豌豆不同耐鋁品種根尖細(xì)胞壁果膠及其甲基酯化度的差異

李學(xué)文， 李亞林， 楊 錦， 吳禮樹(shù)， 蕭洪東，馮英明， 劉家友， 喻 敏*

(1佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院園藝系， 廣東佛山 528000； 2 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院， 湖北武漢 430070 )

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豌豆不同耐鋁品種根尖細(xì)胞壁果膠及其甲基酯化度的差異

李學(xué)文1, 2， 李亞林1, 2， 楊 錦1, 2， 吳禮樹(shù)2， 蕭洪東1，馮英明1， 劉家友1， 喻 敏1*

(1佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院園藝系， 廣東佛山 528000； 2 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院， 湖北武漢 430070 )

【目的】研究豌豆不同品種耐鋁性和根尖根段耐鋁性與果膠及其甲基酯化間的關(guān)系，為進(jìn)一步揭示植物耐鋁機(jī)理以及耐鋁性狀的遺傳改良提供依據(jù)。【方法】以豌豆品種Hyogo和Alaska為試驗(yàn)材料，采用Hoagland培養(yǎng)方式，測(cè)定了不同品種不同根段果膠含量、 果膠甲基酯化度和果膠甲酯酶活性，研究了其差異及原因。【結(jié)果】在15和30 μmol/L鋁濃度脅迫條件下，豌豆品種Alaska根相對(duì)伸長(zhǎng)率均顯著高于品種Hyogo，同時(shí)有根尖05 mm和510 mm段有更少的胼胝質(zhì)生成和累積，在30 μmol/L濃度下不同根段間均達(dá)到顯著差異，同時(shí)品種Hyogo根尖02.5 mm和2.55.0 mm段鋁含量均顯著高于品種Alaska，說(shuō)明品種Alaska和品種Hyogo間存在耐鋁性差異，其中品種Alaska耐鋁性高于品種Hyogo，即品種Hyogo為鋁敏感品種，品種Alaska是耐鋁品種。比較兩者不同根段(02.5 mm、 2.55.0 mm和5.010.0 mm)的鋁含量與果膠含量、 果膠甲基酯化度、 PME活性間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)耐鋁品種不同根段中的鋁含量均小于敏感品種，并且在02.5 mm和2.55.0 mm段間達(dá)到顯著性差異； 根尖不同根段果膠糖醛酸含量大小依次為02.5 >2.55.0>5.010.0 mm，耐鋁品種Alaska根尖細(xì)胞壁果膠和未甲酯化果膠含量均顯著低于Hyogo，并且02.5 mm根段差異最大。根尖不同根段果膠甲基酯化度從根尖向上逐漸降低，并且耐鋁品種Alaska高于鋁敏感品種Hyogo，其中02.5 mm段間的差異達(dá)到顯著水平；在對(duì)兩個(gè)品種果膠甲基酯化酶(PME)活性進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，PME活性大小依次為02.5>2.55.0>5.010.0 mm，兩品種02.5 mm和2.55.0 mm根段間均達(dá)到顯著差異。【結(jié)論】鋁敏感品種Hyogo在02.5 mm和2.55.0 mm根段具有較高 PME活性和較低果膠甲基酯化程度。豌豆根尖果膠含量和甲基酯化度尤其是02.5 mm根段是豌豆耐鋁性差異的重要原因；Alaska根尖細(xì)胞壁的果膠含量低和果膠甲基酯化度高(尤其是02.5 mm段)是其耐鋁的重要機(jī)制。

豌豆； 耐鋁性； 細(xì)胞壁果膠； 甲基酯化度； 果膠甲基酯化酶

鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，約占地殼總重量的7%，通常以難溶性的硅酸鹽或氧化鋁形式存在，對(duì)植物無(wú)毒害作用。當(dāng)土壤的pH低于5.0時(shí)，部分鋁就會(huì)以離子形式釋放到土壤溶液中，微摩爾級(jí)的鋁就可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)根系的伸長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。鋁毒是酸性土壤中限制作物生長(zhǎng)的眾多脅迫因素中最重要的因子。最近幾十年來(lái)，科學(xué)家們雖然已對(duì)植物鋁毒和耐鋁性機(jī)理做了大量研究，但對(duì)其生理和分子機(jī)制仍缺乏足夠的了解[1-2]。鋁毒對(duì)植物的危害首先表現(xiàn)在抑制植物根系的生長(zhǎng)及對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收，從而最終影響作物的產(chǎn)量。Ryan等提出根尖是鋁毒的主要作用位點(diǎn)，也是鋁抑制根系生長(zhǎng)的作用靶[3]。鋁毒導(dǎo)致植物根尖生長(zhǎng)受到抑制的原因主要是細(xì)胞伸長(zhǎng)受到抑制；Al3+與根表皮和皮層細(xì)胞的細(xì)胞壁結(jié)合，對(duì)細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和功能(如細(xì)胞壁的伸展性等)產(chǎn)生影響[4]。植物根尖細(xì)胞壁作為植物響應(yīng)鋁毒環(huán)境的第一道屏障，既是鋁毒害的最初位點(diǎn)，也是鋁積累的主要部位[1, 5]，在鋁毒害機(jī)理和植物耐鋁機(jī)制中起到重要作用。根系中30%90%的鋁累積于根尖細(xì)胞壁，而細(xì)胞壁對(duì)鋁的結(jié)合能力主要取決于細(xì)胞壁果膠含量及其果膠甲基化度[6-9]，果膠甲基酯化度受果膠甲基酯酶(PME)調(diào)控。 Sivaguru 和Horst[10]對(duì)玉米根尖不同根段分別進(jìn)行鋁誘導(dǎo)時(shí)發(fā)現(xiàn)，玉米根尖12 mm根段比01 mm和23 mm根段受鋁影響更大，如胼胝質(zhì)的形成和鋁的累積更多，而12 mm根段為過(guò)渡區(qū)(transition zone)，恰好位于分生區(qū)和伸長(zhǎng)區(qū)之間，提出過(guò)渡區(qū)遠(yuǎn)端是玉米根尖的敏感部位，同時(shí)也表明根尖不同區(qū)域可能對(duì)鋁的敏感性不同。Yang等[7]對(duì)比不同耐鋁性水稻品種發(fā)現(xiàn)，鋁敏感型品種 Zhefu802 根尖010 mm段PME活性、 細(xì)胞壁多糖(果膠，半纖維素，半纖維素2)和果膠的去甲基化程度均顯著高于耐鋁型品種Nipponbare。導(dǎo)致根尖不同區(qū)域鋁敏感性差異的原因是什么？是否與根尖細(xì)胞壁果膠含量及其甲基化程度有關(guān)？這種機(jī)制是否也引起不同品種耐鋁差異？本研究以耐鋁豌豆品種和鋁敏感豌豆品種為材料，通過(guò)分析根尖不同根段果膠含量和甲基酯化程度及PME活性等，研究根尖細(xì)胞壁果膠含量和性質(zhì)與根不同區(qū)域及不同豌豆品種耐鋁差異的關(guān)系，以期更加深入地揭示鋁對(duì)植物的毒害機(jī)理及植物耐鋁機(jī)制。

1　材料與方法

1.1供試品種

豌豆(Pisumsativum)耐鋁品種Alaska和鋁敏感品種Hyogo由Yoko Yamamoto教授(Okayama University)饋贈(zèng)。

1.2種子萌發(fā)

采用霧培法進(jìn)行催芽[11]。

1.3測(cè)定方法

1.3.1 鋁處理及其根伸長(zhǎng)率的測(cè)定選取根長(zhǎng)相對(duì)一致(約8.010.0 mm)的幼苗各3040株，測(cè)量根長(zhǎng)后，轉(zhuǎn)移至塑料燒杯中，分別用0、 15、 30 μmol/L AlCl3(含0.5 mmol/L CaCl2, pH 4.5) 處理24 h，再次分別測(cè)量根長(zhǎng)。鋁處理前根長(zhǎng)分別記為L(zhǎng)CK0和LAl0，鋁處理24 h相對(duì)應(yīng)根長(zhǎng)分別記為L(zhǎng)CK24和LAl24。根相對(duì)伸長(zhǎng)率(root relative elongation rates，RER) 按下列公式計(jì)算:

1.3.2 胼胝質(zhì)含量的測(cè)定剪取距根尖 05.0 mm、 5.010.0 mm的根段各5株，用4 mL 1 mol/L NaOH 研磨提取，收集研磨液于10 mL離心管中，于80℃水浴20 min，4800 rpm離心，收集上清液，加入苯胺藍(lán)混合反應(yīng)液，于50℃水浴20 min，冷卻后采用熒光分光光度法(970CRT，上海)，在λex=400/30nm，λem=485/40nm, 靈敏度為2，測(cè)定胼胝質(zhì)含量[12]。1.3.3 鋁處理及其鋁含量的測(cè)定剪取距根尖 02.5 mm、 2.55.0 mm、 5.010.0 mm的根樣各7株，用1 mL 2mol/L HCl 振蕩提取48 h，4800 rpm 離心，收集上清液，采用ICP-AES法 (IRIS-Advantage, Thermo Elemental, MA, USA)測(cè)定鋁含量。

1.3.4 PME的測(cè)定選取根長(zhǎng)相對(duì)一致(約2025 mm)的幼苗，收集02.5 mm、 2.55.0 mm和5.010.0 mm根段，用于樣品提取，參考Jolie等[13]的方法提取粗酶，按照Li等[8]的方法測(cè)定酶活性。

1.3.5 細(xì)胞壁果膠含量的測(cè)定參考Takayuki等[4]和Heim等[14]的方法稍作修改，對(duì)02.5 mm、 2.55.0 mm和5.010.0 mm根段進(jìn)行細(xì)胞壁粗提取。在-20℃冷凍30 min，研磨使其達(dá)到均勻的狀態(tài)，移入離心管，加入5 mL超純水(預(yù)冷)淋洗，在4500 rpm條件下離心15 min，棄上清液，沉淀再用超純水重復(fù)淋洗2次。然后將沉淀用5 mL丙酮(預(yù)冷)淋洗，室溫下振蕩浸提30 min，在4500 rpm條件下離心15 min，棄去上清液，沉淀再用丙酮重復(fù)淋洗2次。沉淀物即為細(xì)胞壁，真空干燥后備用。

用50 mmol/L Na2CO3(含20 mmol/L CDTA)提取細(xì)胞壁果膠，采用苯二酚比色法[15]測(cè)定果膠中糖醛酸含量，以D-半乳糖醛酸(Mr=212.16)為標(biāo)準(zhǔn)物，制備標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.6 細(xì)胞壁果膠甲基酯化度的測(cè)定吸取100 μL細(xì)胞壁果膠待測(cè)液，加入50 μL 1.5 mol/L NaOH，進(jìn)行皂化，常溫條件反應(yīng)30 min，然后加入55 μL 0.75 mol/L H2SO4，參考PME測(cè)定方法[8]，測(cè)定皂化反應(yīng)后產(chǎn)生的甲醇。 以甲醛為標(biāo)準(zhǔn)物，制備標(biāo)準(zhǔn)曲線。

未甲基化果膠含量=果膠含量×(1-DM)。

1.4數(shù)據(jù)處理

結(jié)果為3次獨(dú)立試驗(yàn)的平均值，采用Excel 2010和SAS 9.13進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1鋁對(duì)豌豆不同品種根伸長(zhǎng)的影響

經(jīng)15 μmol/L和30 μmol/L AlCl3溶液(含0.5 mmol/L CaCl2pH4.5)處理豌豆幼根24 h后，Alaska和Hyogo兩個(gè)豌豆品種的根相對(duì)伸長(zhǎng)率如圖1所示。在不同濃度鋁脅迫下，Alaska根相對(duì)伸長(zhǎng)率均顯著高于Hyogo，進(jìn)一步驗(yàn)證Alaska和Hyogo分別為耐鋁品種和鋁敏感品種[16]。

圖1　豌豆耐鋁品種(Alaska)和鋁敏感品種(Hyogo)根相對(duì)伸長(zhǎng)率的差異Fig.1　Difference in root relative elongation rates under AlCl3 concentrations in Al resistant cultivar Alaska and Al sensitive cultivar Hyogo

2.2鋁對(duì)豌豆不同品種根尖胼胝質(zhì)含量的影響

圖2　豌豆耐鋁品種(Alaska)和鋁敏感品種(Hyogo)不同根段的胼胝質(zhì)含量差異Fig.2　Difference of callose content in root segments of Al resistant cultivar Alaska and Al sensitive cultivar Hyogo[注(Note): 柱上不同字母表示在0.05 水平上差異顯著 Different letters above the bars mean significant difference at 0.05 level. ]

經(jīng)15 μmol/L和30 μmol/L AlCl3溶液(含0.5 mmol/L CaCl2pH 4.5)處理根尖24 h后，Alaska和Hyogo根系不同根段胼胝質(zhì)含量結(jié)果如圖2所示。15 μmol/L AlCl3條件下，Hyogo不同根段胼胝質(zhì)含量有大于Alaska的趨勢(shì)，但未達(dá)到顯著差異；30 μmol/L AlCl3濃度時(shí)，Hyogo根尖05.0 mm和5.010.0 mm段胼胝質(zhì)含量均顯著大于Alaska，分別是Alaska的2.3倍和2.7倍。

2.3豌豆不同品種根尖鋁含量的差異

圖3　豌豆耐鋁品種(Alaska)和鋁敏感品種(Hyogo)不同根段的鋁含量差異Fig.3　Difference of aluminum content in root segments of Al resistant cultivar Alaska and Al sensitive cultivar Hyogo[注(Note): 柱上不同字母表示在0.05 水平上差異顯著 Different letters above the bars mean significant difference at 0.05 level. ]

經(jīng)30 μmol/L AlCl3溶液處理根尖24 h后，同一品種不同根段鋁含量有從根尖向上遞減的趨勢(shì)(圖3)，其中Alaska品種 02.5 mm根段鋁含量顯著大于2.55.0 mm根段，Hyogo品種則 02.5 mm根段鋁含量和2.55.0 mm根段中無(wú)明顯差異，但均顯著高于5.010.0 mm根段。不同耐鋁性豌豆品種間根尖鋁含量存在明顯差異，Hyogo品種根尖02.5 mm和2.55.0 mm根段鋁含量顯著高于Alaska品種，分別為1.2倍和1.8倍， 5.010 mm根段差異不明顯。

2.4豌豆不同品種根尖細(xì)胞壁果膠甲基酯化度的差異

果膠是鋁結(jié)合到細(xì)胞壁的主要吸附位點(diǎn)，果膠結(jié)合鋁的能力取決于果膠含量和果膠甲基酯化度。新生果膠一般都是高度酯化，只有脫甲基后，形成果膠酸，才能與鋁結(jié)合，即果膠甲基酯化度越低，結(jié)合的鋁吸附位點(diǎn)越多[6]。不同品種不同根段細(xì)胞壁中果膠甲基酯化度如圖4所示。同一品種不同根段果膠甲基酯化度有從根尖向上依次遞減的趨勢(shì)，Alaska果膠甲基酯化度02.5 mm根段顯著高于2.55.0 mm和5.010 mm根段，而Hyogo品種則差異不顯著。不同豌豆品種間果膠甲基酯化度的差異主要是02.5 mm根段，Alaska品種 02.5 mm根段果膠甲基酯化度顯著高于Hyogo品種，Alaska品種 2.55.0 mm和5.0 mm10.0 mm根段果膠甲基酯化度有高于Hyogo品種的趨勢(shì)，但未達(dá)顯著水平。

圖4　豌豆耐鋁品種(Alaska)和鋁敏感品種(Hyogo)不同根段的果膠甲基酯化度的差異Fig.4　Difference of pectin methyl esterification degree in root segments of Al resistant cultivar Alaska and Al sensitive cultivar Hyogo

2.5豌豆不同品種根尖細(xì)胞壁中果膠和未甲酯化果膠含量的差異

果膠主要是由聚半乳糖醛酸構(gòu)成，測(cè)定了不同根段的細(xì)胞壁中糖醛酸含量(圖5)。同一品種不同根段果膠糖醛酸含量有從根尖向上依次遞減的趨勢(shì)，Hyogo品種各個(gè)根段間糖醛酸含量差異顯著，Alaska品種 02.5 mm和2.55.0 mm根段無(wú)顯著差異；不同豌豆品種間根尖糖醛酸含量存在顯著差異，Hyogo品種不同根段糖醛酸含量均顯著高于Alaska品種，分別是Alaska品種的1.8倍、 1.5倍和1.7倍。這些結(jié)果表明，鋁敏感品種根尖細(xì)胞壁糖醛酸含量高于耐鋁品種，尤其是02.5 mm根段兩品種差異更大。

圖5　豌豆耐鋁品種(Alaska)和鋁敏感品種(Hyogo)不同根段的糖醛酸含量的差異Fig.5　Difference of uronic acid content in root segments of Al resistant cultivar Alaska and Al sensitive cultivar Hyogo[注(Note): 柱上不同字母表示在0.05 水平上差異顯著 Different letters above the bars mean significant difference at 0.05 level. ]

同一品種不同根段未甲酯化果膠糖醛酸含量有從根尖向上依次遞減的趨勢(shì)，Hyogo品種根尖不同根段未甲酯化果膠含量均高于Alaska品種，并且02.5 mm和5.010 mm根段差異達(dá)到顯著水平，整體趨勢(shì)與果膠含量保持一致。根尖未甲酯化果膠糖醛酸含量與根尖鋁含量呈正比(圖5)，相關(guān)性達(dá)到顯著水平，說(shuō)明根尖鋁含量與根尖未甲酯化果膠糖醛酸含量密切相關(guān)。

2.6豌豆不同品種根尖PME活性的差異

果膠甲基酯化度受果膠甲基酯化酶的控制，PME能使果膠去甲基化后轉(zhuǎn)變?yōu)楹写罅坑坞x羧基的果膠酸，從而調(diào)節(jié)根尖細(xì)胞壁的果膠甲基酯化程度，間接地影響了植物對(duì)鋁毒的耐性。Hyogo和Alaska品種根尖不同根段的PME活性均是從根尖向上活性依次降低，其中在02.5 mm和2.55.0 mm根段Hyogo品種顯著高于Alaska品種(圖6)。

圖6　豌豆耐鋁品種(Alaska)和鋁敏感品種(Hyogo)不同根段的PME活性的差異Fig.6　Difference in enzyme activity of PME in root segments of Al resistant cultivar Alaska and Al sensitive cultivar Hyogo

3　討論與結(jié)論

3.1豌豆不同品種和不同根段的耐鋁性差異

植物根系伸長(zhǎng)的抑制是鋁毒最敏感和最易觀察到的典型癥狀，而胼胝質(zhì)作為植物應(yīng)激反應(yīng)的一部分，在植物受傷或各種脅迫時(shí)能夠快速、 大量地合成，由于鋁毒作用會(huì)誘導(dǎo)胼胝質(zhì)的大量產(chǎn)生，因而通常認(rèn)為胼胝質(zhì)含量是衡量根尖鋁毒害程度的敏感指標(biāo)[17]。本研究結(jié)果表明，在15 μmol/L和30 μmol/L AlCl3脅迫下，Alaska主根的根相對(duì)伸長(zhǎng)率均大于Hyogo，并且胼胝質(zhì)含量小于品種Hyogo，說(shuō)明兩品種在耐鋁性上確實(shí)存在差異，其中Hyogo屬鋁敏感品種，Alaska屬耐鋁品種，結(jié)果與Kobayashi等[16]的一致。Sivaguru等提出根尖過(guò)渡區(qū)遠(yuǎn)端為鋁敏感區(qū)域[10]，在豌豆中，根尖02.5 mm根段包括根冠、 分生區(qū)和過(guò)渡區(qū)(李學(xué)文等，未發(fā)表資料)，主要進(jìn)行細(xì)胞有絲分裂和為細(xì)胞伸長(zhǎng)做準(zhǔn)備；2.55 mm根段為伸長(zhǎng)區(qū)，主要進(jìn)行植物細(xì)胞的伸長(zhǎng)； 510 mm根段為成熟區(qū)，主要進(jìn)行水和養(yǎng)分的吸收。本研究結(jié)果中，不同根段中的鋁含量表現(xiàn)出由根尖向上依次遞減，02.5 mm段根尖鋁含量顯著高于其他根段，是根尖鋁敏感根段。

3.2豌豆不同根段鋁敏感性與果膠含量和甲酯化程度的關(guān)系

植物根系的不同部位對(duì)鋁毒的敏感性存在差異[18]，耐鋁性差異與果膠含量和果膠甲基酯化度密切相關(guān)[6-7, 19]。本研究表明，不同根段間果膠糖醛酸含量和果膠甲基酯化度在不同根段均存在差異，根尖不同根段中果膠含量和果膠甲基酯化程度均為02.5 mm>2.55.0 mm>5.05.0 mm，根段鋁敏感性與果膠糖醛酸正相關(guān)，與果膠甲基酯化度負(fù)相關(guān)，與前人研究[6]并不完全一致。不同根段果膠含量和甲基酯化度的差異可能與不同根段所對(duì)應(yīng)的根區(qū)及根區(qū)功能相關(guān)。越靠近根尖部位，植物生理活動(dòng)越活躍，細(xì)胞的有絲分裂和細(xì)胞伸長(zhǎng)過(guò)程都伴隨大量細(xì)胞壁的生成，而新生果膠均為高度酯化，在PME作用下脫甲基，伴隨細(xì)胞伸長(zhǎng)成熟，果膠甲酯化度降低。因此我們認(rèn)為不同根段間果膠含量和果膠甲基酯化度的差異是由不同根段及根段所對(duì)應(yīng)區(qū)域的功能所決定的，鑒于02.5 mm區(qū)域功能和果膠含量最高，盡管其果膠甲基酯化度較高，未甲基酯化果膠依然最高，表明細(xì)胞壁果膠吸附鋁的位點(diǎn)較多，分析表明鋁累積與未甲基酯化果膠相關(guān)性高于與總果膠的相關(guān)性，因此根尖根段鋁敏感性與未甲酯化果膠含量呈正比，02.5 mm根段鋁敏感性最高。

3.3豌豆不同品種耐鋁差異與果膠含量和甲酯化程度的關(guān)系

本研究表明，兩個(gè)品種果膠糖醛酸含量和果膠甲基酯化度存在差異，Hyogo品種根尖02.5 mm和2.55.0 mm根段果膠含量顯著高于Alaska品種，02.5 mm段果膠甲基酯化度顯著低于Alaska品種。品種Alaska根尖02.5 mm和2.55.0 mm根段因?yàn)榫哂休^低果膠含量和較高果膠甲酯化度，所以表現(xiàn)出更低未甲酯化果膠含量，因此在鋁毒條件下表現(xiàn)出低鋁累積和低胼胝質(zhì)含量為耐鋁品種。這與對(duì)玉米和水稻等耐鋁性/鋁敏感性的研究結(jié)果一致[6]。Eticha等[19]發(fā)現(xiàn)不同耐鋁性玉米品種根尖細(xì)胞壁果膠含量和果膠甲基酯化度存在明顯差異，鋁敏感品種中果膠含量高于耐鋁品種，果膠甲酯化度低于耐鋁品種，指出鋁敏感型品種 Lixis 根尖中高果膠含量和低比例的甲基化果膠可能是其鋁敏感的原因。

3.4PME和果膠甲基酯化度的關(guān)系

PME廣泛存在于高等植物中，它的作用是水解果膠分子中甲酯化的羧基，通過(guò)脫甲基化來(lái)降低甲基酯化度(Pectin-COOCH3+2H2OPectin-COO++H3O+ +CH3OH)[20]。本研究結(jié)果表明，不同根段間PME活性存在顯著差異，依次是02.5 mm>2.55.0 mm>5.010.0 mm，不同品種間也存在差異，Hyogo 根尖02.5 mm和2.55.0 mm根段均高于Alaska。因此Hyogo果膠甲基酯化度低于Alaska。這與Schmohl等[21]的研究結(jié)果一致，表明根尖細(xì)胞壁PME活性越高，果膠甲基酯化程度越低，說(shuō)明根段或品種間果膠甲基酯化度的差異是PME活性不同引起的。

總之，根段或品種間耐鋁性差異是由根尖未甲酯化果膠含量決定的，而未甲酯化果膠含量又受根尖細(xì)胞壁果膠含量和果膠甲酯化度影響。根尖(尤其是02.5 mm根段)低果膠含量和低果膠甲基酯化酶活性導(dǎo)致的高果膠甲基酯化度是豌豆不同耐鋁品種的重要耐鋁機(jī)制。本研究揭示果膠和PME在植物耐鋁機(jī)制中的作用，為進(jìn)一步揭示植物耐鋁機(jī)理以及耐鋁性狀的遺傳改良提供依據(jù)。

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Differences of pectin content and methylation in root cell wall of pea(Pisumsativum) cultivars with different Al tolerance

LI Xue-wen1, 2, LI Ya-lin1, 2, YANG Jin1, 2, WU Li-shu2, XIAO Hong-dong1, FENG Ying-ming1, LIU Jia-you1, YU Min1*

(1DepartmentofHorticulture,FoshanUniversity,Foshan,Guangdong528000，China；2CollegeofResourceandEnvironment,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China)

【Objectives】 The study investigated the relationship between changes of cell wall pectin, pectin methyl esterification degree and aluminum tolerance in different cultivars of pea (Pisumsativum) to provide theoretical evidences how genetic differences affected aluminum tolerance during plant growth. 【Methods】 All cultivars were cultivated by mist under 24℃ growth chamber for 24 h after seed soaking. The root was divided into three segments: 0-2.5 mm, 2.5-5.0 mm and 5.0-10.0 mm. Pectin content, methyl esterification degree and the activity of pectin methylesterase (PME) were measured in different root segments of cultivar Hyogo and cultivar Alaska. Relative elongation rate (RER), callose and Al content were also tested to compare Al tolerance in different root zones and cultivars of pea. 【Results】 The RER of Alaska cultivar were significantly higher than Hyogo under Al concentration of 15 μmol/L and 30 μmol/L. And, the callose and Al of 0-5 mm or 5-10 mm segments in Alaska cultivar were accumulated much less than Hyogo. This result confirmed that the Alaska was an Al resistant cultivar and Hyogo was an Al sensitive cultivar. Alaska showed lower Al contents in all segments. In the meantime, the different Al levels between two species were showed significantly in 2.5-5.0 mm and 5.0-10.0 mm segments. Uronic acid content in cell wall pectin was found decreasing sequentially from segment 0-2.5 mm to 5.0-10.0 mm in both pea species. Alaska was measured lower cell wall pectin and un-methylated pectin compared with Hyogo, especially in segment 0-2.5 mm. The activity of PME also decreased successively from segment 0-2.5 mm to 5.0-10.0 mm in both Alaska and Hyogo. The degree of pectin methylation was significantly higher in 0-2.5 mm root segment than the other root segments in Alaska. Alaska had relatively lower content of uronic acid, lower activity of PME, and higher degree of pectin methylation, especially in 0-2.5 mm root segment. 【Conclusions】The key factor for pea cultivars shows Al tolerance or Al sensitive could be pectin content and methylation level in 0-2.5 mm root segment. Hyogo is highly sensitive to Al, which contained higher pectin in 0-2.5 mm root segment. The relatively lower pectin content and high methylation, especially in 0-2.5 mm, of Alaska associated with Al tolerance characterize.

pea; Al tolerance; cell wall pectin; degree of pectin methylation; pectin methylesterase

2014-11-25接受日期： 2015-07-20網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2015-12-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31172038)；教育部科技研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目(210154)；廣東省省級(jí)重大科研項(xiàng)目(2014KZDXM061)資助。

李學(xué)文(1987—)，男，山東臨沂人，博士研究生，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)生理研究。

Tel： 0757-85501986， E-mail: xuewen_1024@163.com。*通信作者 Tel： 0757-85501986， E-mail： yumin@fosu.edu.cn

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1008-505X(2016)03-0729-07