不定根不同細(xì)胞類型的徑向K、Na和Cl濃度

確定了在停滯溶液中的根，其根的中柱和尖端區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重O?缺乏后，我們?cè)u(píng)估了這些組織中O?缺乏是否影響細(xì)胞特異性K、Na和Cl濃度。測(cè)量了不定根（圖2i,j）中不同細(xì)胞類型的K、Na和Cl的液泡濃度（參見(jiàn)結(jié)果部分；cf.Lauchli et al.,2008），采樣位置在根尖后方10 mm和50 mm處。測(cè)量徑向離子剖面的根解剖結(jié)構(gòu)包括表皮、皮層和中柱（圖2i,j）。皮層包括亞表皮、六到八層皮層細(xì)胞和一個(gè)內(nèi)皮層（圖2j）。中柱中研究的細(xì)胞包括周細(xì)胞、木質(zhì)部薄壁細(xì)胞和木質(zhì)部導(dǎo)管。木質(zhì)部由幾個(gè)外周后生木質(zhì)部導(dǎo)管（早期后生木質(zhì)部）和3-6個(gè)中心后生木質(zhì)部（晚期后生木質(zhì)部）導(dǎo)管組成（圖2i）。

鉀-距根尖10 mm在通氣非鹽根中，表皮和皮層細(xì)胞的鉀濃度相似，平均為57±3.5 mmol kg?1等效鮮重（圖4a）。鉀在周細(xì)胞和木質(zhì)部薄壁細(xì)胞中最高（平均135±6.8 mmol kg?1），并向木質(zhì)部導(dǎo)管方向下降，在中心后生木質(zhì)部導(dǎo)管中最低（37±4 mmol kg?1）。通氣含鹽根中細(xì)胞的K濃度與通氣非鹽根中的細(xì)胞沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P=0.4）。停滯處理導(dǎo)致根內(nèi)鉀剖面與通氣處理中的不同，在兩種停滯處理的根中，周細(xì)胞的鉀濃度顯著降低（P<0.0001）。在這些缺氧根中，K有從亞表皮穿過(guò)皮層增加的趨勢(shì)，盡管在周細(xì)胞中相對(duì)較低（45pm 3.5 mmol kg^{-1}），但在木質(zhì)部薄壁細(xì)胞（127±7 mmol kg?1）和中心后生木質(zhì)部導(dǎo)管（38±6 mmol kg?1）中，K與通氣根中的濃度一樣高。

鉀-距根尖50 mm在通氣非鹽根中，表皮、亞表皮、外皮層和中皮層的K濃度相似（平均36±3 mmol kg?1；圖4b）。鉀濃度隨后在內(nèi)皮層和內(nèi)皮層中增加，在周細(xì)胞中達(dá)到最高水平（152±10 mmol kg?1），并向木質(zhì)部導(dǎo)管方向下降，在中心后生木質(zhì)部中達(dá)到最低水平（29±3 mmol kg?1）。通氣含鹽根中相應(yīng)的鉀剖面模式與非鹽根相似，但通氣含鹽根中周細(xì)胞、木質(zhì)部薄壁細(xì)胞和外周后生木質(zhì)部導(dǎo)管的鉀濃度平均比這些細(xì)胞在通氣非鹽根中高70%（P<0.05）。在兩種停滯處理的根中，K濃度在皮層中與通氣根相似，但在周細(xì)胞、木質(zhì)部薄壁細(xì)胞和外周后生木質(zhì)部導(dǎo)管中顯著降低（P<0.0001）。

木質(zhì)部鉀濃度及關(guān)于木質(zhì)部成熟度的說(shuō)明在所有處理中，距離根尖10 mm處的外周和中心后生木質(zhì)部導(dǎo)管中的鉀濃度都相對(duì)較高，表明這些導(dǎo)管可能尚未成熟，含有細(xì)胞內(nèi)容物而不是木質(zhì)部汁液（圖4a）。這與Huang&Van Steveninck(1988)的研究一致，他們報(bào)道了在通氣營(yíng)養(yǎng)液中生長(zhǎng)的年輕大麥幼苗種子根距離根尖10 mm處，木質(zhì)部導(dǎo)管中鉀濃度很高。在他們的研究中，距根尖50 mm處外周后生木質(zhì)部的K濃度下降，但在距離根尖達(dá)150 mm處中心后生木質(zhì)部的K濃度仍保持較高水平。對(duì)于本研究中的根，我們不確定距離根尖50 mm處的木質(zhì)部導(dǎo)管是否成熟。在14-17天水培生長(zhǎng)的大麥幼苗不定根（最大長(zhǎng)度75 mm）中，軸向水力阻力從根尖開(kāi)始隨距離增加而降低，直到距根尖約60 mm處，表明直到這個(gè)位置并非所有木質(zhì)部導(dǎo)管都已成熟（Knipfer&Fricke,2011）。在本研究中，在距離根尖50 mm處，外周后生木質(zhì)部的鉀濃度在通氣溶液中生長(zhǎng)的根中往往高于在停滯溶液中生長(zhǎng)的根（圖4b）。對(duì)于停滯處理中生長(zhǎng)較慢的根，在距離根尖相同距離處的組織會(huì)比通氣處理中生長(zhǎng)較快的根更老。因此，在停滯處理中，生長(zhǎng)較慢的根，其木質(zhì)部導(dǎo)管可能在更靠近根尖處成熟。

鈉-距根尖后方10 mm非鹽根中的鈉濃度在所有分析的細(xì)胞中都很低，無(wú)論是通氣還是停滯處理，均不超過(guò)12 mmol kg?1（圖4c）。在通氣含鹽處理的根中，鈉濃度在表皮、亞表皮和外皮層中最高（平均103±10 mmol kg?1），在中皮層向內(nèi)的細(xì)胞和木質(zhì)部導(dǎo)管中較低（平均20±1.5 mmol kg?1）（圖4c）。停滯含鹽根中相應(yīng)的Na剖面與通氣含鹽根中的顯著不同（P<0.0001）。停滯含鹽根中表皮和亞表皮的Na濃度平均比通氣含鹽根中低47%，外皮層相似，但從中皮層向內(nèi)到木質(zhì)部導(dǎo)管的細(xì)胞中平均高300%（P<0.05）。

鈉-距根尖后方50 mm在非鹽根中，通氣處理和停滯處理的所有分析細(xì)胞中鈉濃度都很低，均不超過(guò)10 mmol kg?1（圖4d）。在通氣含鹽根中，表皮、亞表皮、外皮層和中皮層細(xì)胞中的Na含量低且相似（平均33±1 mmol kg?1），然后在內(nèi)皮層和內(nèi)皮層中急劇增加，在周細(xì)胞中達(dá)到最高濃度（172±13 mmol kg?1），隨后向木質(zhì)部導(dǎo)管急劇下降，在中心后生木質(zhì)部中降至最低濃度（21±3 mmol kg?1）。對(duì)于停滯含鹽處理中的根，直到木質(zhì)部薄壁細(xì)胞的Na濃度在根內(nèi)細(xì)胞中相似（平均56±2 mmol kg?1），但在木質(zhì)部導(dǎo)管中降至26±0 mmol kg?1。

與通氣含鹽根在距根尖10 mm和50 mm處顯示出不同的Na剖面模式（P<0.0001；圖4c,d）相反，停滯含鹽根在距根尖10 mm和50 mm處的剖面沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P=0.7；圖4c,d）。此外，在停滯含鹽根中，在兩個(gè)位置，Na濃度在根內(nèi)分布更均勻，因此，對(duì)于停滯含鹽處理中的根，沒(méi)有表現(xiàn)出通氣根中描述的那種明顯的細(xì)胞類型差異。

鉀鈉比-距根尖后方10 mm K:Na比率在通氣非鹽根中最高，從表皮的2.2到周細(xì)胞的23不等（圖4e）。鹽度和停滯處理都導(dǎo)致K:Na比率降低：在通氣含鹽和停滯非鹽根的細(xì)胞中，比率（分別）從亞表皮的0.4和0.7到周細(xì)胞的8.2和14.5變化，

鉀鈉比-距根尖后方50 mm在通氣非鹽根中，從中皮層向外細(xì)胞的K:Na比率相對(duì)較低（平均值約2），在周細(xì)胞中達(dá)到最高值（15），并向木質(zhì)部導(dǎo)管下降，在中心后生木質(zhì)部中最低（2.5）。停滯非鹽根中，表皮和皮層的K:Na比率較低（平均2.3），在周細(xì)胞和木質(zhì)部薄壁細(xì)胞中升至約6，在木質(zhì)部導(dǎo)管中降至約2.5。通氣含鹽和停滯含鹽處理的根中，所有細(xì)胞的比率均較低（平均0.7）。

氯離子-距根尖后方10 mm非鹽根中的氯離子濃度較低（通氣根：14±0.7 mmol kg?1；停滯根：7±0.5 mmol kg?1）（圖4g）。通氣含鹽溶液中，所有細(xì)胞的Cl濃度升高至平均87pm 4,mmol,kg^{-1}（P<0.05），但木質(zhì)部導(dǎo)管中仍較低（27±4 mmol kg?1）。停滯含鹽根的Cl濃度在表皮、亞表皮和外皮層比通氣含鹽根低約48%，但在其他細(xì)胞中相似；木質(zhì)部導(dǎo)管的Cl濃度高出3倍（83±8 mmol kg?1）。通氣含鹽根中，表皮/亞表皮的高Cl濃度與高Na形成電荷平衡（圖4c），而Cl在整個(gè)根半徑保持較高水平，可能與內(nèi)部細(xì)胞高K濃度相關(guān)（圖4a）。

氯離子-距根尖后方50 mm非鹽根中，表皮至中皮層細(xì)胞的Cl濃度較低（平均12±0.7 mmol kg?1；圖4h）。停滯非鹽根中Cl保持低位，而通氣非鹽根中Cl在內(nèi)皮層和內(nèi)皮層顯著增加，在周細(xì)胞中達(dá)峰值（65±3 mmol kg?1）。通氣含鹽根中，表皮至中皮層細(xì)胞Cl濃度相似（37±2 mmol kg?1），隨后在內(nèi)皮層急劇上升，在周細(xì)胞中最高（278±14 mmol kg?1），最終在中心后生木質(zhì)部降至45±3 mmol kg?1。停滯含鹽根中，Cl濃度在所有細(xì)胞中較均勻（平均50±2.5 mmol kg?1），在中心后生木質(zhì)部為21±0.8 mmol kg?1。

關(guān)于蒸騰作用對(duì)木質(zhì)部離子濃度影響的說(shuō)明

X射線顯微分析樣品在實(shí)驗(yàn)室采集（蒸騰速率低于溫室）。根尖區(qū)（10 mm）因木質(zhì)部未成熟呈"水力隔離"狀態(tài)（Frensch&Steudle,1989），離子濃度受蒸騰影響小。距根尖50 mm處部分木質(zhì)部或已成熟，蒸騰降低可能提高絕對(duì)離子濃度（Munns,1985），但處理間比較仍具參考價(jià)值。

不定根整體組織離子濃度

為補(bǔ)充細(xì)胞特異性數(shù)據(jù)，測(cè)定了不定根整體離子濃度（圖5）。

?K濃度：通氣非鹽、通氣含鹽和停滯非鹽處理相似（76-105 mmol L?1組織水）；停滯含鹽處理降至對(duì)照的34%（P<0.05）（圖5）。

?Na濃度：通氣/停滯非鹽處理均低（22-26 mmol L?1）；通氣含鹽和停滯含鹽處理分別比對(duì)照高5.1倍和3.5倍（P<0.05）。

?Cl濃度：非鹽處理中較低（6-10 mmol L?1）；含鹽處理比對(duì)照高10-12倍（P<0.05）。

K:Na比率（表2）：

通氣非鹽根最高（4.6）；停滯含鹽根最低（0.4）。鹽度和缺氧均顯著降低該比率（P<0.05）。

表2大麥不定根K:Na比率

處理K:Na比率

通氣非鹽4.6±0.06a

通氣含鹽0.7±0.05b

停滯非鹽4.0±0.08c

停滯含鹽0.4±0.03b

（不同字母表示顯著差異，P<0.05）

討論

鹽度與缺氧顯著影響大麥根離子分布。微電極剖面（圖3）證實(shí)停滯溶液中根的中柱和根尖區(qū)O?缺乏最嚴(yán)重（孔隙度14-19%，表1）。缺氧降低K:Na比率（表2；圖4e,f），停滯含鹽根中該比率低至0.4（表2），細(xì)胞水平僅0.2-1.1（圖4e,f）。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：

1.細(xì)胞特異性Na積累模式

?通氣含鹽根中，距根尖10 mm處Na富集于表皮/外皮層（圖4c），可能減少內(nèi)部細(xì)胞Na暴露（此區(qū)域木質(zhì)部未成熟，水流受限）。

?距根尖50 mm處Na在周細(xì)胞積累（圖4d），與硬粒小麥（Lauchli et al.,2008）和葡萄（Storey et al.,2003）一致，表明周細(xì)胞限制Na向木質(zhì)部運(yùn)輸。

?停滯含鹽根中Na分布均勻（圖4c,d），缺氧可能抑制液泡區(qū)室化（依賴H?-ATP酶供能）及質(zhì)膜SOS1介導(dǎo)的Na?外排。

2.K裝載的細(xì)胞位點(diǎn)

通氣條件下，周細(xì)胞和木質(zhì)部薄壁細(xì)胞均積累高K（圖4a,b），表明二者參與K向木質(zhì)部裝載。缺氧降低周細(xì)胞K濃度（圖4b），證實(shí)該過(guò)程依賴能量。

3.徑向O?擴(kuò)散屏障

微電極剖面（圖3）顯示表皮/中柱組織對(duì)O?擴(kuò)散的高阻力導(dǎo)致pO?陡降。停滯溶液中，距根尖40 mm以遠(yuǎn)區(qū)域中柱嚴(yán)重缺氧（pO?≤0.2 kPa），限制呼吸供能。

結(jié)論

中柱缺氧抑制周細(xì)胞和木質(zhì)部薄壁細(xì)胞的能量依賴性K裝載。鹽脅迫下，周細(xì)胞對(duì)Na/Cl轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控因缺氧受損。根尖區(qū)Na在外層細(xì)胞的積累（通氣條件）可減少內(nèi)部細(xì)胞Na暴露，但該機(jī)制在缺氧時(shí)失效。