蘋果根系鈣素吸收特性及其激素調(diào)節(jié)第八專題蘋果根系鈣素吸收特性及其激素調(diào)節(jié)第八專題1目次

傳統(tǒng)鈣觀點(diǎn)的缺陷

湖北海棠根系鈣吸收特性

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制劑對根系鈣吸收的影響

生長素對根系鈣素吸收的調(diào)節(jié)

Ca2+與Ca2+-ATPase的亞細(xì)胞定位

生長素促進(jìn)根系吸收鈣可能機(jī)制7、植物鈣素吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)（概要）目次傳統(tǒng)鈣觀點(diǎn)的缺陷2

傳統(tǒng)鈣觀點(diǎn)的缺陷鈣對果實(shí)的影響遠(yuǎn)大于N、P、K、Mg等元素。鈣營養(yǎng)失調(diào)會引起多種生理病害，造成蘋果品質(zhì)下降，使果實(shí)表現(xiàn)出各種各樣的缺鈣癥，如苦豆病、水心病、木栓斑點(diǎn)病、虎皮病等。但多數(shù)情況下土壤并不缺鈣，其可溶態(tài)含量遠(yuǎn)高于P、K、Mg等元素，果實(shí)缺鈣也不意味土壤鈣素不足，什么原因造成果實(shí)缺鈣呢？一種元素到達(dá)靶器官需經(jīng)過吸收、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，吸收是第一步，也是關(guān)鍵的一步。傳統(tǒng)鈣觀點(diǎn)的缺陷鈣對果實(shí)的影響遠(yuǎn)大于N、P、K、3傳統(tǒng)觀念認(rèn)為Ca2+的吸收運(yùn)輸是一個被動過程，因?yàn)橥凰厥聚櫛砻鳎姸嗪粑种苿┠軌蛞种芇、K進(jìn)入細(xì)胞原生質(zhì)體，而對Ca2+沒有明顯影響；并且蒸騰速率明顯影響鈣素的吸收量。

實(shí)際上傳統(tǒng)觀念存在如下三個問題：傳統(tǒng)觀念認(rèn)為Ca2+的吸收運(yùn)輸是一個被動過程，因?yàn)橥?1）試驗(yàn)以45Ca放射性強(qiáng)度反應(yīng)Ca2+吸收程度，這會因離子交換產(chǎn)生吸收假象。2）抑制劑能夠抑制P、K進(jìn)入細(xì)胞原生質(zhì)體，因?yàn)镻、K離子泵是內(nèi)向性的，而Ca2+是外向性的，抑制劑會阻止Ca2+流出細(xì)胞，不僅Ca2+進(jìn)入細(xì)胞不會受到抑制，還有可能出現(xiàn)Ca2+吸收被抑制劑促進(jìn)的假象。3）將細(xì)胞Ca2+吸收的試驗(yàn)結(jié)果簡單推廣為根系Ca2+吸收。1）試驗(yàn)以45Ca放射性強(qiáng)度反應(yīng)Ca2+吸收程度，這5細(xì)胞離子吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)Ca2+

液泡

Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+H+H+質(zhì)膜Ca2+通道Ca2+-ATPaseCa2+/H+交換器液泡膜細(xì)胞壁細(xì)胞離子吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)Ca2+液泡Ca2+Ca2+Ca26實(shí)際上細(xì)胞的Ca2+吸收、根系的Ca2+吸收與整個植株的Ca2+吸收不同。事實(shí)上Faust等人已經(jīng)觀察到蘋果Ca2+吸收需要大量光合產(chǎn)物，認(rèn)為從整體上看Ca2+吸收是一個需能過程。只有整個植株Ca2+吸收中的導(dǎo)管運(yùn)輸才是比較典型的被動過程。根系Ca2+吸收是整個植株Ca2+吸收的關(guān)鍵，其特性需要進(jìn)一步探明。實(shí)際上細(xì)胞的Ca2+吸收、根系的Ca2+吸收與整個植7根系離子吸收----

離子橫向穿根運(yùn)輸過程

根系離子吸收的三條途徑單純共質(zhì)體途徑：沿胞間連絲擴(kuò)散（速度很慢）單純質(zhì)外體途徑：沿胞間隙擴(kuò)散，主要存在于凱氏帶尚未形成的根系的幼嫩部分，速度很快，但因?qū)Ч苌形窗l(fā)育完善，該區(qū)轉(zhuǎn)運(yùn)作用最小，吸收的離子會在此積聚。共質(zhì)體與質(zhì)外體交替轉(zhuǎn)運(yùn)：經(jīng)過進(jìn)出細(xì)胞過程，需要跨越質(zhì)膜屏障（如內(nèi)皮層細(xì)胞質(zhì)膜，木質(zhì)薄壁細(xì)胞與導(dǎo)管之間的膜間隔），需要離子泵參與。根系離子吸收----

離子橫向8離子橫向穿根運(yùn)輸過程Ca2+導(dǎo)管質(zhì)外體運(yùn)輸途徑共質(zhì)體運(yùn)輸途徑凱氏帶Ca2+Ca2+細(xì)胞壁

表皮皮層內(nèi)皮層木質(zhì)薄壁細(xì)胞導(dǎo)管

離子橫向穿根運(yùn)輸過程Ca2+導(dǎo)質(zhì)外體運(yùn)輸途徑9近年來植物鈣素研究主要集中在細(xì)胞和分子水平，但整株水平上的鈣素吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)和分配對于鈣素功能的實(shí)現(xiàn)也非常重要。植物出現(xiàn)缺鈣癥狀主要是鈣素的吸收運(yùn)轉(zhuǎn)不暢造成的。近年來植物鈣素研究主要集中在細(xì)胞和分子水平，但整株10

湖北海棠根系鈣吸收特性1、根系鈣吸收的動力學(xué)特征

在供鈣濃度0.02~0.5mmol/L范圍內(nèi)，鈣吸收速率與鈣濃度的關(guān)系，符合米氏酶動力學(xué)模型。離體根：I=1.18

C/(30.6+C)湖北海棠根系鈣吸收特性1、根系鈣吸收的動力學(xué)特征

在供鈣112、代謝抑制劑對根系鈣素吸收的影響表12,4-二硝基酚對連體根根系鈣素吸收速率的影響Table1Effectof2,4-DNPonCa2+absorptionrateofappleintactroots供鈣濃度吸鈣速率抑制率CalciumCa2+absorptionrateInhibitionConcentration(

mol/(dm2

h))rate(%)(mmol/L)CK2,4-DNP

0.21.010.03896.22.01.670.2982.6 2、代謝抑制劑對根系鈣素吸收的影響123、溫度對離體根鈣吸收動力學(xué)的影響

低供鈣濃度下15

C~20

C時離體根

值和鈣吸收速率最高。表2溫度對低供鈣濃度下離體根鈣素吸收動力學(xué)的影響Table2EffectoftemperatureonkineticsofCa2+uptakeinexcisedrootsunderlowerCa2+concentrationTemperature(

C)101520253035Km(

mol/dm3)33.830.830.531.834.635.9Imax(

mol/(dm2

h))1.151.361.371.201.121.01

(mm/h)3.404.414.493.773.232.81 3、溫度對離體根鈣吸收動力學(xué)的影響

低供鈣濃度下15C~134、Ca2+-ATPase活性與鈣吸收相關(guān)1）在一定范圍內(nèi)，鈣吸收速率均隨Ca2+-ATPase活性升高而升高，它們存在顯著正相關(guān)關(guān)系：y=0.012x-0.045,

相關(guān)系數(shù)R=0.9667。2）質(zhì)膜Ca2+-ATPase抑制劑EB處理后根系與鈣離子的親和性及根系鈣素吸收速率均顯著下降：TreatmentKm(

mol/dm3)Imax(

mol/dm2.h)

(mm/h)EB39.50.832.1CK30.81.254.06 4、Ca2+-ATPase活性與鈣吸收相關(guān)1）在一定范圍內(nèi)，145、不同根類鈣素吸收動力學(xué)參數(shù)以根系表面積為單位計算的吸收根和延長根的鈣吸收能力相近，而木質(zhì)根

值為吸收根和延長根的54%左右，鈣吸收能力較低。根類吸收根延長根木質(zhì)根RoottypeAbsorbingrootsExtensiverootsLigniferousrootKm(

mol/dm3)33.133.638.8 Imax (

mol/(dm2

h))

1.351.380.86

(mm/h)4.084.112.22 5、不同根類鈣素吸收動力學(xué)參數(shù)以根系表面積為單位計算的吸收根15小結(jié)：

從“根系鈣吸收的動力學(xué)特征”、“代謝抑制劑對根系鈣素吸收的影響”、“溫度對離體根鈣吸收的影響”、“Ca2+-ATPase活性與鈣吸收的關(guān)系”這幾個方面可以看出，低供鈣濃度（0.02~0.5mmol/L）范圍內(nèi)，根系鈣離子吸收受代謝控制，是主動過程。

小結(jié)：

從“根系鈣吸收的動力學(xué)特征”、“代16此外，盡管鈣吸收一般僅局限于幼根，但木質(zhì)根也有一定的吸鈣能力，而且它在整個根系中占很大比例，所以，木質(zhì)根對鈣吸收的貢獻(xiàn)不容忽視。根系在15~20

C吸收鈣素的能力最強(qiáng)，這個溫度與初春蘋果果實(shí)吸收鈣的高峰時的溫度相近；晚秋地溫下降，根據(jù)根系吸鈣對溫度的要求，秋季也應(yīng)該是促進(jìn)鈣吸收的重要時期。

此外，盡管鈣吸收一般僅局限于幼根，但木質(zhì)根也有一定的吸鈣能力17

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制劑對根系鈣吸收的影響1、鈣離子通道抑制劑異博定和尼福地平處理后，根系鈣吸收能力明顯下降。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制劑對根系鈣吸收的影響1、鈣離子通道抑制劑異博182、陰離子通道抑制劑抑制根系鈣吸收2、陰離子通道抑制劑抑制根系鈣吸收193、鈣調(diào)素抑制劑CPZ和TFP均削弱了根系吸收鈣素的能力3、鈣調(diào)素抑制劑CPZ和TFP均削弱了根系吸收鈣素的能力204、蛋白激酶抑制劑Que促進(jìn)根系鈣素吸收，蛋白磷酸酶抑制劑PAO和Van抑制鈣吸收4、蛋白激酶抑制劑Que促進(jìn)根系鈣素吸收，蛋白磷酸酶抑制劑P21

生長素對根系鈣素吸收的調(diào)節(jié)

1、IBA促進(jìn)蘋果根系的鈣素吸收表4.1IBA對盆栽蘋果根葉鈣含量的影響Table4.1TheeffectofIBAonthecontentofCa2+inapple處理后天數(shù)根系鈣含量（mg/gDW）葉片鈣含量（mg/gDW）DaysafterCa2+contentinrootsCa2+contentinleavesTreatmentIBACKIBACK

309.46

0.708.06

0.6112.08

0.7513.47

0.80909.82

0.718.43

0.6415.98

1.0213.86

0.83生長素對根系鈣素吸收的調(diào)節(jié)

1、IBA促進(jìn)蘋果根系的鈣22表4.2IBA對實(shí)生苗根系鈣素吸收動力學(xué)參數(shù)的影響Table4.2EffectofIBAonkineticsofCa2+uptakeinapplerootsIBAKmvalueImaxvalue

valueTreatment(

mol/dm3)(

mol/dm2.h)(mm/h)Treatingbyroots27.81.384.96Treatingbyleaves30.11.314.35Control30.61.203.92 鈣吸收及其調(diào)節(jié)課件232、Ca2+泵和離子通道抑制劑對IBA作用效果的影響2、Ca2+泵和離子通道抑制劑對IBA作用效果的影響243、CaM和蛋白磷酸化抑制劑對IBA作用效果的影響3、CaM和蛋白磷酸化抑制劑對IBA作用效果的影響25

Ca2+與Ca2+-ATPase的亞細(xì)胞定位Ca2+與Ca2+-ATPase的亞細(xì)胞定位261、鈣離子定位鈣離子主要分布于液泡膜及導(dǎo)管內(nèi)緣，IBA處理后細(xì)胞溶質(zhì)有大量鈣離子分布，液泡膜附近與導(dǎo)管內(nèi)緣更多，正在形成的導(dǎo)管腔也有鈣離子，說明IBA處理有利于鈣離子進(jìn)入細(xì)胞和導(dǎo)管。IBA處理后，胞間連絲處亦有鈣離子，兩導(dǎo)管相連處及細(xì)胞相連處也有黑色物質(zhì)沉積，說明IBA處理有利于鈣離子跨細(xì)胞運(yùn)輸。1、鈣離子定位27鈣吸收及其調(diào)節(jié)課件28鈣吸收及其調(diào)節(jié)課件29鈣吸收及其調(diào)節(jié)課件30鈣吸收及其調(diào)節(jié)課件312、Ca2+-ATPase定位

在質(zhì)膜、細(xì)胞溶質(zhì)、細(xì)胞核、核膜、液泡膜及線粒體上，導(dǎo)管內(nèi)緣、導(dǎo)管之間的隔膜、導(dǎo)管與薄壁細(xì)胞之間，以及正在形成的導(dǎo)管和木質(zhì)薄壁細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及細(xì)胞溶質(zhì)中均有Ca2+-ATPase活性，其中質(zhì)膜和導(dǎo)管內(nèi)緣Ca2+-ATPase活性比較高，而且Ca2+-ATPase活性在細(xì)胞之間及細(xì)胞質(zhì)膜不同部位分布很不均勻性，這可能與鈣離子運(yùn)輸?shù)姆较蛐杂幸欢P(guān)系。在高鈣溶液（400

g/g）中培養(yǎng)的根系，細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離，在細(xì)胞質(zhì)膜上及質(zhì)膜與細(xì)胞壁之間的空腔有Ca2+-ATPase的反應(yīng)產(chǎn)物。2、Ca2+-ATPase定位在質(zhì)膜、細(xì)胞溶質(zhì)、細(xì)胞核32IBA處理后質(zhì)膜、導(dǎo)管內(nèi)緣、液泡膜、細(xì)胞溶質(zhì)、細(xì)胞核、胞間隙、導(dǎo)管之間的隔膜、導(dǎo)管與薄壁細(xì)胞之間Ca2+-ATPase活性均有提高，其中質(zhì)膜Ca2+-ATPase活性提高最顯著，導(dǎo)管內(nèi)緣、胞間隙及導(dǎo)管與薄壁細(xì)胞之間的Ca2+-ATPase活性也有一定提高。IBA處理后質(zhì)膜、導(dǎo)管內(nèi)緣、液泡膜、細(xì)胞溶質(zhì)、細(xì)胞33鈣吸收及其調(diào)節(jié)課件34鈣吸收及其調(diào)節(jié)課件35鈣吸收及其調(diào)節(jié)課件36

生長素促進(jìn)根系吸收鈣可能機(jī)制曾認(rèn)為生長素促進(jìn)鈣離子的吸收運(yùn)輸在于激活頂端伸長區(qū)的質(zhì)子泵，形成更多的陽離子交換點(diǎn)，促使鈣離子向頂端伸長區(qū)移動，這能夠解釋鈣離子沿導(dǎo)管向富含生長素的莖端運(yùn)輸(質(zhì)外體運(yùn)輸)，但很難解釋根系用生長素處理的結(jié)果。生長素促進(jìn)根系吸收鈣可能機(jī)制曾認(rèn)為生長素促進(jìn)鈣離37關(guān)于生長素促進(jìn)鈣吸收的機(jī)制，我們認(rèn)為生長素能夠激活吸收鈣離子的質(zhì)外體和共質(zhì)體兩條運(yùn)輸途徑，促進(jìn)質(zhì)外體運(yùn)輸（在導(dǎo)管和胞間隙的運(yùn)輸）的機(jī)制是生長素能夠向細(xì)胞壁分泌大量H+，使細(xì)胞壁變得松弛，松弛的細(xì)胞壁露出更多的Ca2+結(jié)合位點(diǎn)（RCOO-），吸引更多的Ca2+向壁松弛區(qū)轉(zhuǎn)移，原來Ca2+移走后留下的空位由后面的Ca2+填補(bǔ)。關(guān)于生長素促進(jìn)鈣吸收的機(jī)制，我們認(rèn)為生長素能夠激活吸38生長素促進(jìn)共質(zhì)體運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制是：生長素

在質(zhì)膜上被識別

激活蛋白磷酸酶/鈣調(diào)素

激活↙↓↘↙↓↘

H+-ATPase液泡膜Ca2+-ATPase質(zhì)膜Ca2+-ATPase

或Ca2+/2H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)器

形成質(zhì)子梯度Ca2+流入液泡Ca2+排出細(xì)胞，

因反饋抑制作用，激活Ca2+通道Ca2+存入細(xì)胞會有更多的Ca2+排向

濃度低的一側(cè)，使之進(jìn)Ca2+流入細(xì)胞（細(xì)胞鈣吸收）入質(zhì)外體順濃度梯度運(yùn)輸生長素促進(jìn)共質(zhì)體運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制是：39增加新根數(shù)量也是生長素促進(jìn)根系鈣吸收的重要原因Ca2+運(yùn)輸?shù)姆较蛐钥赡苋Q于Ca2+-ATPase在質(zhì)膜與細(xì)胞上分布與活性的不均勻性，細(xì)胞朝向?qū)Ч艿囊粋?cè)質(zhì)膜上以及靠近導(dǎo)管的細(xì)胞或組織中Ca2+-ATPase量更多，活性更高。增加新根數(shù)量也是生長素促進(jìn)根系鈣吸收的重要原因407、植物鈣素吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)（概要）鈣素從根系到冠部的運(yùn)移既經(jīng)過質(zhì)外體也穿越共質(zhì)體，該過程包括根細(xì)胞的鈣吸收、鈣離子橫向穿過根系并進(jìn)入木質(zhì)部、在木質(zhì)部縱向運(yùn)輸、從木質(zhì)部移出并進(jìn)入葉片或果實(shí)及在葉片或果實(shí)中的運(yùn)轉(zhuǎn)分配等環(huán)節(jié)，其中根細(xì)胞的鈣吸收和鈣離子橫向穿過根系并進(jìn)入根系木質(zhì)部導(dǎo)管這一過程研究較多。7、植物鈣素吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)（概要）41鈣離子通道、Ca2+-ATP酶和Ca2+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)器等均參與根細(xì)胞的鈣吸收。根毛增大了根系吸收表面積，根毛直接與土壤環(huán)境接觸，可以通過根毛細(xì)胞上的鈣離子通道吸收鈣離子，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)根毛尖端鈣離子內(nèi)流速率最高。鈣離子通道、Ca2+-ATP酶和Ca2+/H+反向42在鈣離子橫向穿過根皮層進(jìn)入木質(zhì)部的過程中，需要穿越內(nèi)皮層和木質(zhì)部薄壁細(xì)胞組織。內(nèi)皮層的凱氏帶阻擋了鈣離子在質(zhì)外體的移動，鈣離子需要由此通過離子通道轉(zhuǎn)入共質(zhì)體（先進(jìn)入內(nèi)皮層細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)，再經(jīng)胞間連絲傳輸），實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)根細(xì)胞存在多種鈣離子通道。液泡可以通過調(diào)節(jié)細(xì)胞溶質(zhì)的鈣離子濃度而影響鈣離子的共質(zhì)體運(yùn)輸，Ca2+-ATP酶和Ca2+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)器在此起重要作用。在鈣離子橫向穿過根皮層進(jìn)入木質(zhì)部的過程中，需要穿越43內(nèi)皮層的凱氏帶發(fā)育要經(jīng)過三個階段，在第一和第二階段，凱氏帶發(fā)育不完善，物質(zhì)仍可以通過；即使進(jìn)入發(fā)育完善的第三階段，凱氏帶也不是絕對不通透，所以，質(zhì)外體通道在內(nèi)皮層并沒有完全阻斷，仍有鈣離子通過。