1、第七章 铝毒害及植物的耐铝机制,第一节 铝对植物的毒害作用 第二节 植物的抗铝机制 第三节 缓解铝毒害的措施及研究展望,第七章 铝毒害及植物的耐铝机制,第一节 铝对植物的毒害作用,第一节 铝对植物的毒害作用,一、铝毒害症状 二、铝的吸收、转运和信号传递 三、铝毒害机理的研究进展,第一节 铝对植物的毒害作用,铝是自然界含量最多的金属元素，占地壳总重量的7.45%。同时，铝是高价、半径小的元素，易水解形成难溶解的氢氧化铝，并进行相互转化，在土壤溶液中非常活跃，尤其是在酸性条件下形成大量的Al3+ 、Al(OH)+和Al(OH)2+等，从而对植物产生毒害作用，在土壤PH 5.0或更低时，毒害作用更强
2、。由于连续施用含氨和氨化物的肥料、工业污染和豆科植物的固氮作用等都加剧了铝毒害，导致酸性土壤面积扩大，发生面积占世界耕地的40%70%。在我国酸性土壤分布遍及15个省区，总面积达2030万hm2，约占全国土地总面积的21%，而这些耕地又大部分分布在长江以南水分、阳光充足地区。在,酸性土壤中，铝的交换量占土壤阳离子交换总量的20%80%，导致土壤中阳离子易于淋失，使钾钙、镁、钼、硼等营养元素缺乏，农作物生长障碍直接与铝有关，铝毒害是农业生产中最主要的矿质元素毒害之一，已成为酸性土壤作物产量提高的限制因子。另外酸雨提高了森林中铝的溶解度，铝也被认为是森林大面积退化的主要原因。 一、铝毒害症状早在本
3、世纪初，人们就已认识到铝对植物的毒害作用，但区别于其它毒害的铝毒害特征和铝毒害的最初伤害症状问题一直没有得到解决。目前比较一致的结论是铝对植物主要毒害症状为抑制根伸长生长和引起根尖结构的破坏，这也是常用来测定铝毒害程度的指标。,铝毒害有短期反应（铝处理几分钟，甚至几秒即可发生）和长期反应（铝处理几个小时，几天至更长时间）。短期反应对植物体没有明显的影响，但已表现出根毛伸长受抑制，长期反应则表现出根伸长严重受抑制和根尖结构破坏，根粗短，褐色，根冠脱落，分枝减少，根系大小降低，根毛区萎缩，以至根坏死。地上部分生长降低。新叶变小、卷曲，叶柄萎缩，叶缘褪绿，叶尖死亡，叶片脱落。树木树冠变小，生长速率下
4、降，边材数量减少。与缺磷、缺钙和缺铁症状类似。铝对根尖细胞的毒害作用表现在：根冠细胞淀粉粒数目减少，高尔基体崩解，肿胀脱落，证实铝首先影响这些细胞的功能。受铝毒影响，表皮、皮层和内皮层细胞迅速自溶，然后肿胀解体，初生根和侧根分生组织也解体。扫描电镜观察发现铝诱导,根表面产生各种形态变化，大麦根冠和伸长区表皮细胞膨胀度下降，燕麦和水稻在伸长区产生大量凹陷，碗豆主要在伸长区产生交叉深裂缝。耐铝性不同的植物在铝胁迫后受伤害程度不同。耐铝燕麦细胞损伤只发生在表皮;而敏感玉米植株发生在表皮和外皮层，铝处理后，根原生质体数目下降，原生质膜不正常，皱缩或变厚，对铝高度敏感的大麦植株发生在表皮和几乎所有皮层细
5、胞。然而，也有一些植物积累大量的铝却没有毒害作用，其中茶树与紫阳花是众所周知的。茶树叶中铝含量可高达30000 mg/kg DW，紫阳花叶中可达3000 mg/kg DW，一些生长在热带雨林的树木(如Richoria grandi)也积累大量的铝（超过1000 mg/kg DW）。最近，发现几种适于在低pH生长的,植物(如Melastoma malabathricum, Vaccinium macrocarpon)都在根或叶中积累大量的铝。加强对这些植物忍受大量铝原因的研究，有助于铝毒害机理问题的解决。 另外，也有铝有利植物生长的报道。早有报导，铝能刺激玉米对镁吸收和幼苗生长，有利土豆营养生长
6、，促进其对镁、钾吸收。茶树根培养中，培养基中添加铝和磷刺激主根和侧根的生长，而铝和磷单独添加时无影响，培养基pH下降后，添加铝能刺激根生长，终止铝加入，则生长停止。,二、铝的吸收、转运和信号传递 (一) 铝离子种类铝是高价、半径小的元素，在水中很活跃，以多种离子状态存在，如Al3+、Al(OH)2+ 、Al(OH)2+、Al13 (AlO4Al12(OH)24(H2O)123+)等。铝离子存在状态与溶液PH密切相关。溶液PH 5.0时，铝离子以Al(OH)63+形式存在，习惯上把这种形式称为Al3+。PH增加，脱质子形成Al(OH)2+、Al(OH)2+等。中性PH时，则形成相对难溶的Al(O
7、H)3。PH进一步升高，形成Al(OH)4-。当铝活度较高，溶液局部偏中性，还形成各种多聚体形式，其中最重要的是Al13。由此，提出一个判断标准，Al3+/H+ 108.8时，主要以单体离子状态存在，比值大于108.8时，则Al13或沉淀态铝大量形成。而且，铝,离子还易与大分子化合物如蛋白质、磷脂、DNA等形成复杂化合物。对产生毒害作用的铝离子种类还没有一致的认识。由于PH5.0的酸性条件下，铝毒害明显，因而，Al3+可能是主要的毒害离子种类。许多研究表明单子叶植物对Al3+更敏感，但双子叶植物有所不同，Al(OH)2+或Al(OH)2+对其毒性更大，为主要毒害种类。但有人认为具有高正电荷的氢
8、氧化铝多核复合物Al13比单价低电荷种类毒性更强，而用NMR技术测定表明，其主要存在于酸性森林土壤中。另外一些铝离子已被证明是没有毒害作用的，如铝酸盐、氢氧化铝、铝与硫酸盐、磷、有机酸和氟化物等的结合物。,（二）铝的吸收许多证据表明根尖粘液在铝吸收中起重要作用：1)玉米的吸收起始部位在根尖表皮细胞，这些细胞有显著分泌能力；2)根粘液聚集在质膜外侧，和铝有强亲和力，铝非常专一地结合到粘胶质上，部分通过交换吸附在多聚糖醛负电荷上。有20%35%的非交换性铝结合在粘液上；3)有证据表明铝抑制根尖粘液合成。小麦根对铝的吸收存在双相现象(biophasic uptake)，即起始的短暂快速阶段和随后的慢
9、线性阶段。前30分钟属于迅速吸收时期，紧接是180分钟的线性时期，在吸收末期，铝敏感小麦根中铝浓度比耐性小麦高，但差异较小。快速阶段吸收的是积累在质外体的可交换铝，在柠檬酸溶液中浸泡30,min后，可被洗脱出来。对于慢线性阶段的铝吸收，Petterson等(1989)认为是铝进入共质体，Zhang等(1989)则认为铝在质外体的代谢依赖性结合，并非进入共质体。此外，还发现铝吸收有时间和温度依赖性，以及依赖于细胞生长。 （三）铝的转运铝被吸收后，主要在细胞壁与果胶质结合，而大量积累于质外体，但能否跨质膜进入细胞质是令人感兴趣而又没有得到解决的问题。大量分析技术的发展如XPS (x-ray pho
10、toelectron spectroscopy)、EDXMA (energy-dispersive x-ray analysis) 、PIXE (patticle-induced x-ray emission)、SIMS (secondary ion mass spectrometry)、LAMMA (lase microprobe mass analysis)、,GFAAS(graphite-flurnace atomic absorption spectr- oscopy)、27AlNMR、Colorimetric and Fluorimetric Techniques等，为铝在植物器官或
11、细胞的定量和定位提供了有用手段。利用这些技术，获得了较多铝能进入细胞质内的证据，并提出了几种铝通过质膜进入胞内的假说，如结合在质膜上的Al3+或不带电荷的铝复合物内吞作用、离子通道和载体。由于Al3+半径与Mg2+、Fe2+非常接近，因此，Al3+可通过吸收的Mg2+阳离子通道缓慢渗透，跨过细胞膜。此外，至少在单子叶植物中，Al3+可利用植物含铁细胞转移系统(Fe3+-phytosiderophore transport system)进入细胞质。例如一些细菌含铁细胞能有效地螯合Al 3+。 另一个进入细胞质可能机理为内吞作用，吸收,后紧密结合到质膜外空间，如此大大增加了通过内吞作用的吸收速率
12、。Al-柠檬酸盐复合物可能是另一重要跨膜运输的铝种类。在酸性PH中，中性的Al-柠檬酸盐复合物占多数，这些中性化合物可通过质膜脂双层，然而，目前还没有检测到这种化合物的跨膜运输。这些结果为认识抗铝的内在机制打下了良好基础。然而，也有人指出，在测量处理前简单的水冲洗或拧檬酸、苹果酸等浸泡，只有不到95%的细胞壁结合铝被洗脱出来。同时，根据已有文献，铝进入细胞质流量在53000 nmolg-1FWh-1，这几乎与单价阳离子的跨膜流量相似，而通常认为随离子电荷增加，跨膜流量会下降，与细胞壁负电荷结合增加。因此，铝跨质膜流动可能是铝测量之前没有。,完全洗脱细胞壁铝所造成的赝象，并非铝真正进入了细胞质。
13、用较精确的测定胞质铝含量技术SIMS(secondary ion mass spectrometry)测定铝处理藻类Chara corallina细胞的铝含量，发现99.99%的铝积累在细胞壁，即使完整细胞积累的铝95%被洗脱，在细胞壁中的铝仍比胞质高20倍以上作为半径小、高价、活跃的Al3+，进入细胞是完全可能的，尤其在较高铝浓度和较长时间处理时。由于半径相似，Al3+可利用Ca2+通道等阳离子通道，而且，根尖细胞代谢活动旺盛，内吞作用发生频繁率高等都增加了Al3+进入胞内的可能性。特别许多超量积累铝的植物，如茶树等，在如此高的铝浓度下，Al3+没有进入胞内，可能性较小。因此，铝被吸收进入细
14、胞质内是存在，问题在于进一步找到无可争议的证据。,根表皮吸收的铝除了转运进入共质体外，还向根中柱、茎和叶运输，如前所述，一些植物叶存在高浓度的铝，但这些铝转运的形式和机理还不清楚。 （四）铝的分布在器官水平上，铝被吸收后，大部分积累在根，部分运输到地上，也有的植物将大量的铝运输到地上。组织水平上，铝的分布为表皮细胞皮层细胞中柱薄壁细胞，主要积累在细胞壁中，但也进入表皮细胞和皮层细胞的细胞质中。 铝在细胞中的分布主要是在细胞壁与果胶质结合，一部分通过内吞作用、载体或离子通道进入细胞质，细胞膜被破坏后，进入胞内铝就更多。进入胞内的铝大部分分布在细胞质(48%64%)，其余在,细胞核(21%40%)
15、、线粒体(10%16%)中。由于细胞质近中性(PH 6.07.5)，所以细胞质中的铝大部分与高分子量化合物（如蛋白质）形成复合物。 （五）铝毒害信号及其传递许多证据表明冷和盐胁迫条件下，首先影响胞内Ca2+浓度，Ca2+作为起始生理转导物引起进一步反应。Huang等(1992)利用振荡Ca2+选择微电极研究表明在铝敏感小麦Scout 66中，铝显著抑制Ca2+刺激内流，而对耐性品种Altas 66的Ca2+运输影响很小。为克服根表面的Ca2+浓度梯度对测量的影响，Huang等继续用比非振荡系统灵敏50倍的Ca2+选择振荡微电极对铝影响下Ca2+吸收进行测量。在没有外加铝时，二品种根尖的Ca2+
16、吸收动力学非常相似。对Scout 66进行铝处理(520 mol/L)，铝毒,害程度与铝诱导根尖Ca2+吸收抑制存在强烈相关性，对其Al-Ca相互影响的动力学分析，通常是Ca2+吸收被完全抑制，而铝对Altas 66吸收动力学则影响很小。结果说明铝对根尖Ca2+转运的破坏在敏感品种铝毒害中起重要作用，不同铝耐性可能与酸性溶液中根尖细胞Ca2+转运系统对铝毒害抵抗能力有关。用形态完整的根细胞壁进行同样研究，结果是铝的影响并不包括Al-Ca在细胞壁的相互作用，推测铝影响可能通过阻塞Ca2+通道来抑制Ca2+内流。Rengel(1992)指出Al3+不用进入细胞质而引发大量初始的毒害效应，可能主要是
17、通过改变Ca2+穿越原生质膜内流来破坏Ca2+平衡，从而影响细胞分裂，Al3+对Ca2+内流影响主要通过阻塞Ca2+通道来达到的，,并总结认为，细胞内Ca2+平衡被破坏是铝毒害综合症的起始触发器。Bennet等（1991）在铝对玉米根生长的研究中也认为，铝的效应在于刺激/反应的耦合(stimulus-response coupling)引发，而不是铝的直接效应，因为移去Ca2+可引起铝毒害的同样效果。由此可见，铝毒害是间接的，而其毒害效应是通过影响Ca2+浓度产生或传递所导致的。 三、铝毒害机理的研究进展 （一）铝影响其它元素的吸收、转运和利用 铝可与果胶质结合，竟争K、Ca、Mg、Cu等在根
18、细胞膜上的吸附位点，抑制水分和离子的吸收和转运，干扰Fe3+ Fe2+转变，诱导缺铁症，还可在根表或质外体与磷发生沉淀，使磷吸收受阻。,1铝与氮生长在有或无铝的混合态营养液时，品种耐铝性与植物诱导PH下降速率呈负相关，而PH下降速率与品种消耗溶液中铵态N速率正相关。把与不同N吸收和溶液pH相联系的品种耐铝性分别称作“差异N吸收(differential N uptake)”或“N优先(N preference)”。在长效研究中，Taylior等(1988)还认为小麦品种铝性不仅与PH下降的起始速率有关，也与最后溶液PH有关。但后来研究表明PH变化不是铝耐性差异的原因，提出耐铝性与溶液的PH非依
19、赖性假说。该假说认为铝胁迫条件下，对硝态盐和铵盐吸收均下降，但敏感品种下降更历害；在没有铝存在时，耐性品种对硝态N，敏感品种对铵态N吸收较多。当溶液中加入铵态N，PH下降，铵态N,用尽后，PH上升，植株生长在有铝溶液比无铝溶液中pH低，揭示了溶液pH变化的原因。高浓度铝还影响根瘤菌的固氮作用，豆科作物的结瘤数、固氮酶活性受到抑制。干扰根对N素吸收，对NO3-的影响较NH4+严重，NH4+吸收下降可能为Al3+与NH4+在质外体竟争结合位点。还可能抑制硝酸还原酶(NR)活性及合成、N的还原和同化。Keltjiens(1988)注意到铝处理24小时后，高粱硝酸盐吸收和运输下降，盐中NR活性较低。C
20、ambraia等发现铝处理后，敏感高粱品种的硝态N吸收下降比耐性品种更剧烈，铝对NR为非竟争性抑制，不能通过增加NO3+浓度来缓解。然而，也有铝高粱对NH4+吸收的刺激效应，并认为是敏感品种中质子外流增加的所致。,2铝与磷高浓度的磷常导致明显缺磷症。对分离的外生菌根铝处理，真菌磷吸收强烈下降。铝处理降低水稻植株对磷的吸收，在小麦中也得到相似结果，且在敏感品种中磷含量下降更明显。但通常认为铝增加根中磷浓度而降低地上部分磷浓度。这些磷吸收反应不受呼吸抑制剂DNP和温度影响，从而认为是发生在根表或质外体的吸附-沉淀反应的结果，减少了根进入共质体及向地上运输。铝对磷代谢也有明显影响。玉米根铝处理后几种
21、核苷酸(ATP、UDPG)的浓度和呼吸速率降低，在铝处理20小时后更明显。原因可能是铝通过抑制己糖酸激酶来抑制己糖磷酸化，抑制ATP产生或直接形成Al-ATP的结果。,3铝与钙土壤溶液中钙浓度较高，平均约为1.5 mmol/L，植物体通常能吸收和贮藏大量的钙，但大部分钙结合在细胞壁（约60%）或被螯合在各种细胞器中，因此，Ca2+cyt 很低(10-7-10-6 mmol/L)，而低Ca2+cyt则有质膜和内膜系统上的Ca2+转运系统来维持,Ca2+转运系统主要有Ca2+转运系统泵、nH+/Ca2+转运系统逆向转运体和Ca2+转运系统通道等三条（图7-1），影响这些Ca2+转运系统的因素都对C
22、a2+cyt造成较大影响。铝处理降低Ca2+吸收，从而削弱根尖Ca2+梯度在很多植物中都已得到证实，如水稻、咖啡、大麦、马铃薯、玉米、Manihot esculenta 、Vigna,unguiculata、Lupinus、Vicia、Hordeum、Secale、Acer、Gleditsia等。铝处理条件下，植物Ca2+吸收和转运受影响程度不同而表现出对铝抗性的差异，在低Ca2+或完全营养液中敏感小麦品种Ca2+吸收和转运显著下降，而耐性品种受影响较小，只是在高浓度铝处理时，根的Ca2+吸收才受抑。动力学研究表明，铝竟争性地抑制根吸收钙，增加培养液中的Ca2+浓度，可以保卫根分生组织和根生长
23、，促进根再生，降低铝毒害，但敏感品种要求Ca2+浓度比耐性品种高。,图 7-1 细胞内Ca2+的转运,也有例外的报导。Lindberg等(1993)发现，80 mol/L Al处理耐铝和铝敏感的小麦根原生质体，存在一瞬时短暂(2 min)的Ca2+cyt上升。然而，相对而言，这种变化较小（从160 nmol/L到225 nmol/L），时间很短，而且，只在60%分离原生质体中发生，难以肯定这种升高与铝毒害的关系。铝抑制Ca2+吸收的机理曾有多种猜测，认为影响了根表或自由空间的电荷状况，抑制Ca2+吸附到道南自由空间负电荷上的过程。或者影响质膜，使Ca2+的被动和主动吸收受阻，也有认为可能是降低
24、了呼吸作用而降低阳离子吸收。现在较多认为铝作为Ca2+通道阻塞剂起作用。然而，Huang等（1993）发现Al3+能有效地阻塞质膜Ca2+通道，但铝敏感和耐性品种之间无差异。,在此前Sasaki (1994) 用Ca2+通道拮抗剂bepridil得出了同样的结论。Al3+除了阻塞Ca2+通道外，还会影响质膜、液泡膜Ca2+-ATP酶和H+/Ca2+逆向转运体等Ca2+转运途径，共同导致Ca2+cyt 持续下降，影响细胞质Ca2+稳态，产生毒害作用。铝与钙的相互作用，Ulrich等(1989)提出了土壤中Ca/Al摩尔比是衡量铝对植物危害的指标，当Ca/Al比小于1时，铝损害植物的根毛，影响水分
25、和营养吸收，进而引起植物枯萎和死亡。 4铝与钾在茶叶、玉米等植物中都发现铝与钾竟争根吸收位点，抑制钾吸收并且降低根和地上部分钾含量。铝还通过抑制蚕豆保卫细胞K+in通道，阻塞玉米根,毛质膜K+通道等来抑制K+吸收和转运。然而，在Gleditsia中铝对钾的含量没有影响，在Acer中低浓度铝会增加K+吸收。也有报导在玉米、Coeffea arabica、Trijolium repens中铝处理导致钾吸收上升。高浓度铝强烈抑制一些真菌对钾的吸收，对另外一些真菌则不然。Nichol等发现短时（10 min）和长时间（5 d）处理均抑制K+吸收，但其均是可逆恢复的。这些结果表明铝对钾的影响还没有一致认
26、识，可能与物种和实验条件不同有关。 5铝和其它元素铝处理降低大麦除茎外其它部分的锰浓度。水稻中随铝增加，锰浓度在植株顶端是下降的，而在根中增加，推测锰可有效地与铝竞争根吸收位点。玉米、高粱的锰吸收在铝胁迫条件下也下降。,水稻、马铃薯、玉米、Coeffea arabica、Manihol esculenta、Lupinus、Secale、Vicia、和Hordeum等植物随铝浓度升高(110 ppm)，根和茎端Mg吸收和浓度均下降，低浓度铝可提高Acer、Gleditsia 中镁含量，但高浓度时则相反。1 mmol/L铝处理对镁吸收和转运的抑制比对钙更为明显。水稻、马铃薯在增加铝浓度(至10 p
27、pm)时，根中开始积累铁，玉米叶和根铁水平则下降。橡树中铝干扰Fe3+Fe2+的还原，而这是正常铁代谢必需的。高粱、水稻中缺铁黄化是常见的铝毒症状，大麦、燕麦、小麦中也发现同样的结果，其原因是铝处理抑制DMA (2-deoxymugineic acid)的合成和分泌，阻碍铁吸收。,铝也和铜竞争根表面的结合位点，铝伤害引起马铃薯根中铜积累，而高粱中则根和茎端的铜含量均下降。 （二）抑制细胞有丝分裂和根伸长生长铝毒害抑制根伸长是由于细胞分裂和伸长受抑制的结果。对铝抑制细胞分裂，最初认为是铝与DNA磷酸基团结合，增加双螺旋刚性，降低模板活性，DNA解链复制困难所致。但后来发现铝处理细胞有丝分裂数目下
28、降，在4、5、6 h后显著下降。Sampson等发现Hordeum vulgare在铝处理48 h内DNA都一直发生复制，细胞分裂数目却在处理24 h后降为0。Wallace等也指出铝诱导根伸长抑制先于DNA复制至少2 h，认为干扰DNA复制不是铝的初始效应。现在多数报导认为铝处理毒害作用主要在于,破坏了Ca2+平衡，降低胞内Ca2+浓度，而在前期胞质Ca2+活动增加，引起微管解聚对分裂中后期染色单体分离和移动是必要的。区域化Ca2+梯度对引发中期/后期的转变也是必要的。同时，胞内Ca2+浓度下降也间接降低了钙调素调节有丝分裂的功能，从而细胞分裂活动受到抑制。最近，发现细胞骨架依赖于钙调节。令
29、人感兴趣的是还有报导铝直接影响细胞骨架，导致微管和纤丝刚性增加。当然，也不能排除铝引起的细胞繁殖和分化的其它调节物质的变化，如多胺及其合成酶类活性的变化。,细胞伸长机理有很多假设，如表皮细胞厚壁和微纤丝的取向、细胞壁成分（如果胶、半纤维素、蛋白质）、壁基质酶解物分离等都与细胞伸长密切相关。Sasaki等(1996)最近报道小麦耐铝性与细胞壁木质素(lignin)沉积有关，5 mol/L AlCl3处理敏感品种有明显的木质素沉积，而对照根和耐铝品种没有木质素沉积，20 mol/L AlCl3处理两品种均有明显的木质素沉积。这结果表明在伸长区的木质化作用与铝引起根生长抑制程度是一致的。铝抑制细胞伸
30、长还与对细胞壁蛋白影响有关。Cosgrove等(1996)报导生长期下胚轴细胞壁存在两种伸展蛋白，伸展蛋白活性与细胞伸长正相关，而铝抑制这些蛋白活性。,（三）破坏细胞膜结构和功能 1影响膜传递蛋白，干扰细胞调节过程在植物细胞质膜和内膜上存在多种类型的传递蛋白，这些传递蛋白不仅与物质的跨膜传递有关，而且还直接参与对外部环境的识别，并作出相应反应和调节的过程。一般认为植物质膜传递蛋白主要有ATP酶、氧化还原蛋白、通道蛋白、转运体蛋白和信息传递相关蛋白。早在八十年代，就已经认识到冷、水分和盐胁迫等逆境影响这些传递蛋白的结构和功能，而直到近年来，铝的影响才有所报导，但认识仍是粗浅的。铝处理抑制或激活H
31、+-ATP酶活性均有报导。0.10.3 mmol/L的AlCl3处理5周（PH 4.2），云杉质膜,H+-ATP酶和葡聚糖合成酶II活性下降，后者比前者更为明显。玉米根质膜微囊质子泵和ATP酶活性为氟化锂和氟化铝等化合物所抑制。Wu等(1994)报导，无钙培养时，0.5或1 mmol/L铝处理相应增加ATP酶活性11%和19%；0.5 mmol/L铝加低钙 (100 mmol/L)比加高钙(5001000 mmol/L)时ATP酶活性高42%，在Ca/Al比为1.5:11时，ATP酶活性大到最大。铝对小麦质膜质子外流的影响也存在矛盾的结果。Kinraide(1988)报导与对照相比，尽管铝胁迫
32、下根伸长区的表皮和外皮层已严重肿胀，但质子外流和膜电势都没有变化。Miyasaka等(1989)则观察到在铝敏感品种中质子外流受到抑制，但对耐铝品种没有影响。由此看来，这一问题远还没有得到解决，有待澄清。,在质膜上还存在Ca2+-ATP酶(Ca2+泵)。对于其功能，一度被认为和H+-ATP酶类似，在于推动质子跨膜运输，但现在已普遍认为与Ca2+转运相关，其通过利用ATP释放的能量，把细胞内的Ca2+主动运输到胞外，以维持Ca2+cyt平衡。虽然已有很多报导证实Al3+能够阻塞质膜Ca2+通道，但很少有铝对质膜Ca2+-ATP酶活性及Ca2+转运影响的报导。只有Kylin等(1986)报导与对照
33、或加0.22 mmol/L的AlCl3处理相比，从0.11 mmol/L的AlCl3处理的耐铝小麦品种(Kadett)分离到的质膜活性增加3.5倍，而敏感品种(WW20299)则没有这种刺激作用。铝伤害主要在根尖，但较早的实验通常采用全根提取质膜微囊，会显著冲淡铝的影响，这样的结果难以反映真实情况，有必要深入探讨，同时还必须与,其它的Ca2+转运途径的影响结合起来，才能更好阐明铝对Ca2+转运系统及Ca2+含量影响的真正原因。由于膜片钳技术的发展，已相继发现在植物质膜及内膜上存在许多种类离子通道，如Ca2+通道、K+通道、Cl-通道、NO3-通道、有机酸离子通道（如苹果酸）等。除了阻塞Ca2+
34、通道有较多报导外，Al3+还抑制蚕豆保卫细胞质膜内向整流通道，阻塞玉米根毛质膜通道，抑制Neuospora crassa线粒体外膜电压依赖性阴离子选择通道。然而，Al3+对其它种类离子通道的影响还没有报导，而且在小麦铝毒害研究中表明，Al3+对耐铝性品种和铝敏感品种根细胞质膜的阻塞效应并没有多大差异，所以，Al3+抑制K+通道和Ca2+通道与植物抗铝性差异的关系还待进一步认识。,由于铝离子能够进入细胞质，从而可能对液泡膜等内膜系统造成影响。Matsumoto(1991)和Kasai等(1993)发现铝处理增加微粒体膜和液泡膜依赖于ATP和PPi的质子泵活性。最近，有报导在铝处理后，耐铝品种小麦
35、液泡膜H+-ATP酶和Ca2+-ATP酶活性迅速下降，而铝敏感品种在较低铝浓度处理时，有一个升高过程，在较高铝浓度处理时，才下降，两品种表现出较大不同，因此，液泡膜可能与植物的耐铝性差异有关。对线粒体而言，铝降低小麦线粒体H+-ATP酶和Ca2+-ATP酶和焦磷酸酶活性。 2改变膜的流动性和渗透性脂类特别是磷脂对于膜结合ATP酶的正常功能和调节，跨膜电化学势梯度形成和维持是必要的。逆境胁迫改变膜脂组成，影响膜流动性和渗透性，,这在其它逆境如盐、水分、冷等条件下已得到证实。对铝影响植物细胞膜脂也进行了初步研究，Jone等(1998)认为质膜磷脂或其它脂类是铝毒害的最初部位。Lindberg等(1
36、991)报导铝增加甜菜根系质膜的磷脂酰胆碱（卵磷脂）/磷脂酰乙醇胺(PC/PE)的比率，提高质膜磷脂双分子层结构的稳定性。但他们实验所采用pH过高（5.3，5.4和6.1），这样会产生处理溶液中铝溶解性和离子种类问题。针对这些问题，Zhang等(1996)以小麦为材料，在pH 4.2时进行铝处理，用根尖提取膜微囊作了较深入的研究，指出：10至50 mol/L的AlCl3处理1 d，对耐性和敏感的小麦品种的膜脂组成没有影响，而用50 mol/L的AlCl3并处理延长至3 d，磷脂下降，单半乳糖二酰甘油、自由固醇、自由,脂肪酸和三酰甘油增加。还存在遗传型变化差异。双半乳糖二酰甘油含量在敏感品种中增
37、加66.7%，耐性品种中则轻微下降。因此MGDG/DGDG比率在耐性品种增加46.2%，而敏感品种则下降21.3%，另外也发现铝处理后，敏感品种中Sterylgucoside增加70.2%，acylated sterylglucoside增加22.3%，耐性品种中，酰化sterylglu-coside下降18.9%，而sterylglucoside无变化。何龙飞等发现铝处理后小麦质膜磷脂含量下降，在敏感品种中更明显，磷脂含量下降必然会改变脂质环境，减弱磷脂与ATP酶的联系，导致ATP酶活性降低，诱导六角形结构（HII）形成，增加质膜通透性和铝进入胞内。提出磷脂/糖脂比值变化与植物耐铝性关系密切
38、的论断，敏感小麦品种需要较高质膜磷脂/糖脂比值来,维持细胞正常功能，而耐性品种则较低；铝胁迫后，敏感品种磷脂/糖脂比迅速下降，受害严重，耐性品种则下降较缓，受毒相对较轻。 除了膜脂组成外，铝对与膜脂密切相关的膜生理特性也有较大影响。Ishikawa等(1998)报导铝处理后，铝敏感植物质膜刚性增加，伸展性下降，透性增加，而耐铝植物质膜透性变化较小。Viestra等(1978)用电子顺磁共振波谱技术研究，发现Al3+降低分离和完整的Thermoplasma acidophilum细胞膜流动性。Zel等(1993)报导铝降低铝敏感真菌Amanita muscaria的膜流动性，增加耐铝真菌Lact
39、arius piperatus的膜流性。何龙飞等(1999)以耐铝和铝敏感小麦品种为材料，测定质膜膜脂不饱和指数变化，得到类似结果。,铝处理后，这些膜生理特性的变化与Al3+对膜脂作用有关。水合Al3+，如Al(H2O)63+，与磷脂负电荷结合，形成堆叠区。同时，根据Eigen原理，7到8个水合磷酸盐的水分子与6个水合Al3+的水分子通过脱水作用联系在一起。由于脱水作用，液晶态的膜刚性增加，成胶体状，堆叠区疏水性更强，膜蛋白也通过羧基与Al3+结合，成为堆叠区一部分。堆叠区（如磷脂和蛋白）与非堆叠区（如固醇）界面扩大，形成缺口，膜透性增加可能正是胁迫条件下形成这些缺口的结果。 （四）破坏体内激
40、素平衡根尖是植物激素合成的重要部位，尤其是细胞分裂素和ABA，而这一部位又是铝毒害初始位置，因此，较早就有人把二者联系起来。,Klimshevskii(1983)用玉米、大麦和豌豆的铝敏感和耐性品种进行铝处理，敏感品种根中ABA含量比耐性品种相应增加340%、351%和473%。由于通常ABA被认为是Ca2+的激活剂，其刺激质膜上的Ca2+通道，使细胞质中Ca2+活性增加，引发系列生理反应，所以，很难用ABA含量迅速增加来解释玉米根在铝处理反应与钙缺乏反应之间的相似性质。Pan等(1989)发现，在酸性铝毒土壤中，铝抑制敏感大豆品种Ransoma地上部分侧枝生长，但可通过叶面喷施细胞分裂素或对
41、侧生分生组织局部处理而得以恢复。他们认为铝改变地上部形态的原因可能是： 1）铝损坏根系分生组织的细胞活性，从而抑制细胞分裂素合成；,2）铝抑制细胞分裂素向地上部分运输； 3）铝降低地上部分正常发育所需内源细胞分裂素水平。抑制地上部分生长是铝的次级效应，这种抑制只是在延长生长介质中Al3+毒害时间，并在抑制了根生长后才表现比较明显。目前，还没有关于外加Al3+影响根分生组织合成细胞分裂素并影响其向地上部分运输的报导来证实Pan等提出的假说。但细胞分裂素促进细胞分裂机理与钙密切相关，其是通过激活质膜Ca2+通道，增加胞质Ca2+活动来实现的，而Al3+抑制Ca2+跨质膜内流，所以，铝处理引起的细胞
42、分裂素变化可能只是一种次级反应。Erdei等(1991)用喷施6-BA的方法可以改善黄瓜的钙缺乏症也提供了一个旁证。,铝似乎与IAA存在拮抗，IAA促进细胞伸长，而铝抑制伸长，IAA作用是否依赖Ca2+尚有争议，但其运输却必需Ca2+，Ca2+促进生长素向基部运输。 玉米初生根中，铝促进IAA的向顶运输，抑制其向基运输，IAA向基运输发生在根的外层细胞（表皮或皮层），铝积累最初也发生在玉米或其它植物的皮层或表皮细胞，说明二者之间存在一定的联系。综上所述，铝处理后，可能通过两条途径产生毒害作用：一是铝的直接毒害作用。铝能进入细胞质内，积累在细胞壁或进入细胞质内的铝抑制质膜上的质子泵和钙泵活性，降
43、低质膜磷脂含量和膜脂流动性，改变膜脂环境，影响质膜的正常生理功能。同时，进入细胞内的铝对液泡膜的,质子泵和钙泵活性也产生抑制作用，亦降低其磷脂含量，流动性下降，消弱膜脂和膜蛋白的相互联系，影响液泡的正常生理功能；还抑制线粒体的呼吸作用及线粒体膜系统，能量供给下降，进一步削弱质膜和液泡膜抵御逆境的能力，质膜和液泡膜进一步受损，对细胞造成不可逆性损伤。二是铝的间接伤害作用。铝处理后，Al3+与Ca2+和磷等竞争细胞壁结合位点，阻塞离子通道，造成胞质内Ca2+营养元素缺乏等，抑制Ca2+调节的一系列生理生化过程和Ca2+的第二信使作用，进一步引起磷脂降解，改变膜脂环境及其与膜蛋白的相互联系，对细胞造
44、成损伤。,第七章 铝毒害及植物的耐铝机制,第一节 铝对植物的毒害作用 第二节 植物的抗铝机制,第二节 植物的抗铝机制,一、外部机制 二、内在机制 三、植物耐铝性的遗传基础与分子生物学,第二节 植物的抗铝机制,植物抵御铝毒害的机制包括外部机制和内在机制二种类型。外部机制主要指在质外体层次，内在机制则主要指在共质体层次的抗铝机制。 一、外部机制 (一)细胞壁在排斥铝中的作用（CEC假说）二价阳离子在根质外体中积累是其进入胞内的前提。在质外体中，二价阳离子是与细胞壁的带负电荷基团结合，如羧基、羟基等，根阳离子交换能力(CEC)即是由细胞壁中这些带负电荷基团决定的。由于铝在根皮层质外体中积累是铝毒害的
45、最初步骤，因此，铝毒害作用也就可能与CEC相关，从而提出了CEC假说。,CEC假说认为品种的耐铝性与根系的低阳离子交换量（CEC）有关。Blamey等(1990)也报道，耐铝的牛解花属(Lotus)品种的CEC较低，而敏感品种CEC较高。解释认为低CEC的耐性品种需较高铝活度以沉淀甲基化程度相对较高的果胶质。相反，高CEC的敏感品种沉淀果胶质的铝活度相对较低，因而根系组织中的铝浓度高，削弱了果胶的保护作用。这在棉花、黑麦草、大麦、小麦植物上均有报道。低根系CEC对植物耐铝有三方面的作用：1）低CEC作物种类或品种优先积累单价阳离子，故低CEC能选择排斥多价阳离子；2）低CEC能减少铝在根系交换
46、位点的结合，而这种结合是根系吸收铝的第一步；3）低CEC导致植物对阴离子吸收相对低于阳离子的吸收，可降低生长介质的酸化程度，从而减少,铝吸收和进入共质体。然而，也有不同意见。Ishikawa等(1998)比较了水稻、玉米、碗豆和大麦的耐铝性，他们指出这四种植物根的CEC与铝耐性之间并没有相关性。 （二）根冠或质外体pH障碍通过诱导根冠pH上升而产生pH屏障，迅速降低铝的溶解度是非常吸引人和备受关注的。其证据主要来自铝处理后，耐性品种比敏感品种能维持较高的介质pH值。然而，越来越多的实验对此提出异议，认为pH变化主要受成熟根区而不是根尖的影响。Miyasaka等(1989)发现在没有铝存在或铝处
47、理前几个小时，耐性和敏感品种根冠pH并没有差异。也否定了Foy等(1988)关于NH4+/NO3-吸收比率与耐铝,相关性的猜测。支持Taylor(1988)和Waga-tsuma等(1987)所提出的外部溶液pH的变化是对变化N源的反应而与铝耐性无关。不过，最近Pellet等(1997)提出了新的证据支持根冠pH变化与铝耐性有关。在研究耐铝和铝敏感品种小麦根冠pH、苹果酸和无机磷分泌的变化后，他们指出铝胁迫下，耐铝品种小麦苹果酸和无机磷分泌显著增加，根冠pH不变或稍有上升，而铝敏感品种无机磷分泌明显下降，苹果酸分泌下降或不变，pH迅速下降。因此，他们认为pH变化与磷分泌有关，而并非仅是溶液中氮
48、源变化的结果。无机磷分泌位于根尖，在细胞质内，无机磷以阴离子状态存在，被排到酸化细胞壁和根冠后，与质子结合，导致pH上升。分泌的苹果酸也可能与pH变化有关。,Grawer(1993)认为阴离子对铝生理毒害有改善作用，阴离子作用效果顺序为OH-F-SO42-Cl-，侧面说明pH上升，OH增加有利于降低铝毒害效应。由此看来，要确定根冠pH变化与耐铝性的关系还需要深入研究。 （三）铝诱导有机酸和磷的释放Kitagawa等（1986）年首先提出植物通过根系分泌有机酸降低铝毒害。Miyasaka等(1991)发现在耐性和敏感的Snapbean中，铝处理8天，耐性品种释放的柠檬酸是铝存在时的70倍，为敏感
49、品种在有或无铝存在时的10倍多。Delhaize等发现铝诱导小麦的苹果酸释放，铝抗性和根尖的铝排除有很好的相关性，耐铝基因型小麦的苹果算酸分泌量比敏感,基因型高510倍。他们认为通过释放苹果酸螯合Al3+，降低Al3+的活性，保护根尖。该结论还得到以下观察的支持：1)苹果酸释放仅为Al3+诱导，而Al3+、La3+、Se3+、Mn2+或Zn2+不能诱导；2)苹果酸释放仅在根尖，铝毒害部位；3)把苹果酸添加到铝毒害溶液中可保护敏感品种根部位免受毒害；4)铝刺激的苹果酸释放高速率与铝抗性密切相关。Ryan等(1994)接着检测了36个小麦品种的耐铝性，也发现铝刺激苹果酸释放与铝抗性相关。Huang
50、等(1993)认为分离的根质膜微囊Ca2+运输系统对铝的敏感性遗传差异是由于在抗性品种根尖铝诱导苹果酸释放，而敏感的品种苹果酸没有变化。,铝胁迫诱导下有机酸的分泌模式依植物类型可分为两大类：模式I：在铝供应开始后的很短时间（530分钟）内即可观察到有机酸的明显分泌，其分泌有机酸为苹果酸和草酸，如耐铝小麦（ET3）在20分钟内分泌苹果酸，荞麦在30分钟内分泌草酸。有机酸在共质体中以有机离子形式存在，此模式的有机酸分泌不涉及基因的激活，而是激活离子通道或质膜上有机酸转运体活性。Ryan等(1994)的工作表明，Al3+处理会刺激苹果酸的迅速释放，但可被一些阴离子通道拮抗剂所抑制。但目前仍然没有Al3+刺激因子特性的报道，可能是与质外体或共质体铝的相互作用，或者通过铝刺激信号传递的间接活动。模式II：在铝开始供应与有机酸分泌之间有一个明显的延缓期，其分泌的有机酸为柠檬酸，如耐,
