏. 铝对豌豆根边缘细胞存活率和粘胶层厚度的影响[J]. 生态环境， 2005， 14（5）： 695～699.

[2]Brigham L. A.，Woo H. H.， Hawes M. C.. Root border cells as tools in plant cell studies[J]. Methods Cell Biol， 1995a， 49：377～387.

[3]喻敏， 崔志新， 温海祥， 等. 根际新发现的一类活细胞群——根边缘细胞[J]. 华中农业大学学报， 2004， 23 （2）： 275～280.

[4]Hawes M. C.. The role of root border cells in plant defense[J]. Trends in Plant Science， 2000， 5（3）： 128～133.

[5]邢承华. 边缘细胞对水稻生长和细胞壁组分的影响及其与耐铝性的关系[J]. 作物学报，2012， 38（5）： 880～886.

[6]戚伟刚. 铝毒对水稻边缘细胞的影响[J]. 河南农业科学， 2006 （3）： 22～24.

[7]杜幸， 刘鹏， 徐根娣. 红豇豆根缘细胞对铝胁迫的响应[J]. 植物营养与肥料学报， 2006， 12（5）：722～726.

[8]张淑娜， 李诗佩， 毛玲玲. 荞麦边缘细胞对铝毒害的响应[J].湖北农业科学， 2011， 50（3）： 497～502.

[9]章艺，刘鹏， 宋金敏， 等. 水稻根尖边缘细胞对铁毒的形态生理响应[J]. 植物营养与肥料学报， 2009， 15（4）： 763～770.

[10]刘婷婷， 李锋，张曦，等. 铜离子胁迫下玉米根边缘细胞数量及存活率[J]. 植物生理学报， 2012， 48（7）： 669～675.

[11]梁剑， 刘小文， 唐琳， 等. 麻疯树根边缘细胞生物学特性及镉对其活性的影响[J]. 生态学杂志， 2011， 30（7）： 1423～1428.

[12]梁剑. 重金属镉对油橄榄根边缘细胞的影响[J]. 四川林勘设计， 2013（3）： 44～45.

[13]王亚男， 姜华，王煜. 不同状态绿豆根边缘细胞对Cd2+的响应[J]. 土壤学报， 2013， 50（1）： 166～170.endprint