淹水胁迫下小麦根气体通道建成中细胞壁降解和Ca2+及相关功能蛋白的定位研究

前期的研究表明，小麦孕穗期湿害可诱导根系皮层细胞编程性死亡，进而建成气体通道。本研究利用细胞学和分子细胞生物学等多种研究技术，深入探究根皮层气体通道建成机理和不同小麦品种耐湿差异产生的细胞学原因。包括：1）研究根皮层细胞壁降解的超微结构特征，重点分析液泡、内质网、高尔基体等细胞器在细胞壁降解中的作用；弄清纤维素酶、果胶酶活性与胞壁降解关系，阐明根皮层气体通道建成的细胞学机制。2）研究Ca2+和相关功能蛋白（如Ca2+-ATPase、CaM等）分布与根皮层细胞壁降解的关系，并分析它们在气体通道建成中的作用。3）研究纤维素酶、果胶酶、CaM等功能蛋白基因在中皮层不同细胞中的特异性表达，揭示气体通道建成的分子机理。4）不同耐湿品种上述过程发生时间、部位和程度上的差异，找到品种耐湿性差异的分子细胞学依据。探讨植物细胞编程性死亡功能与作物抗性生理的关系，深化小麦抗湿栽培和育种理论。

前期的研究表明，小麦孕穗期湿害可诱导根系皮层细胞编程性死亡，进而建成气体通道。利用多学科技术，深入探究了气体通道建成和小麦耐湿生物学机制，得到如下主要结论。①超微结构研究发现，淹水处理导致形成通气组织的根皮层细胞壁变薄，呈现电子透明。降解残留的细胞壁呈现辐射状，不发生降解的径向细胞壁叠合形成通气组织支架。通气组织起始细胞主要以4th 细胞为主，然后向3rd，和5th层扩展。小麦可通过形成径向氧流失(Radial oxygen loss，ROL) 屏障和建成纵向气体通道的方式应对淹水和低氧胁迫。②淹水早期细胞壁上的纤维素酶和果胶酶活性强，有些部位纤维素酶聚集，在细胞壁上形成降解位点。通气组织形成后（淹水48 h），纤维素酶和果胶酶活性活性明显降低。证明纤维素酶和果胶酶直接参与了细胞壁降解。细胞壁降解产物——多糖的分布与通气组织形成有明显的相关性。③Ca2+荧光检测和定位发现，细胞中Ca2+ 能积极响应淹水胁迫的刺激，是细胞壁降解和通气组织建成启动的直接信号。淹水早期Ca2+ 积聚在内皮层、中柱导管和表皮的细胞壁中；淹水后期Ca2+ 在中柱以及皮层通气组织支架的细胞壁上积累。Ca2+-ATPase和Ca2+ 动态变化表现出一定的时差性。Ca2+ 对淹水胁迫响应迅速，但Ca2+-ATPase动态变化相对滞后。皮层细胞CaM活性变化与Ca2+ 信号时空变化一致，它与Ca2+ 信号一起在细胞壁降解的变化过程中发挥直接作用。④基因表达分析表明，细胞壁修饰相关基因XET、CEL表达量整体上升，其中4~12h表达量逐步升高，且12h表达量达到最高，24~48h表达量逐步下降。推测除果胶酶外，XET和CEL共同参与了细胞壁降解和通气组织的建成。⑤ROS定位表明，细胞内源ROS也积极响应淹水胁迫刺激，并出现规律性动态变化。ROS变化与皮层细胞死亡和气体通道建成密切相关。⑥品种耐湿能力与其根皮层细胞结构有关。淹水胁迫下，耐湿品种多个细胞死亡融合形成一个气腔；气腔之间一列未发生溶解的细胞起支撑作用，通气组织结构牢固，不容易破裂。不耐湿品种气腔间相邻的细胞胞壁不融合，根失去结构完整性，皮层和中柱容易脱落。上述研究从分子细胞生物学的角度探讨了小麦抗淹水胁迫机理，可为小麦抗湿栽培和育种提供理论依据。

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