小麦根皮层通气组织建成过程中细胞壁降解和相关酶类定位研究

【摘要】通气组织是植物为适应外界不利环境而形成的重要结构,其形成源于细胞壁的降解和皮层细胞的选择性自溶。目前,关于淹水诱导小麦幼根通气组织形成过程中细胞壁降解的相关报道较少。本研究旨在显微水平上系统观察通气组织形成特征和Ca2+的动态变化,超微结构水平上连续观察皮层细胞壁降解过程,同时通过超微细胞化学定位研究纤维素酶和果胶酶活性变化以及细胞壁上多糖分布的变化,并且检测细胞壁修饰相关基因,如内切木葡聚糖转移酶基因(XET)、内切葡聚糖酶基因(CEL)的差异性表达,分析它们在细胞壁降解和通气组织形成过程中的作用。主要结果如下：1.通气组织形成过程观察表明：淹水诱导小麦幼根通气组织形成,且通气组织形成过程中伴随有皮层中部细胞径向伸长。径向伸长的细胞主要是位于皮层3rd、4th和5th层细胞,其中淹水诱导12h时,4th层细胞伸长幅度最大。超微结构观察还发现淹水12h,皮层中部发生径向伸长的细胞会发生质壁分离,有双层膜包裹的降解小体出现,液泡降解,出现明显的DNALaddering,染色质皱缩和核边缘化等症状。上述特征说明皮层中部细胞在发生径向伸长的同时可能伴随细胞程序性死亡(PCD)发生。2.细胞壁变化结果表明：淹水诱导6-12h,皮层细胞间隙扩大,相邻皮层细胞发生裂生分离,但细胞壁厚度未变化。此过程中,皮层细胞壁已经发生变形,细胞壁局部透明且开始出现断裂位点。淹水诱导24h,选择性降解的细胞壁整个节段透明化,此时细胞壁已经明显变薄。淹水诱导48h,皮层中部细胞壁降解,使得两个相邻细胞发生融合,而不发生降解的径向细胞壁叠合,形成通气组织支架,通气组织基本形成。3.超微细胞化学定位结果显示：淹水诱导6h,细胞壁降解相关酶,如纤维素酶和果胶酶等在皮层细胞壁上迅速累积,且有较高的酶活性。淹水诱导12h,皮层细胞壁酶活达到最强,酶活性在壁上分布不均匀,导致细胞壁上形成不均匀的降解位点,这可能是导致细胞壁选择性降解的原因之一。淹水诱导24h,细胞壁上纤维素酶和果胶酶含量又明显减少,在细胞内检测到酶沉淀颗粒。淹水诱导48h,细胞壁上检测不到纤维素酶和果胶酶活性,但在细胞内降解残留物上有明显酶沉淀颗粒存在。对细胞壁多糖组分的超微定位结果显示,淹水诱导6h,细胞壁上检测到许多多糖结合物且分布相对均匀。随着淹水时间延长,到淹水诱导12h,多糖量仍很多且分布不均匀,但细胞壁整体结构未发生明显的变化；进一步到淹水24～48h,细胞壁上多糖量明显降低,使得细胞壁明显变薄,细胞壁降解。4.基因表达分析表明：淹水诱导下,细胞壁修饰相关基因XET、CEL表达水平整体呈现上调表达,其中12h表达量达到最高,48h表达量又趋于正常。同时发现,淹水处理时细胞壁修饰相关基因(XET和CEL)的表达和细胞壁修饰相关酶的变化具有一定的同步性,说明XET和CEL可能参与细胞壁降解和小麦根细胞通气组织的形成。5.Ca2+荧光定位结果显示：正常根皮层细胞壁上Ca2+浓度较低。淹水处理4h,Ca2+在中柱、内皮层和表皮上迅速积累；随着淹水时间延长(8-12h)进一步在外皮层上积累,再逐步扩散到几乎整个皮层中部细胞区域。到淹水后期(24h),细胞开始降解,通气组织开始形成,Ca2+荧光累积逐渐减少,仅在气腔周围的一些细胞和作为通气组织支架的细胞壁中检测到。结果表明,淹水胁迫下小麦根通气组织形成伴随有皮层细胞径向伸长特征。细胞壁降解的相关事件,如纤维素酶和果胶酶活化,细胞壁修饰相关基因(XET、CEL)表达在淹水处理早期(6h)就已经发生,但细胞壁降解在淹水处理后期(24h)才开始；纤维素酶和果胶酶在降解细胞壁上的不均匀分布,导致细胞壁多糖组分的不均匀分布,进而可能导致细胞壁的选择性降解,形成通气组织。
【作者】杨莉；
【导师】周竹青；
【作者基本信息】华中农业大学，细胞生物学，2014，硕士
【关键词】小麦(TriticumaestivumL.)；淹水胁迫；通气组织；纤维素酶和果胶酶；多糖；

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