陶 茸, 尹國麗, 師尚禮
(甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅 蘭州 730070)
根緣細胞(root border cells)又稱根冠脫落細胞(sloughed root cap cells),指從根冠表面脫落下來并聚集在根部周圍的一群特化細胞[1]。它能夠合成并向外分泌一系列具有生物活性的化學物質,主要功能在于通過對土壤微生物的特異識別及在根系周圍建立一個穩(wěn)定平衡的根際生態(tài)系統(tǒng),誘導和控制根際微生物的生長,中和有毒物質,從而調節(jié)根部環(huán)境[2]。根緣細胞具有特殊的生理活性和生物學意義[3],在調節(jié)根尖微生態(tài)系統(tǒng)-逆境脅迫中起著十分重要的作用[4-5]。根冠果膠甲基酯酶(pectin methyl esterase,PME)在根緣細胞的產生和發(fā)育中有重要的作用[6],它可以使果膠去甲基化,果膠酸分解;可誘導其它果膠酶基因表達,果膠層降解,最終導致根緣細胞從根冠分離,即根緣細胞游離是根冠PME活性表達的結果,而根緣細胞的游離與根冠PME活性有密切相關性[7]。
紫花苜蓿(MedicagosativaL.)作為多年生豆科牧草,具有一次種植、多年收獲、產草量高、營養(yǎng)豐富、適口性好等突出特點,是優(yōu)質蛋白質飼料的重要來源,有“牧草之王”之稱[8],紫花苜蓿植株的次生代謝成分主要有黃酮、三萜、生物堿和香豆素,大分子化合物主要為苜蓿蛋白和多糖[9]。有研究表明,種植過紫花苜蓿的土壤,由于自毒作用,連茬種植苜蓿時往往種子發(fā)育不良,很難建植成功[10]。造成紫花苜蓿自毒作用的主要次生代謝物質是香豆素、綠原酸、香豆酸、羥基苯甲酸、咖啡酸、阿魏酸等酚酸類物質,其對多數植物種子的萌發(fā)和生長具有抑制作用[11],且在苜蓿植株體內的積累量隨著生育時期的延續(xù)不斷增加[12]。目前,盧成、李志華、榮思川等利用液相色譜法測定了紫花苜蓿植株中自毒物質的含量,發(fā)現含量較高的是香豆素和咖啡酸[13-15]。王希、袁莉、柳樹權[16-19]等研究了紫花苜蓿不同種植年限、不同品種、不同部位組織的植物浸提液對紫花苜蓿種子萌發(fā)、幼苗生長、產草量等方面的自毒作用,發(fā)現紫花苜蓿生長過程中產生的皂甙和刀豆氨酸,影響后續(xù)苜蓿的生長發(fā)育,造成草產量遞減;同一苜蓿品種根、莖、葉浸提液的自毒效應,葉浸提液最強,其次為莖浸提液,根浸提液自毒效應最弱,不同苜蓿品種的自毒作用存在差異。蔡登高[20]指出香豆素會影響苜蓿幼苗氮代謝和氨同化的關鍵酶,導致體內養(yǎng)分缺失。也有學者研究了咖啡酸、香豆素、對羥基苯甲酸等外源酚酸對萵苣(LactucasativaL.)幼苗、人參(PanaxginsengC.A.Meyer)種子萌發(fā)、三七(PanaxnotoginsengF.H.Chen)、小麥(TriticumaestivumL.)和大豆(Glycinemax)的化感效應,揭示了咖啡酸、香豆素、對羥基苯甲酸等外源酚酸類物質對這些植物生長發(fā)育的影響[21-26]。然而紫花苜蓿主要自毒物質香豆素和咖啡酸對其根緣細胞的化感作用少見報道,本研究采用培養(yǎng)皿培養(yǎng)法研究紫花苜蓿根緣細胞和根冠果膠甲基酯酶(PME)對苜蓿主要自毒物質香豆素、咖啡酸和混合物及其濃度的響應,以期為深入探討香豆素和咖啡酸對紫花苜蓿生長和發(fā)育影響的機理提供依據,同時也為有效緩解和解決苜蓿自毒障礙提供參考。
苜蓿品種:‘甘農9號’紫花苜蓿(MedicagosativaL. ‘Gannong No.9’),由甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室提供,發(fā)芽率為95%;
藥劑:香豆素(C);咖啡酸(CF)均為分析純品,購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司?;旌衔?M)由香豆素、咖啡酸按 1:1比例配制。
對照:以蒸餾水處理為對照(CK)
1.2.1外源添加物的配制 稱取香豆素、咖啡酸各1 g及混合物(香豆素1 g+咖啡酸1 g)分別溶于4 mL無水乙醇中,定容至1 L,配制成1 000 mg·L-1母液,放入4℃冰箱備用(分別以C,CF和M表示)。處理時將母液濃度稀釋至500 mg·L-1,50 mg·L-1,5 mg·L-1,0.5 mg·L-1詳見表1。
表1 香豆素和咖啡酸處理配比Table 1 The treatment of coumarin and caffeic acid
1.2.2苜蓿種子萌發(fā)及根緣細胞培養(yǎng) 挑選顆粒飽滿、無病斑、霉點和蟲害的苜蓿種子,經75%酒精消毒3 min,用蒸餾水沖洗種子3~5次,將消毒種子播種于墊有2層濾紙和含多層無菌濕紗布的9 cm直徑培養(yǎng)皿中,于恒溫培養(yǎng)箱中黑暗培養(yǎng)至種子萌動露白。萌動種子播種于底部鋪有兩層無菌濕紗布及一層濾紙的9 cm直徑培養(yǎng)皿,每皿播30粒,種子上面再蓋一層濾紙,然后滴加相應濃度處理液,溶液量以上層濾紙濕潤,傾斜時皿底無溶液聚集為宜,蒸餾水處理為對照(CK),每個處理3次重復,種子置于光周期25℃,12 h,暗周期20℃,12 h的人工氣候箱中培養(yǎng)[27]。
1.3.1根伸長量的測定 隨機選取剛萌動的種子5粒/皿,測其根長,即初始根長,再隨機選取經不同濃度酚酸水溶液處理并連續(xù)培養(yǎng)12 h的植株5株/皿,測其根長,該根長與初始根長兩者之差即為根的伸長量[28]。根相對伸長率=處理組根伸長量/對照組根相對伸長量×100%。
1.3.2根緣細胞的形狀觀察和數目統(tǒng)計 從蒸餾水培養(yǎng)的苜蓿中,分別剪取根尖長 2.5,5,10,15,20 mm各3條,將剪下的根尖置于滴有蒸餾水的載玻片上,輕輕晃動載玻片,持續(xù) 40~50 s,以便充分洗脫邊緣細胞。鏡檢:觀察邊緣細胞的形狀并分別統(tǒng)計邊緣細胞的數目,每個根尖檢查5個視野。
1.3.3根緣細胞存活率測定 選取根長長度10 mm(根緣細胞數目最多)的植株10個,每個剪取2~3 mm根尖,分別置于潔凈的載玻片上,滴加20 μL中性紅溶液,靜置2 min讓細胞充分染色,然后擦去周圍染液、加入1滴蒸餾水,輕輕晃動,持續(xù)40~50 s,以便根緣細胞充分洗脫下來,鏡檢(每個根尖檢查5個視野)。原生質體被染為紅色的為活細胞,不著色的為死細胞,對兩種細胞分別進行計數。根緣細胞存活率(survive ratio,SR) =活細胞數/(活細胞數+死細胞數)×100%[28]。
1.3.4紫花苜蓿根冠PME酶(果膠甲基酯酶)活性測定 各處理分別取30株根的2~3 mm根尖,置于含有200 μL PME提取液(檸檬酸0.1 moL·L-1,Na2HPO40.2 moL·L-1,NaCL 1 moL·L-1,pH5.8)的研缽中,冰浴條件下充分研磨,將研磨液裝入離心管充分震蕩后,在冰浴中放置1 h,每隔20 min振蕩1次。于4℃,15 000 r·min-1,離心10 min,收集上清液,即為PME酶提取液,-20℃下保存待用。
PME活性檢測方法參照Richard等[29]的方法。取10 μL PME酶提取液加入到4 mL底物溶液[果膠0.5%(W/V),NaCl 0.2 moL·L-1,甲基紅0.15%(W/V),pH 6.8]中,充分混勻,37℃溫水浴2 h,用紫外分光光度計于525 nm處測吸光度值(A),根據標準曲線即可測出不同酚酸處理條件下紫花苜蓿根冠PME酶的活性,重復3次,在PME酶的作用下,果膠去甲基化后,釋放出H+使溶液pH值下降,甲基紅由黃色變成紅色。這種顏色變化可以通過分光光度計檢測出來。
標準曲線的制作:分別取12,14,16,18,20,22 μL的0.01 moL·L-1鹽酸加入4 mL底物溶液,525 nm下測A值,重復2次。以鹽酸濃度為橫坐標,吸光度值為縱坐標,測繪出關于H+值和A值的標準曲線,獲得回歸方程,然后利用回歸方程計算不同PME樣品的酶活性。PME酶活性用Root H+μmoL/(cap·h)表示。
1.3.5化感作用敏感指數 化感作用敏感指數(allelopathic response index,RI)采用Williamson[30]公式:
RI=(T-C)/T(T≥C)或RI=(T-C)/C(T 式中,RI為化感效應指數,T為處理值,C為對照值。RI絕對值的大小表示化感作用強度,當RI≥0時,為促進作用;當RI≤0時,為抑制作用。 采用化感綜合效應(synthetical allelopathic effects,SE)表示化感或自毒作用的綜合效應,SE是供體對同一受體多個測試項目的化感效應敏感指數RI的算術平均值[31]。 采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行數據統(tǒng)計分析,采用Duncan法進行顯著性比較。使用Excel 2010應用軟件處理測定數據,并制作圖表。 不同種類不同濃度的外源添加物對苜蓿根長的影響表現出低濃度促進、高濃度抑制的效應,且差異顯著(P<0.05)(圖1)。0.5 mg·L-1濃度下,三種處理外源添加物對苜蓿根長伸長量均呈現出促進效應,且與對照差異顯著,其中M處理的促進效應最強,CF處理次之,C處理最弱,但三者之間差異不顯著;50~500 mg·L-1濃度下,三種處理的外源添加物對苜蓿根長伸長均呈現出顯著抑制效應,其中C處理的抑制效應最強,M處理次之,CF處理最弱。同種外源添加物不同濃度處理下,0.5 mg·L-1香豆素、咖啡酸及其混合物處理時苜蓿根長伸長量均最大,較對照分別提高了30.23%,45.45%和52.95%,差異顯著(P<0.05);5 mg·L-1咖啡酸和混合物處理顯著高于對照,較對照分別提高了45.45%和30.23%(P<0.05)。高于50 mg·L-1濃度處理下,隨著添加物濃度的增加苜蓿根尖的伸長量顯著降低,500 mg·L-1時,苜蓿根長伸長量均最短,香豆素、咖啡酸及其混合物處理分別較對照降低了59.09%,44.32%和57.5%,顯著低于對照(P<0.05)。不同外源添加物處理下,咖啡酸和混合物在低于5 mg·L-1時,隨著外源添加物濃度的降低對苜蓿根長生長的促進效應增強,而高于50 mg·L-1時,隨著添加物濃度的升高對苜蓿根生長的抑制效應增強;香豆素只有在0.5 mg·L-1濃度處理下對苜蓿根長呈現顯著的促進作用,其余處理均呈現顯著的抑制作用。即咖啡酸和混合酚酸均以5 mg·L-1為正效應和負效應的拐點,香豆素以0.5 mg·L-1為正效應和負效應的拐點,隨著外源自毒物質濃度的升高對苜蓿根伸長的促進效應逐漸減弱,抑制效應逐漸增強。綜上,三種處理的外源自毒物質對苜蓿根長伸長的抑制效應最強的是香豆素,其次是混合物,咖啡酸最弱。 圖1 香豆素和咖啡酸對苜蓿根長的影響Fig.1 The effect of coumarin and caffeic acid on the root length of alfalfa注:圖s,同種酚酸不同濃度對苜蓿根長的影響;圖b,不同酚酸同種濃度對苜蓿根長的影響Note:Fig.a:The effect of different concentrations on the root length of alfalfa under the same phenolic acid;Fig.b:The effect of different phenolic acids on the root length of alfalfa under the same concentration treatment 有關植物根緣細胞產生的時間有兩種模式,一種是根緣細胞幾乎與根尖同時出現,另一種是當初生根生長到一定長度時才有根緣細胞產生[32-33]。經鏡下觀察苜蓿根緣細胞的產生模式,苜蓿根緣細胞與根尖出現的時間屬于第二種類型,當根尖生長至2.5 mm時,僅有5~6個根緣細胞出現,根尖伸長至10 mm時,根緣細胞的數量達最大值,約137個。根緣細胞在開始形成時呈圓球形和長橢圓形,之后部分細胞逐漸發(fā)育成棍棒狀和蠕蟲形。經香豆素、咖啡酸及混合物處理的苜蓿根緣細胞存活率與對照相比出現了不同程度的下降,且隨著處理液濃度的增加,根緣細胞的存活率顯著降低(圖3),表明較高濃度香豆素、咖啡酸及其混合物對苜蓿根緣細胞的活性具有明顯的化感抑制效應,同時這種抑制效應因外源添加物種類不同而呈現一定的差異,5 mg·L-1及以上濃度,香豆素處理對苜蓿根緣細胞活性呈現出顯著的抑制效應;50 mg·L-1及以上濃度,咖啡酸和混合物處理呈現顯著抑制效應(P<0.05),其余處理均與對照差異不顯著。可見,較高濃度下三種處理的外源自毒物質對苜蓿根緣細胞活性的抑制效應最強的是C處理,M處理次之,最弱的是CF處理,即較高濃度香豆素處理對苜蓿根緣細胞活性的抑制作用最顯著,當其濃度增至500 mg·L-1時,苜蓿根緣細胞的存活率僅為14.22%,顯著低于對照、咖啡酸及混合物處理(P<0.05)。 圖2 苜蓿根緣細胞Fig.2 Root border cells of alfalfaa. 根緣細胞形狀;b.對照組根緣細胞;c. 處理組根緣細胞(活細胞原生質體顯紅色,死亡細胞無色或色澤較淡)a. Shape of root border cells;b. Root border cells of control group;c. Root border cells of the treatmen group(Red protoplast exhibits viable border cells,colourless or lighter in color protoplast exhibits dead ones) 圖3 香豆素和咖啡酸對苜蓿根緣細胞存活率的影響Fig.3 The effect of coumarin and caffeic acid on the viability of root border cells in alfalfa注:圖A.同種酚酸不同濃度對苜蓿根緣細胞存活率的影響;圖B.不同酚酸同種濃度對苜蓿根緣細胞存活率的影響Note:Fig.A,The effect of different concentrations on the viability of root border cells in alfalfa under the same phenolic acid;Fig.B,The effect of different phenolic acids on the viability of root border cells in alfalfa under the same concentration treatment 與對照相比,C處理和M處理的紫花苜蓿PME活性在5 mg·L-1的濃度處理下顯著增強(P<0.05),隨著處理濃度的升高,促進效應逐漸降低,當處理濃度增至500 mg·L-1時,香豆素、咖啡酸和混合物處理的苜蓿PME活性均最低,分別較對照降低了75.68%,22.92%與36.49%,差異顯著(P<0.05)(圖4)。0.5 mg·L-1處理時,香豆素、咖啡酸和混合物處理的苜蓿根冠PME活性較其對照分別提高了20.27%,9.46%與18.92%,但差異不顯著??梢?,50 mg·L-1及以下濃度下,香豆素、咖啡酸及其混合物處理對苜蓿根尖PME活性具有不同程度的促進作用,表明苜蓿在受到外源添加物質刺激時,可能通過PME活性的升高產生大量的邊緣細胞來抵御其自毒作用,進而達到保護根尖的目的,但當外源刺激高于其耐受范圍時,PME活性明顯降低,同時這種抑制效應因外源添加物種類不同而呈現一定的差異,如500 mg·L-1濃度處理下,香豆素、咖啡酸和混合物對苜蓿根尖PME活性抑制效應最強的是香豆素,混合物次之,咖啡酸最弱。 香豆素、咖啡酸和混合物對苜蓿根尖的化感潛勢差異明顯(表2),綜合比較它們對根長、PME活性和根緣細胞存活率的化感綜合效應發(fā)現,0.5 mg·L-1及以下濃度處理時,C、CF和M處理的外源自毒物質對紫花苜蓿根生長和根緣細胞影響的化感綜合效應值依次為0.39,0.46和0.59,表明三種外源添加物對紫花苜蓿根尖促進作用最強的是M處理,CF處理次之,C處理最弱。50 mg·L-1及以上濃度下,三種外源自毒物質對紫花苜蓿根尖抑制作用最強的是C處理,M處理次之,CF處理最弱。同時三種處理的外源自毒物質對紫花苜蓿根尖的促進和抑制效應因添加物種類和濃度的不同呈現一定的差異,C處理濃度為5~50 mg·L-1時,苜蓿根長伸長量的化感作用敏感指數均顯著低于CF和M處理,當其濃度增至500 mg·L-1時,苜蓿根緣細胞活性和根尖PME活性均顯著低于CF和M處理(P<0.05)。CF和M處理在同種濃度處理下,差異均不顯著(P>0.05)。綜合三種處理的外源自毒物質對紫花苜蓿根尖化感作用敏感指數可知,香豆素以0.5 mg·L-1為正效應和負效應的拐點,咖啡酸和混合酚酸均以5 mg·L-1為正效應和負效應的拐點,隨著外源自毒物質濃度的升高其化感綜合促進效應逐漸減弱,抑制效應逐漸增強,且香豆素處理對紫花苜蓿根尖和根緣細胞發(fā)育抑制效最強,混合物次之,咖啡酸最弱。 圖4 香豆素和咖啡酸對苜蓿根冠PME活性的影響Fig.4 The effect of coumarin and caffeic acid on the activity of PME in root cap of alfalfa注:圖A,同種酚酸不同濃度對苜蓿根緣細胞存活率的影響;圖B,不同酚酸同種濃度對苜蓿根緣細胞存活率的影響Note:Fig.A,The effect of different concentrations on the activity of PME in root cap of alfalfa under the same phenolic acid;Fig.B,The effect of different phenolic acids on the activity of PME in root cap of alfalfa under the same concentration treatment 表2 香豆素和咖啡酸對苜蓿根生長和根緣細胞的化感綜合效應Table 2 The synthesis effect of coumarin and caffeic acid on the root growth and root border cells of alfalfa 濃度Concentration/mg·L-1添加物種類Additive type化感作用敏感指數The allelopathic response indexRIRLRISRRIPA化感綜合效應Synthesis effect0.5C0.39±0.07aA-0.01±0bA0.01±0aA0.39CF0.46±0.02aA0.04±0aA-0.04±0aA0.46M0.49±0.01aA0.03±0abA0.07±0.01aA0.595C-0.24±0.03bB-0.08±0.01bAB0.02±0.11aA-0.30CF0.46±0.06aA0.00±0aA0.01±0.00aA0.48M0.40±0.05aA0.03± 0.01aA-0.01±0.00aA0.4250C-0.39±0.07bB-0.22±0.02aB-0.15±0.00aA-0.76CF0.08±0.01aB-0.09±0.01aB-0.14±0.01aAB-0.15M-0.16±0.04abB-0.17±0.07aB0.04±0.01aA-0.29500C-0.47±0.10aB-0.85±0.08bC-0.90±0.03bB-2.21CF-0.26±0.08aC-0.22±0.02aC-0.23±0.01aB-0.72M-0.45±0.13aB-0.31±0.03aC-0.36±0.02aB-1.12 注:RIRL:根長化感敏感指;RISR:根緣細胞存活率的化感敏感指數;RIPA:根冠PME活性的化感敏感指數。不同大寫字母表示同種類不同濃度處理下的差異顯著性,小寫字母表示同種濃度不同酚酸種類下的差異顯著性,P<0.05 Note:RIRL:The index of allelopathy effect of the root length;RISR:The index of allelopathy effect of the viability of root border cells;RIPA:The index of allelopathy effect of root cap PME activity.Different capital letters indicate the significant difference in the same phenolic acids of different concentrations;Different lowercase letters indicate significant difference in the same concentration of different phenolic acids at the 0.05 level 根緣細胞起源于根冠分生組織的有絲分裂,經過一系列的不同發(fā)育時期,最后在根冠外圍形成細胞層,其產生和發(fā)育受到內源和外界環(huán)境因素的嚴格調控[34]。本研究結果表明,香豆素、咖啡酸及其混合物對紫花苜蓿根尖和根邊緣細胞的發(fā)育具有明顯的低濃度促進和高濃度抑制效應。50 mg·L-1及以上濃度處理時,香豆素處理對紫花苜蓿根長伸長和根緣細胞活性的抑制效應最強,混合物處理次之,咖啡酸處理最弱;0.5 mg·L-1及以下濃度處理時,混合物處理對紫花苜蓿根長伸長和根緣細胞活性的促進效應最強,咖啡酸處理次之,香豆素處理最弱。這一結果說明,香豆素和咖啡酸的混合物在一定程度上增強了單體香豆素、咖啡酸在低濃度處理中對紫花苜蓿根尖和根邊緣細胞活性的促進效應,同時降低了單體香豆素、咖啡酸在高濃度處理中對紫花苜蓿根尖和根邊緣細胞活性的抑制效應。50 mg·L-1及以下濃度的香豆素、咖啡酸及其混合物處理對苜蓿根尖PME活性具有不同程度的促進作用,但隨著濃度的增加,PME活性明顯降低,說明香豆素和咖啡酸在中低濃度時可能誘導了植物根冠PME基因的表達,使PME活性升高,促進了根緣細胞的形成,通過根緣細胞釋放某些生物活性物質,中和化感物質,提高紫花苜蓿對自身自毒物質的抵御能力,保護了根尖分生區(qū)細胞免遭傷害。但是當處理濃度超過了紫花苜蓿根尖組織的耐受極限(50 mg·L-1)時,整個機體代謝紊亂,導致PME活性迅速下降,根緣細胞的產生受到抑制,降低了對根尖分生區(qū)細胞的保護作用,這與王桂芹[34]的研究結果一致,推測PME的活性與植物抵御化感物質之間存在著一定的相關性。當香豆素和混合物的處理濃度為5 mg·L-1時,紫花苜蓿根尖PME活性較對照分別提高了42.74%和48.39%,差異顯著(P<0.05),游離出的根緣細胞數量也顯著高于對照,但其根緣細胞活性與對照相比無顯著差異性,這可能是由于香豆素和咖啡酸在一定程度上使紫花苜蓿根緣細胞失活所致。同時香豆素、咖啡酸及其混合物能夠促進或抑制苜蓿根的伸長生長,可能是通過干擾苜蓿根尖細胞有絲分裂實現的,植物化感作用的一個重要機制是化感物質通過影響受體植物細胞有絲分裂來促進或抑制其生長發(fā)育的[35]。 本試驗研究結果表明:香豆素、咖啡酸和混合物對紫花苜蓿根尖和根緣細胞發(fā)育有明顯的低濃度促進高濃度抑制作用,且隨著處理濃度增加抑制效應顯著增強,0.5 mg·L-1及以下濃度的促進作用最強的是混合物,咖啡酸次之,香豆素最弱,50 mg·L-1及以上濃度抑制作用最強的是香豆素,混合物次之,咖啡酸最弱。香豆素和咖啡酸的混合物在一定程度上增強了單體香豆素、咖啡酸在低濃度處理中對紫花苜蓿根長伸長、根緣細胞活性的促進效應,同時降低了單體香豆素、咖啡酸在高濃度處理中對紫花苜蓿根長伸長、根緣細胞活性的抑制效應。香豆素和咖啡酸在一定程度上使紫花苜蓿根緣細胞失活是導致紫花苜蓿根緣細胞活性降低的因素之一,該現象產生的可能原因及其對紫花苜?;凶饔脵C理還有待進一步研究。1.4 數據分析
2 結果與分析
2.1 外源香豆素和咖啡酸對苜蓿根長的影響
2.2 苜蓿根緣細胞的形狀、數目及外源香豆素和咖啡酸對苜蓿根緣細胞活性的影響
2.3 外源香豆素和咖啡酸對苜蓿根冠PME活性的影響
2.4 外源香豆素和咖啡酸對苜蓿根尖的化感綜合效應
3 討論
4 結論