小麥根皮層通氣組織建成過(guò)程中細(xì)胞壁降解和相關(guān)酶類(lèi)定位研究.pdf

1、通氣組織是植物為適應(yīng)外界不利環(huán)境而形成的重要結(jié)構(gòu)，其形成源于細(xì)胞壁的降解和皮層細(xì)胞的選擇性自溶。目前，關(guān)于淹水誘導(dǎo)小麥幼根通氣組織形成過(guò)程中細(xì)胞壁降解的相關(guān)報(bào)道較少。本研究旨在顯微水平上系統(tǒng)觀察通氣組織形成特征和Ca2+的動(dòng)態(tài)變化，超微結(jié)構(gòu)水平上連續(xù)觀察皮層細(xì)胞壁降解過(guò)程，同時(shí)通過(guò)超微細(xì)胞化學(xué)定位研究纖維素酶和果膠酶活性變化以及細(xì)胞壁上多糖分布的變化，并且檢測(cè)細(xì)胞壁修飾相關(guān)基因，如內(nèi)切木葡聚糖轉(zhuǎn)移酶基因(XET)、內(nèi)切葡聚糖酶基因（CE

2、L）的差異性表達(dá)，分析它們?cè)诩?xì)胞壁降解和通氣組織形成過(guò)程中的作用。主要結(jié)果如下:
　　1.通氣組織形成過(guò)程觀察表明:淹水誘導(dǎo)小麥幼根通氣組織形成，且通氣組織形成過(guò)程中伴隨有皮層中部細(xì)胞徑向伸長(zhǎng)。徑向伸長(zhǎng)的細(xì)胞主要是位于皮層3rd、4th和5th層細(xì)胞，其中淹水誘導(dǎo)12h時(shí)，4th層細(xì)胞伸長(zhǎng)幅度最大。超微結(jié)構(gòu)觀察還發(fā)現(xiàn)淹水12h，皮層中部發(fā)生徑向伸長(zhǎng)的細(xì)胞會(huì)發(fā)生質(zhì)壁分離，有雙層膜包裹的降解小體出現(xiàn)，液泡降解，出現(xiàn)明顯的DNALadd

3、ering，染色質(zhì)皺縮和核邊緣化等癥狀。上述特征說(shuō)明皮層中部細(xì)胞在發(fā)生徑向伸長(zhǎng)的同時(shí)可能伴隨細(xì)胞程序性死亡(PCD)發(fā)生。
　　2.細(xì)胞壁變化結(jié)果表明:淹水誘導(dǎo)6～12h，皮層細(xì)胞間隙擴(kuò)大，相鄰皮層細(xì)胞發(fā)生裂生分離，但細(xì)胞壁厚度未變化。此過(guò)程中，皮層細(xì)胞壁已經(jīng)發(fā)生變形，細(xì)胞壁局部透明且開(kāi)始出現(xiàn)斷裂位點(diǎn)。淹水誘導(dǎo)24h，選擇性降解的細(xì)胞壁整個(gè)節(jié)段透明化，此時(shí)細(xì)胞壁已經(jīng)明顯變薄。淹水誘導(dǎo)48h，皮層中部細(xì)胞壁降解，使得兩個(gè)相鄰細(xì)胞發(fā)生

4、融合，而不發(fā)生降解的徑向細(xì)胞壁疊合，形成通氣組織支架，通氣組織基本形成。
　　3.超微細(xì)胞化學(xué)定位結(jié)果顯示:淹水誘導(dǎo)6h，細(xì)胞壁降解相關(guān)酶，如纖維素酶和果膠酶等在皮層細(xì)胞壁上迅速累積，且有較高的酶活性。淹水誘導(dǎo)12h，皮層細(xì)胞壁酶活達(dá)到最強(qiáng)，酶活性在壁上分布不均勻，導(dǎo)致細(xì)胞壁上形成不均勻的降解位點(diǎn)，這可能是導(dǎo)致細(xì)胞壁選擇性降解的原因之一。淹水誘導(dǎo)24h，細(xì)胞壁上纖維素酶和果膠酶含量又明顯減少，在細(xì)胞內(nèi)檢測(cè)到酶沉淀顆粒。淹水誘導(dǎo)48

5、h，細(xì)胞壁上檢測(cè)不到纖維素酶和果膠酶活性，但在細(xì)胞內(nèi)降解殘留物上有明顯酶沉淀顆粒存在。對(duì)細(xì)胞壁多糖組分的超微定位結(jié)果顯示，淹水誘導(dǎo)6h，細(xì)胞壁上檢測(cè)到許多多糖結(jié)合物且分布相對(duì)均勻。隨著淹水時(shí)間延長(zhǎng)，到淹水誘導(dǎo)12h，多糖量仍很多且分布不均勻，但細(xì)胞壁整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯的變化;進(jìn)一步到淹水24～48h，細(xì)胞壁上多糖量明顯降低，使得細(xì)胞壁明顯變薄，細(xì)胞壁降解。
　　4.基因表達(dá)分析表明:淹水誘導(dǎo)下，細(xì)胞壁修飾相關(guān)基因XET、CEL表達(dá)

6、水平整體呈現(xiàn)上調(diào)表達(dá)，其中12h表達(dá)量達(dá)到最高，48h表達(dá)量又趨于正常。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，淹水處理時(shí)細(xì)胞壁修飾相關(guān)基因(XET和CEL)的表達(dá)和細(xì)胞壁修飾相關(guān)酶的變化具有一定的同步性，說(shuō)明XET和CEL可能參與細(xì)胞壁降解和小麥根細(xì)胞通氣組織的形成。
　　5.Ca2+熒光定位結(jié)果顯示:正常根皮層細(xì)胞壁上Ca2+濃度較低。淹水處理4h，Ca2+在中柱、內(nèi)皮層和表皮上迅速積累;隨著淹水時(shí)間延長(zhǎng)(8～12h)進(jìn)一步在外皮層上積累，再逐步擴(kuò)散到幾乎

7、整個(gè)皮層中部細(xì)胞區(qū)域。到淹水后期(24h)，細(xì)胞開(kāi)始降解，通氣組織開(kāi)始形成，Ca2+熒光累積逐漸減少，僅在氣腔周?chē)囊恍┘?xì)胞和作為通氣組織支架的細(xì)胞壁中檢測(cè)到。
　　結(jié)果表明，淹水脅迫下小麥根通氣組織形成伴隨有皮層細(xì)胞徑向伸長(zhǎng)特征。細(xì)胞壁降解的相關(guān)事件，如纖維素酶和果膠酶活化，細(xì)胞壁修飾相關(guān)基因(XET、CEL)表達(dá)在淹水處理早期(6h)就已經(jīng)發(fā)生，但細(xì)胞壁降解在淹水處理后期(24h)才開(kāi)始;纖維素酶和果膠酶在降解細(xì)胞壁上的不均勻