植物生理专题讨论之一水稻根通气组织的形成和控制学生：孔妤导师：王忠教授 2006.10.21.

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植物生理专题讨论之一水稻根通气组织的形成和控制学生：孔妤导师：王忠教授 2006.10.21

引言

PlateI 水稻植株内形成通联的气腔（叶、叶鞘、根） 1. 基本概念 PlateI 水稻植株内形成通联的气腔（叶、叶鞘、根） 1.水稻叶鞘横切面，显示部分气腔20×/0.40；2.水稻叶中脉横切面40×/0.65；3.水稻根伸长区横切面，显示皮层细胞不断收缩形成通气气腔40×/0.65

2.通气组织的种类一般认为,湿地或非湿地植物的通气组织以溶生型(lysigenous)或裂生型(schizogenous) 两种方式形成。根内可能同时出现溶生型和裂生型通气组织两种。 3.通气组织的功能参与根形态建成 Ae 提供代谢所需氧气调节根际氧化势排泄有害代谢废气

我们的研究

1.研究目标与内容研究目标阐明诱导水稻根皮层细胞解体的因素阐明水稻根通气组织的形成与PCD的关系阐明水稻根外皮层厚壁细胞发育对通气组织结构的机械支持等作用阐明诱导水稻根皮层细胞解体的因素研究目标外界环境因子对通气组织形成的影响水稻根发育中通气组织的形成过程皮层细胞解体过程的超微结构观察主要研究内容

用扫描电镜观察根结构，并同步测定观察区中的元素种类与含量 2.研究方案 2.1通气组织形成过程的研究方案用扫描电镜观察根结构，并同步测定观察区中的元素种类与含量冰冻切片，组织化学法检定根细胞成分和酶活性树脂切片后，特异性染色，免疫荧光观察显微结构超薄切片结合免疫定位，用透射电镜重点观察与物质转运的细胞器如质膜、胞间连丝等超微结构探明水稻根通气组织的形成机理和PCD之间的关系观察通气组织形成过程的动态变化以及酶活性的变化气培水稻水培

2.2外界环境因素诱导通气组织形成的研究方案观察氧气充足条件下通气组织的发生推断通气组织形成的诱导因子,揭示其发生本质原因结果：根内不出现通气空腔，此时皮层内部细胞呈辐射状排列，皮层外部细胞呈六边形，存在较大的细胞间隙结果：氧缺乏条件下，根内开始形成通气组织。若用中性红染色根，中皮层细胞变红可证明发生细胞退化死亡结果：如果低N胁迫较空白溶液或高磷溶液培养的水稻根系产生明显的通气组织，说明低N促进通气组织发生结果：如果低P胁迫较空白溶液或高磷溶液培养的水稻根系产生明显的通气组织，说明低P促进通气组织发生推断通气组织形成的诱导因子,揭示其发生本质原因比较不同水分状况下通气组织形成结果：如果淹水引起通气组织形成的数量较干旱条件下的多，说明淹水导致氧缺乏可诱导通气组织形成观察氧气缺乏条件下通气组织的发生比较不同氮浓度下通气组织形成情况比较不同磷浓度下通气组织形成情况

2.3水稻根外皮层边缘厚壁细胞的研究方案纤维素具有产生荧光特性，水稻根外皮层厚壁纤维组织可用荧光显微镜观察，在紫外光激发下，水稻根外皮层厚壁细胞会发出蓝绿色荧光。我们将分别种植不同基因型水稻材料，并进行诱导和抑制通气组织形成处理，利用荧光显微装置观察与比较不同基因和不同处理对根荧光结构的影响,分析水稻根外皮层边缘厚壁细胞发育与通气组织形成的关系。同时还探讨外皮层边缘厚壁细胞的生理作用。

3.研究方法 3.1 材料培养粳稻9516种子根或大田秧苗不定根。 3.2 不同处理的设置不同乙烯利浓度处理幼苗不同乙烯利浓度处理幼苗不同磷浓度下设置高磷和低磷两种处理移栽苗不同氮浓度下设置高氮和低氮两种处理不同介质培养气培和水培幼苗不同地上部处理移栽苗

3.3 实验方法 3.3.1荧光显微观察半薄切片观察水稻长至8天切取根段荧光观察制作石蜡切片距离根尖每隔10mm取样前固定后固定脱水置换浸透包埋切片 TBO染色观察拍照

3.3.2 表层细胞死亡的估计和观察 3.3.3 SOD活性检测 3.2.4 纤维素酶活性超微细胞化学定位对照片进行绘图,观察降解形成空洞的面积占总皮层的面积比例,用这些面积比例代表死亡的比例。 3.3.3 SOD活性检测参照王爱国等的方法。利用氮蓝四唑（NBT）的光化还原反应，3ml反应液中含核黄素1.3μmol/L，甲硫氨酸131mmol/L，NBT63μmol/L和0.5mol/L，PH7.8的PBS。 3.2.4 纤维素酶活性超微细胞化学定位淹水7d 后,距离根尖10mm处以上部分开始取样固定，切取长约1mm 的根段。纤维素酶活性超微细胞化学定位参照Nessler和Mahlberg的方法(略有改动)。

3.3.5 根轴孔隙度的测量孔隙度的测量按下列程序进行：孔隙度计算公式：蒸馏水抽真空12h 注入耐热比重瓶称重为FW 根样置于比重瓶称重为FB 将根样移入液闪瓶抽真空到无气泡根样返回比重瓶称重为FA 孔隙度计算公式：孔隙度％＝100×[(FA-FB)/(FW+TW-FB)]

初步结果

1.水稻根生长情况观察表1 不同天数粳稻9516根的生长情况生长时间（h）根长平均值（mm）平均根数（条）根长最大值（mm） 24 10.00±0.76 1.0±0.00 29 48 15.78±0.90 1.3±0.21 42 72 45.94±1.83 2.0±0.02 80 96 72.68±1.13 3.3±0.58 92 120 98.53±1.48 4.7±1.03 144 113.41±1.85 5.2±0.94 146 168 129.50±2.82 5.4±0.45 197 192 148.00±1.79 5.8±0.88 200

2.通气组织形成过程观察根冠细胞处于根最先端，由薄壁细胞组成(图版III-1)。距离根尖3mm根细胞形状为多面体，排列紧密，胞间隙不明显，细胞壁薄，细胞核大，细胞质浓密，液泡很小，故其外观不透明(图版III-2，3)。距离根尖5mm以上细胞逐渐伸长，此时根内结构初步呈现(图版III-4)。距离根尖6mm处根内形成较为明显的结构，包括表皮、皮层、中柱(图版III-5)。距离根尖10mm处细胞已停止分裂，细胞质形成一薄层位于细胞的边缘，故其外观透明而光滑(图版III-6，7)。PlateIII 水稻根显微结构（距根尖10mm处）

PlateⅣ 水稻根内通气组织形成过程中皮层薄壁细胞的变化过程皮层薄壁细胞收缩距离根尖15mm根皮层薄壁细胞开始变形（图版Ⅳ-5），先出现在中皮层，接下来出现在周围的皮层细胞中，细胞不断收缩，收缩后仅留下残余细胞壁（图版Ⅳ-6）。根细胞的死亡过程呈现明显的辐射状趋势，这也是细胞中大多数胞间连丝发生的方向。在初始细胞退化为最后的皮层残余物质过程中，可能有一种扩散因子与之相联系。

水稻通气组织形成过程中厚壁边缘细胞显微观察水稻根外皮层边缘厚壁细胞的观察水稻通气组织形成过程中厚壁边缘细胞显微观察 1、2、3分别为普通光镜、荧光显微镜（A）、荧光显微镜（D）下所示的扬稻6号根横切面显微照片，可清晰地观察到皮层厚壁细胞。

3.乙烯利对种子根发生情况的影响 100 200 300 400 1cm 2cm PlateⅤ 乙烯利对水稻根通气组织的影响

表2 不同浓度乙烯利对粳9516根发生数量和孔隙度的影响乙烯利浓度(mg/L) 平均根数（条）种子根平均长度（mm）新生不定根平均长度（mm）孔隙度（％） 4.7 94.1 18.3 4.8+0.16 100 5.2 78.8 11.8 5.4+0.21 200 4 65.7 3.3 5.6+0.18 300 2.5 56.5 5.0 6.3+0.11 400 2 50.5 7.4+0.35 乙烯利对粳稻9516根皮层通气组织的形成具有明显促进作用，诱导根皮层细胞的死亡.较高浓度的乙烯利溶液，抑制根侧根的发生，但对通气组织仍起促进作用，根内几乎全部形成空腔。

PlateⅥ.不同浓度P、N处理下水稻根形态的比较(4d 粳稻9516，15mm处)

4d 0.71+0.50 1.31+0.86 6d 3.26+0.63 4.85+0.87 8d 5.69+1.36 9.54+2.30 生长天数高磷低磷 4d 0.63+0.20 1.27+0.70 6d 2.26+0.42 3.68+0.67 8d 5.13+1.02 8.33+1.63 生长天数高氮低氮不同磷水平下培养的水稻根孔隙度（％）不同氮水平下培养的水稻根孔隙度（％）

种子根向下一直生长，侧根较少，根毛多。气培根有大量不定根发生，且向外扩散，表皮较水培根硬，干物质积累多，侧根较多。 5.不同介质培养种子根向下一直生长，侧根较少，根毛多。气培根有大量不定根发生，且向外扩散，表皮较水培根硬，干物质积累多，侧根较多。

表4 地上部对粳稻9516不定根根长、根数及孔隙度的影响 6.地上部对根内通气组织形成的影响表4 地上部对粳稻9516不定根根长、根数及孔隙度的影响处理平均根数（条）根长平均值（mm）孔隙度（%）去叶片 17.3±4.21 117±1.26 29.74 去叶、茎 11.0±6.12 92±0.84 31.08 完全株 19.9±5.11 82±1.40 32.86

待解决问题

1.纤维素酶活性的探讨水稻根的通气组织是根皮层发生细胞程序死亡(PCD) 形成。PCD 是细胞分化的最后阶段，是由某些特定基因编码的“死亡程序”控制的。通气组织的形成包含薄壁细胞间隙扩大分离，根皮层细胞的完全消退解离，内含物逐渐撤离消失。纤维素酶及其它细胞降解酶与根皮层细胞解体相关联的假说是合理的。细胞溶解酶的产生开始诱导细胞死亡，细胞最终完全溶解，关于这方面的研究值得重视。

2.通气组织形成机理的探讨前人以及我们的研究都指出通气组织形成与内外因素有关。通气组织形成过程中的细胞死亡机制包括：纤维素酶、促进因子 (乙烯, Ca2+ , 冈田酸)、相关潜在酶（如木葡聚糖转葡萄糖苷酶XET）等酶的诱导合成或活化；为检验PCD发生由环境因子还是植物激素乙烯启动提供了一种理想的模式体系。

谢谢