细胞壁组分在红酵母RS1高耐铝中的作用研究

红酵母RS1是从酸性油茶土壤中分离到的一株高耐铝微生物,能够忍耐高达200 mmol/L以上的铝,前期研究表明RS1高耐铝能力与细胞壁有关,但是其具体机制还不清楚。因此,本文进一步研究了细胞壁组分在RS1高耐铝中的作用,以期为RS1高耐铝的具体机制提供新信息。结果表明,高于70 mmol/L的铝对RS1生长产生抑制作用,0~70 mmol/L铝处理后细胞壁主要组分甘露糖和葡聚糖含量都没有显著改变,而细胞壁磷含量在70 mmol/L铝处理后显著升高。在高铝处理时,糖蛋白抑制剂抗生素衣霉素(tunicamycin)极大加重RS1的铝毒害。由此说明,细胞壁多糖组分含量并不对RS1高耐铝起到主要作用,细胞壁结构修饰如细胞壁磷含量响应和细胞壁N连接的糖蛋白修饰在RS1高耐铝中可能起到一定作用。     

高耐铝红酵母RS1的红外光谱和拉曼光谱研究

微生物菌株RS1是从江西鹰潭油茶酸性土壤中筛选获得的一株高耐铝红酵母，能够忍耐高达200 mmol/L以上的铝浓度。前期研究表明RS1可以把铝固定在细胞表面，阻挡其进入细胞内部，但是细胞表面何种基团参与铝的固定并不清楚。本文综合采用傅里叶红外光谱和拉曼光谱技术研究了铝胁迫下红酵母RS1细胞表面官能团变化，以期从光谱学角度来探索RS1的高耐铝机制。研究发现，70 mmol/L铝处理24小时后RS1红外光谱中1403 1/cm 处的吸收峰红移到1397 1/cm处，这可能是羧基峰；在1706 1/cm处出现新的吸收峰，这可能是羰基峰；多糖、β-1，3-葡聚糖、酰胺I带、脂肪酸对应的吸收峰强度均显著减弱，且甘露聚糖的吸收峰消失。拉曼光谱在779 1/cm 、856 1/cm处和1270 1/cm处出现新的吸收峰，可能分别为核糖核酸、酪氨酸和酰胺Ш带的吸收峰。综合结果表明，RS1细胞表面与铝吸附相关的物质主要是细胞壁多糖和蛋白质，主要涉及到的官能团包括羧基、羰基和酰胺基。这些细胞表面官能团对铝的固定作用可能是红酵母RS1高耐铝的一个重要机制。     

铝胁迫对小麦根尖细胞蛋白质及苹果酸分泌的影响

以一对近等位基因小麦品系(ET8和ES8)为材料,研究了铝胁迫条件下根系生长情况,根尖铝含量,根尖细胞质蛋白组分以及铝胁迫下两个小麦品系苹果酸分泌的差异。结果表明,小麦品系ET8的耐铝性明显高于ES8;而ET8根尖铝含量则明显低于ES8;50mol/L铝处理24h后ES8小麦的细胞质蛋白组成受到明显影响,而ET8则无明显影响。由于铝胁迫条件下ET8分泌的苹果酸的量明显高于ES8,因此可以认为,分泌的苹果酸一方面与铝结合使其无毒化;另一方面将铝排斥于根尖细胞外,从而阻止铝进入细胞质内对细胞产生毒害作用。     

铝诱导黑麦的根尖分泌有机酸

虽然较多的研究已发现黑麦对铝毒害的忍耐能力较强，但是有关黑麦对铝毒害的抵御机理的报告很少。为了阐明黑麦（品种：King)对铝毒害的抵御机理，本研究探讨了黑麦的根系有机酸分泌的特性及其作用，铝能够诱导黑麦的根系分泌柠檬酸和苹果酸。柠檬酸主要从距顶端0－5mm的根尖分泌。有机酸的分泌量随着处理的铝浓度(0,50,100,300μmol/L AlCl3）和处理的时间（0．5，1，3，5h）的增加而增加。0，50，100，300μmol/L的AlCl3处理根尖3h后，从根尖分泌的柠檬酸和残留在根尖中的柠檬酸之和随着处理的铝浓度的增加而增加，而各处理间的苹果酸总量无显著差异。50μmol/L的柠檬酸或者400μmol/L的苹果酸能够消除50μmol/L 的AlCl3铝对小麦（Scout 66)根尖表面细胞的伤害。这些结果表明，铝促进柠檬酸的合成和柠檬酸、苹果酸从根尖的分泌是黑麦抵抗铝毒害的机理。     

水稻(Oryza sativa L.)铝毒害与耐性机制及铝毒害的缓解作用

铝 (Al) 毒是广泛存在于热带亚热带地区酸性土壤上的主要的生产力限制因子之一。水稻Al毒害主要发生在新开垦的旱地酸性土壤上。本文较详细地总结了: (1) 水稻发生Al毒的环境条件,水稻Al毒害的可见症状和Al毒害的部位;(2) 水稻耐Al指标,营养元素的吸收与分配对水稻耐受Al毒害的影响,以及Al胁迫下根系分泌物、根际pH的变化等对水稻耐Al的贡献,水稻耐Al基因的定位等;(3) 水稻Al毒害的缓解作用机理及可能的解决措施。最后对水稻Al毒害和水稻耐Al机制研究中存在问题进行了分析探讨,同时对今后的研究作了展望。     

木本植物适应酸性土壤机理的研究进展——以胡枝子(Lespedeza bicolor)和油茶(Camellia oleifera)为例

综述了近年来木本植物适应酸性土壤的耐铝机理研究进展,重点以酸性土壤先锋植物胡枝子(Lespedeza bicolor)和铝累积植物油茶(Camellia oleifera)为例,总结了木本植物根系有机酸的分泌、铝吸收和运输机制及铝与氮磷胁迫的协同适应等。木本植物有铝累积和铝排斥植物之分;铝排斥植物胡枝子耐铝的重要机制是其根系同时分泌柠檬酸和苹果酸;铝累积植物油茶高效累积铝的原因在于其不仅可以高效吸收土壤和土壤溶液中广泛存在的铝(Al3+和Al-F),而且可以通过木质部运输和特定季节韧皮部运输的配合实现铝的高效分配和传输;铵态氮相对于硝态氮可缓解胡枝子的铝毒害;磷对不同胡枝子耐铝作用的影响明显不同。木本植物适应酸性土壤机理的深入研究将会有助于完善植物的耐铝机理及铝运输理论,并为酸性土壤中矿质养分管理提供理论基础。     

柠檬酸对西瓜幼苗铝毒害的缓解作用

为了探究柠檬酸对西瓜幼苗铝毒害的缓解作用,本试验采用水培法,以早春红玉(耐铝型,HY)和早蜜王(铝敏感型,ZM)2个西瓜品种为材料,用不同柠檬酸浓度(200、400、800、1 200μmol·L~(-1))处理铝胁迫(1 500μmol·L~(-1))下的西瓜幼苗,研究不同柠檬酸浓度对西瓜幼苗生长和生理特性的影响。结果表明,铝胁迫对HY和ZM幼苗的生长和生理均产生了明显的毒害作用,与HY相比,ZM受毒害的程度更大。加入柠檬酸后,铝对HY和ZM的毒害作用得到了有效的缓解,且缓解效果存在浓度差异,在一定浓度范围内(≤800μmol·L~(-1)),随着柠檬酸浓度增加缓解效果增强,其中以800μmol·L~(-1)效果最佳;当浓度增至1 200μmol·L~(-1)时,缓解效果反而减弱。柠檬酸对ZM的缓解作用强于HY,同时随着处理时间的延长柠檬酸缓解效果越明显。综上所述,柠檬酸能够有效缓解铝对西瓜幼苗的毒害作用,以400~800μmol·L~(-1)解毒效果最佳。本研究结果为明确柠檬酸缓解西瓜铝毒害作用机制以及西瓜优质高产栽培提供了理论依据。     

植物耐铝毒作用机制研究进展

铝毒害是酸性土壤中作物生产的主要限制因子。针对土壤中Al元素的构成、Al毒害表现、植物相关耐铝机制及耐铝基因的克隆等问题,综述了国内外研究现状和进展。其中以主要农作物水稻与小麦为例,对这两种重要农作物耐铝毒研究进行了归纳和总结,在比较二者研究内容的完善程度的同时,为今后参照水稻耐铝毒研究,通过多种实验手段开展小麦系统化耐铝毒研究提供参考和依据,并提出今后的研究动向。     

铝胁迫对决明属水土保持牧草幼苗根系的影响

耐铝能力对红、黄壤山区水土保持牧草的生长具有重要影响。AFT2 2 17(C .nictitans)、CPI3 472 1(C .rotundi folia)和CPI8613 4(C .rotundifolia)三个决明品系水土保持牧草耐铝能力均较强 ,但对Al3+ 敏感性有差异 ,按反应强弱排序为 :CPI8613 4>AFT2 2 17>CPI3 472 1;经 6个Al浓度梯度处理 ,从主根长、侧根数、根细胞质膜透性等指标分析 ,三个决明品系中CPI3 472 1的幼苗耐铝能力相对较强 ,AFT2 2 17、CPI8613 4耐铝能力稍弱 ,铝毒临界值前者为 60mg/L ,后两者为 40mg/L。同时试验表明决明品系水土保持牧草的根系需要适量铝的刺激 ,才能生长得更好     

铝胁迫下磷对水稻苗期生长的影响及水稻耐铝性与磷效率的关系

选用两个耐铝性差异较大的水稻品种武运粳7号(耐铝品种)和扬稻6号(铝敏感品种)作为实验材料,利用水培铝-磷交替处理试验研究了磷对水稻铝胁迫下苗期生长的影响及水稻耐铝性与磷效率之间的关系。结果表明,从水稻铝-磷交替处理下的生物量和根系形态等指标来看,P缓解了Al对两个水稻品种的毒害作用,且对敏感品种扬稻6号的缓解作用更加明显。铝-磷交替处理下,武运粳7号的体内磷含量显著高于扬稻6号的,而根部铝含量显著低于扬稻6号,因此武运粳7号体内的P/Al显著高于扬稻6号;同时,虽然两个品种间根表及根自由空间中Al浓度没有差别,而武运粳7号根表及根自由空间中P浓度显著高于扬稻6号,表现出耐铝品种更强的质外体解铝毒能力,这可能与武运粳7号较强的磷吸收效率有关。此外,与耐铝品种武运粳7号相比,铝敏感品种扬稻6号虽然磷吸收效率低,但利用效率高,即两个水稻品种的耐铝性与水稻的磷吸收效率和利用效率不一致,这为酸性土壤水稻育种提供了理论基础,即选育适应酸性土壤的水稻基因型不仅要关注其耐铝性还要关注其磷利用效率。     

施用磷、钙对红壤上胡枝子生长和矿质元素含量的影响

采用红壤土培试验,研究了施用P、Ca对耐Al性不同的两个胡枝子品种的生长和矿质元素含量的影响.结果表明,单独 +P处理显著增加了耐Al 品种根和地上部生物量,而对Al敏感品种无影响;单独 +Ca处理显著促进了Al敏感品种根部的生长,而对耐Al品种的生长无影响;+P+Ca处理显著增加了两个品种根和地上部生物量.耐性品种地上部Al含量显著低于敏感品种,而根部Al含量无显著差异.两个品种体内P含量在 +P处理时耐性品种显著高于敏感品种,其他处理品种间无显著差异.整体上,胡枝子体内Ca、K、Mn和Mg含量耐性品种大于敏感品种,Fe含量反之.结果表明,低P胁迫是酸性土壤上耐Al胡枝子品种生长的主要限制因子,增施P肥效果明显,而对于Al敏感品种,Al毒是其生长的首要限制因子,只有施用石灰后对其加P,生物量才能提高.耐性品种根部有阻碍Al 向地上部运输的机制,而这种机制与体内P含量较高有着直接或间接的关系.另外,推测耐Al胡枝子品种对其他养分的吸收利用能力也较强.     

不同耐铝性玉米自交系的营养特性

采用溶液培养方法,研究了三类不同耐铝性玉米自交系的营养特性。耐铝自交系根系对Ca2+、Mg2+的平均吸收速率与对照相同或略有提高,而多数敏感自交系显著下降。铝处理后,各自交系对磷的吸收能力均呈下降趋势,铝敏感自交系降幅相对较大。各自交系对钾的吸收表现不一,与自交系耐铝性无明显关系。根系和地上部铝含量随铝处理浓度增加而增加,且敏感自交系根系铝含量增幅较大。植株吸收的铝主要集中在根系部位,自交系地上部相对铝含量与耐铝性无相关关系。铝处理可使多数自交系根系钙、镁含量降低,但耐铝自交系与对照无显著差异。铝处理后,地上部钙含量均高于根系;铝处理可显著降低耐铝自交系根系镁含量,但地上部相对镁含量高于敏感自交系。铝处理下,多数自交系根系钾含量有所降低,但与耐铝性无相关性。铝处理可使多数自交系根系和地上部铁、锰、铜、锌含量降低,不同耐铝性自交系类型间具有差异。     

小麦的铝毒及耐性

为探明Al的毒性和忍耐机理 ,比较了Scout 66和Atlas 66Al敏感和抗性的 2个小麦品种的根对Al的积累模式、根细胞壁对Al的吸附以及Al诱导的有机酸的分泌。结果表明 ,Al对Scout 6 6根伸长的抑制作用较Atlas 66明显。根系吸收的Al主要积累于 0至 5mm根尖处。Scout 6 6的根尖及Al处理后分离的根尖细胞壁对Al的积累量大于Atlas 6 6。但是 ,Al处理前分离根尖细胞壁 ,Al处理后细胞壁对Al的吸附量两品种间无显著差异。Al可诱导Atlas 6 6的根系分泌苹果酸 ,而Scout 6 6的分泌物中未发现Al诱导的有机酸。这些结果表明 ,Atlas 6 6的根尖及其细胞壁较Scout 66积累较少的Al,这种差异与Al诱导的有机酸分泌有关 ,而与根尖细胞壁固有的吸附Al的能力无关     

铵态氮/硝态氮对水稻铝吸收的影响及其机制研究

选用两个水稻品种武运粳7号（耐铝品种）和扬稻6号（铝敏感品种）作为实验材料,利用水培试验,通过长期和短期处理相结合的方式研究了NH4+-N和NO3--N对水稻Al吸收的影响及其作用机制。结果表明,与NH4+-N相比,NO3--N促进了水稻对Al的吸收。而且随着NO3--N浓度的提高,水稻根中Al含量显著增加,随着NH4+-N浓度的提高,水稻根中Al含量显著降低。这些结果表明NH4+-N和NO3--N对水稻Al吸收的影响具有浓度效应。当向Al溶液添加pH缓冲剂后,NH4+-N和NO3--N对根尖Al累积的影响变小,表明NH4+-N和NO3--N处理下溶液pH的变化可能是NH4+-N和NO3--N对水稻Al吸收影响不同的一个原因。     

Aluminum tolerance of two wheat cultivars (Brevor and Atlas66) in relation to their rhizosphere pH and organic acids exuded from roots

Phytotoxicity of aluminum (Al) has become a serious problem in inhibiting plant growth on acid soils. Under Al stress, the changes of rhizosphere pH, root elongation, absorption of Al by wheat roots, organic acids exuded from roots, and some main factors related to Al-tolerant mechanisms have been studied using hydroponics, fluorescence spectrophotometry, and high performance liquid chromatography (HPLC). Two wheat cultivars, Brevor and Atlas66, differing in Al tolerance are chosen in the study. Accordingly, the rhizosphere pH has a positive effect on Al tolerance. Atlas66 (Al-tolerant) has higher capability to maintain high rhizosphere pH than Brevor (Al-sensitive) does. High pH can reduce Al3+ activity and toxicity, and increase the efficiency of exuding organic acids from the roots. More inhibition of root elongation has been found in Brevor because of the exposure of roots to Al3+ solution at low pH. Brevor accumulate more Al in roots than Atlas66 even at higher pH. Al-induced exudation of malic and citric acids has been found in Atlas66 roots, while no Al-induced organic acids have been found in Brevor. These results indicate that the Al-induced secretion of organic acids from Atlas66 roots has a positive correlation with Al tolerance. Comprehensive treatment of Al3+ and H+ indicates that wheat is adversely influenced by excess Al3+, rather than low pH.     

红酵母RS1的高耐铝能力与增厚的细胞壁有关而不来自体外铝离子的螯合作用

Aluminum (Al) is very toxic to many living organisms, including plants, animals and microorganisms. However, despite many studies on Al tolerance in plants, little has been reported concerning these mechanisms in microorganisms. In this study, a red yeast, which could tolerate Al 3+ concentrations as high as 200 mmol L-1 , was isolated from acidic soils, identified as Rhodotorula sp. and designated as RS1. As the medium compositions can greatly affect the responses of microorganisms to Al, two culture mediums, glucose medium (GM) and lysogeny broth medium containing soil extract (S-LBM), were used. During growth of RS1, the pH of medium decreased in GM but increased in S-LBM. These changes in the pH of the media were not induced by Al addition. No or little secretion of organic acids was observed in RS1 growth media. Importantly, the thickness of the cell walls and the ratio of cell wall to biomass of RS1 significantly increased in GM with high Al 3+ concentrations. In the presence of 100 mmol Al L-1 , 78.0% of the total Al of whole cells was present in the thickened cell walls. The Al in cell walls was mostly bound to OH, amide and CO groups of polysaccharides. These results suggest that thickening of the cell wall in response to the high Al 3+ concentrations may play an important role in the high tolerance of RS1 to Al and that pH increase of the medium and chelation of Al ions are not involved in Al tolerance of this organism.     

Effect of Nitrogen Sources on Aluminum Toxicity in Wheat Varieties Differing in Tolerance to Aluminum

Extract

As previously reported (Taylor and Foy 1985; Keltjens and Ulden 1987; Grauer and Horst 1990; Galvez and Clark 1991), plant species and varieties widely differ in Al tolerance. Although many hypotheses about the physiological mechanism(s) involved in Al tolerance have been formulated, the mechanism(s) has not been elucidated. However, it is obvious that when exposed to Al at high concentrations, Al-tolerant plants seem to be able to avoid the toxicity by refraining from excess uptake of Al or by chelating of Al in the rhizosphere or in the roots. In such ways, Al can not affect the growth of tolerant plants (Foy et al. 1978).     

植物耐铝机理研究进展

铝毒是酸性土壤上作物生产的主要限制因子,植物耐铝机理以及与耐铝有关基因的研究是近十多年来研究的热点。本文对植物耐铝的生理、遗传及分子机理的研究进展作了综述。明确了目前取得的突破性进展已使通过植物遗传育种及生物技术手段提高粮食作物耐铝性成为可能;同时,本文对今后的研究方向作了简要的讨论。     

The plasma membrane intactness of root-tip cells is a primary factor for Al-tolerance in cultivars of five species

We investigated the role of the cell wall and plasma membrane (PM) of root-tip cells in Al tolerance in Al-tolerant and Al-sensitive cultivars of five plant species (rice, maize, pea, wheat, and sorghum). No correlation was found between the differences in Al tolerance and the cation exchange capacity of cell walls isolated from root-tips (0–1 em). Preliminary exposure to Al for 1 h was sufficient to inhibit subsequent root re-elongation in an Al-free solution, and the inhibitory effect was more pronounced in the Al-sensitive cultivars than in the Al-tolerant ones. Together with the inhibition of root re-elongation, the PM of the root-tip cells of all the Al-sensitive cultivars was more permeabilized than that of the Al-tolerant cultivars, based on the FDA-PI fluorescence staining technique. Exposure for 30 min to Al treatment at 100 µM significantly increased the PM permeability of protoplasts isolated from the root-tips for the Al-sensitive pea cultivar placed in a moderately hypotonic medium. Protoplasts from root-tip portions of all the Al-sensitive cultivars took up more Al than those of the Al-tolerant ones when treated with 100 pM Al under isotonic conditions for 30 min. The co-existence of DNP or hypotonic conditions led to a larger increase of Al uptake by the protoplasts from Al-sensitive maize cultivars. These results suggest that Al ions rapidly alter the PM of the root-tip portion in the Al-sensitive cultivars, irrespective of plant species, resulting in an increase of the PM permeability.