重金屬對植物根尖邊緣細胞的毒性效應

肖夢茹+黃碧捷+張霞+彭開達+代青青+嚴亞文

摘要：指出了根尖邊緣細胞已被證實在外源污染脅迫下具有多種生物學功能，能作為重金屬元素對植物毒性的標志物。綜述了根尖邊緣細胞的定義、特征與功能，并以已有報道文獻中的鋁、鐵、銅和鎘為典型金屬元素探討了其對植物根尖邊緣細胞的毒性效應。最后，展望了將RBCs作為指示金屬毒性的毒性測試受體并建立相關的標準化的實驗流程是未來研究的方向。

關鍵詞：根尖邊緣細胞;重金屬;毒性效應;污染脅迫

中圖分類號：X173

文獻標識碼：A文章編號：1674-9944（2014）12-0140-03

1引言

大氣、水體等各環境介質中的污染日益嚴重，環境污染治理已刻不容緩，尤其是重金屬環境污染問題日益提上主要議程。重金屬污染是因人類活動，如采礦、廢氣排放、污水灌溉和使用重金屬制品等人為因素，導致環境中的重金屬含量增加，超出正常范圍，使得環境質量惡化的現象。近年來，植物根尖邊緣細胞作為陸生植物抵御土壤重金屬元素毒害的第一道屏障，對植物對重金屬的抗性、吸收機理研究都有很重要的指示作用，已得到了較大的關注。植物根尖邊緣細胞能作為較為敏感的重金屬元素毒性的標志物，越來越多的研究者從不同植物種類、不同重金屬元素等多角度報道了重金屬對其的毒性效應，并正進行更深入的研究。

2根尖邊緣細胞的定義、特征及功能

2.1根尖邊緣細胞的定義

區別于傳統認為的根尖邊緣細胞就是根冠更新過程中脫落下來的垂死副產物，現代科學已證實根尖邊緣細胞離體時仍能存活數月，絕大多數物種的根冠脫落細胞是有活性的，其發育受胞內外信號調控的。根尖邊緣細胞（Root border cells，RBCs，下同）[1]是從根冠表皮游離出來并聚集在根尖周圍的一群特殊細胞，其發育是受遺傳調控，并在逆境中起著多種生物學功能。邊緣細胞起源于根冠組織的有絲分裂，經過一系列的不同發育時期，包括淀粉合成期、重力感受期、粘液分泌期等，最后在根冠外圍形成細胞層。

2.2根尖邊緣細胞的特征及功能

RBCs大部分呈橢圓形或方形，長50～80 μm，寬20～25 μm。不同物種產生的RBCs的外形不同。一般來說，豆科植物的RBCs比玉米稍大、稍長;胡蘿卜的RBCs比豆科植物和禾谷類作物小且形狀更均一;松樹和小麥邊緣細胞淀粉粒之類的細胞內容物更明顯可見;而在高梁和甘蔗RBCs中有色素表達，呈現粉紅色或紫色[2]。處于不同生長時期的RBCs的外形也略有不同，浸入溶液后RBCs的形狀也會有所改變，依不同生長時期變成較為光滑的蠕蟲形或短棒狀[3]。一條根系產生的RBCs數目因物種的差異而不同，從煙草的十幾個到棉花、松樹的上萬個RBCs，這與邊緣細胞發育起始時間、生成速度及其死亡速度有關[4]，同一科的植物根系產生RBCs的數量是大致相當的。RBCs從根尖脫離后，能夠自主進行新陳代謝，即能單個生存，并在遭受逆境時向外特異性合成分泌一系列具有生物活性的物質，形成一個獨立的胞際空間，RBCs的粘液層是很重要的屏障，如能防止和減少鋁的吸收，能抑制和促進根際周圍微生物的生長。

3典型金屬元素對植物根尖邊緣細胞的

毒性效應

RBCs用于金屬元素毒性實驗主要源于Al對水稻根尖的毒性效應研究。水稻是重要的單子葉植物， 也是小谷類作物中Al抗性較強的作物之一[5]。研究者逐漸將金屬元素對植物生長的影響研究的植物受體從水生植物擴寬到了陸生植物，從單子葉植物擴寬到雙子葉植物，從封閉型雙子葉植物擴寬到能產生更大活性和更多數量RBCs的開放型雙子葉植物中。研究的金屬元素種類也慢慢從單一的Al元素擴展到Fe、Cu、As、Cd、Hg、Pb、Cr等毒性較大的重金屬元素。無論選取何種植物種類和金屬元素，其毒性效應研究選擇的毒作用指標主要是通過對離體或活體RBCs存活率的影響和對RBCs活性和酶含量的毒性影響等為主。下文將以幾種典型金屬元素為例介紹金屬對植物RBCs的毒性效應。

3.1Al元素

戚偉剛[6]等人以水稻為材料，研究了水稻RBCs數目和存活率的變化及不同Al處理對水稻RBCs的影響。第1個水稻RBCs的出現幾乎與初生根根尖同步，RBCs數目達到最大值時，根長大約為25～30 mm，;當根長超過5 mm時， RBCs的存活率維持在一定的水平上;水稻RBCs的存活率隨著Al濃度的遞增而減小，Al毒明顯降低水稻RBCs的存活率。對鋁毒的研究當然不僅僅局限于對于水生植物的研究，并且對于陸生植物也得到了類似的結論。杜幸[7]等人以紅豇豆為材料，采用懸空氣培法，研究紅豇豆RBCs產生的數目、活性及對鋁脅迫的響應。結果表明：紅豇豆的RBCs數目先隨著根的伸長而迅速增加，到根長為10 mm時達到最多，約為5300個;隨后，RBCs數目稍有減少，且較為穩定。RBCs的存活率較高，都大于85%，隨著紅豇豆根長的伸長，RBCs的活性逐漸增高。馮英明[1]等人以豌豆為材料，研究了不同鋁濃度AlCl3與離體豌豆（Pisum Sativum）RBCs共培養一段時間后RBCs存活率粘膠層厚度及細胞數量的變化，通過實驗得到在一定鋁濃度范圍RBCs存活率隨鋁濃度升高而降低。鋁毒對RBCs具有致死效應，這種致死效應在一定濃度范圍符合劑量依數性關系高濃度時則RBCs存活率反而升高。與前者不同的是，后者還引入了時間變量，也證明了RBCs的存活率明顯隨著處理時間的延長而下降。而對于離體與活體根尖邊緣細胞的活性及耐鋁性，張淑娜[8]等人以蕎麥為材料也做了說明：Al3+降低蕎麥相對根長和RBCs活性;相同Al3+濃度處理下，附著于根尖的RBCs活性要大于離體RBCs。細胞黏液層厚度與Al3+濃度相關，且離體RBCs黏液層厚度要大于原位RBCs，耐鋁品種中表現得更為明顯。邢成華[5]等人以兩鎘大豆品種（耐鋁性大豆和鋁敏感性大豆）為材料，比較研究了Al3+對根尖原位邊緣細胞釋放以及對離體邊緣細胞的毒害作用。結果顯示：Al3+對離體邊緣細胞有明顯的毒害作用，100 μmol/L Al3+處理1～6h就表現出細胞死亡癥狀，毒害作用最大時出現在6h之后，其中Al3+對敏感型大豆的毒害作用高于耐鋁型大豆。100 μmol/L Al3+處理的離體邊緣細胞存活率已大幅度下降，400 μmol/L Al3+時，存活率已不過半。外界Al3+濃度增加影響邊緣細胞的釋放，并且顯著降低離體邊緣細胞的存活率。對于不同品種的大都對Al3+的反應的最大差異性出現在6h處。對于鋁毒對植物根尖邊緣細胞的研究較普遍，都得到類似以上結論。endprint

3.2Fe元素

Fe是植物生長發育過程中必不可少的元素，但少量或過量的Fe都會對植物產生不良作用。章藝[9]等人以鐵耐型（Azucena）和鐵敏感型（IR64）兩種不同水稻品種為材料，研究了Fe2+脅迫下RBCs的數目、存活率， RBCs形態結構，根尖保護酶活性的變化，結果顯示：Fe2+對RBCs的產生有抑制作用;相對于鐵敏感型水稻而言，一定濃度的Fe2+（100～200 μmol/L）有利于鐵耐型品種 RBCs的產生;Fe2+對RBCs有致死效應，隨Fe2+濃度的提升， RBCs的存活率呈下降趨勢，根尖外圍細胞壁增厚，并出現細胞程序性死亡特征（鐵敏感型）;Fe2+對根尖保護酶活性有一定的影響，200～400 μmol/L Fe2+處理下，鐵耐型品種過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、超氧化物岐化酶（SOD）活性都超過對照，鐵敏感型水稻只有SOD活性超過對照，這說明Fe2+脅迫下，水稻根尖可通過增加RBCs數目、提高細胞拒Fe作用，維持較高水平的POD、CAT和SOD活性來緩解鐵毒害。鐵對于植物生長也存在低促高抑的現象。

3.3Cu元素

Cu是植物必需的營養元素，但過量的Cu對植物有明顯的毒害作用。劉婷婷[10]等人采用懸空培養及離體培養的方式， 觀察玉米的RBCs在銅離子脅迫下發生的形態、數量及存活率變化情況。結果表明：在玉米根長為32 mm的時，RBCs的數量達到最大，但其存活率此時最低;玉米的RBCs隨著銅離子濃度的增加發生變化。當處理濃度為50 μmol·L-1時，存活率為24.80%，銅離子處理濃度增加到100 μmol·L-1時，存活率降低為17.54 %;玉米RBCs的數量隨著銅離子濃度的增加逐漸減少，存活率逐漸降低，說明過量重金屬銅離子脅迫對RBCs有明顯的毒害作用。

3.4Cd元素

Cd是危害植物生長發育的有害物質。梁劍[11]等人以麻瘋樹離體RBCs為材料，探究其RBCs的生物學特性及Cd對其活性的影響。麻瘋樹RBCs大多數呈橢圓型，少數成彎曲的長條型;根長為15 mm時，RBCs存活率達到最大值;根冠果膠甲基脂酶（PME）酶活性隨根的伸長有所降低;Cd對麻瘋樹RBCs產生明顯毒害，隨著鎘濃度和處理時間的增加，RBCs的活性都呈現下降的趨勢。梁劍[12]以油橄欖根系為材料，探討Cd 脅迫下對油橄欖RBCs的影響，發現鎘對油橄欖RBCs產生明顯毒害，當鎘濃度逐漸增加時，PME酶活性和RBCs存活率呈下降趨勢。王亞男[13]等人以綠豆為材料，采用瓊脂懸空培養法和培養皿濾紙培養法，以不同濃度的Cd2+處理洗脫RBCs和未洗脫RBCs的綠豆根尖，研究了離體狀態和活體狀態綠豆RBCs對鎘毒的響應。在Cd2+的誘導下，離體狀態的綠豆RBCs凋亡和分泌黏液，同時隨著Cd2+濃度的升高，其存活率逐漸遞減;Cd2+具有誘導根尖產生RBCs的作用，根尖釋放的RBCs數量隨著Cd2+濃度的增加先增多后減少;其中50 μmol L-1 Cd2+處理在洗脫組和未洗脫組均呈現最大誘導效應;Cd2+對RBCs的活性具有影響，隨著Cd2+濃度的增加，RBCs的存活率在未洗脫組逐漸降低，而洗脫組則先升高后降低。受到Cd2+脅迫時，綠豆根尖可釋放更多RBCs，并通過離體RBCs形成黏液層、凋亡等來抵御Cd2+對根尖的毒害作用。

4研究展望

將RBCs指示重金屬毒性的毒性測試受體并建立相關的標準化的實驗流程是需要更多大量相關數據作為支撐的。現有對重金屬中的“五毒”（Pb、Hg、Cr、Cd、As）對RBCs的單一及聯合毒性效應均不完善。另外，是否能將同一種植物從細胞（RBCs活性抑制）、種子（發芽率抑制）、器官（根伸長抑制）到植株（生長抑制，生理生化效應等），甚至到生態效應將對全面、系統地揭示

植物-土壤界面根系對重金屬的吸收及排斥機理和重金屬元素對植物生長全過程的毒性效應將具有很強的科學意義。筆者也如同其他研究者一樣著重進行著關于重金屬“五毒”元素對綠豆從RBCs到植株全過程毒性效應的研究。

參考文獻：

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