柑橘根细胞壁木栓质沉积响应铜毒害的机制研究

The copper toxicity of citrus is related to the over-application of copper-fertilizer and the increasing acidification of soil in orchard, which inhibits the root elongation and results in the depressions on citrus yield and quality. The root cell wall is the most important part for copper toxicity defense. Traditionally, suberin deposition on the cell wall was considered to be responded to stress. Our study preliminarily indicated that excess copper induced suberin deposition on the cell wall of citrus roots formed a double-layer barrier, which is different from the control whereas the related mechanism was scarce based on our on-line retrieval. Regarding the increasing severity of soil acidification in citrus orchard of South China associated with an enhancing risk of copper toxicity on citrus, it is necessary to investigate the adaptive mechanisms of citrus roots against copper toxicity. The project will use citrus seedlings of two different copper tolerance cultivars by the techniques of electron microscope, fluorescence staining, mass spectrum and X-ray photoelectron spectroscopy to study the morphogenesis of suberin deposition on citrus roots cell wall, to unveil the physiological and biochemical mechanisms of suberin deposition on cell wall component regulation and copper transport in response to copper toxicity. The results of this project will enrich stress responsive strategies of citrus, provide theoretical evidences for copper toxicity prevention in acidified citrus orchard and provide scientific instructions for optimized nutrient management on citrus orchard.

柑橘铜毒害与果园过量施铜以及土壤不断酸化有关。铜毒害抑制柑橘根的伸长，制约柑橘产量和质量的提高。根细胞壁是植物应答铜毒害最关键的部位。传统研究认为，木栓质沉积在根细胞壁上参与植物对逆境的响应。我们的研究初步表明，高浓度铜引起木栓质沉积在根细胞壁上形成“双重屏障”的结构有别于对照。根据检索，相关机制方面的报道较少。鉴于我国南方柑橘果园土壤酸化程度逐年增强，柑橘铜毒害风险不断增大，有必要开展柑橘铜毒害适应机制方面的研究。本项目以耐铜差异的柑橘实生苗为试验材料，应用电镜技术，荧光染色分析技术，质谱技术以及X射线能谱等技术，解析柑橘根木栓质沉积应答铜毒害的形态发生机制，明确柑橘根木栓质沉积调控细胞壁主要成分变化与铜毒害响应的生理生化机制，揭示柑橘根木栓质沉积影响铜的转运分配机制。本项目的研究结果可以丰富柑橘逆境应答策略，为防控酸化柑橘果园铜毒害提供理论依据，为优化柑橘果园养分管理提供科学指导。

铜是高等植物生长发育必需的微量营养元素之一。在福建柑橘主产区，由于过量施用含铜菌剂以及偏施化肥，少施有机肥等造成柑橘园土壤逐年酸化，铜超标现象普遍。目前，有关柑橘响应铜毒害的相关机制仍少有报道。本项目以砂培的雪柑(Citrus sinensis)和沙田柚(Citrus grandis)实生苗为试验材料，设置连续18周含铜量分别为0.5 µM（对照）和300 µM（过量铜）的铜砂培处理(pH=4.3-4.5)，主要研究内容包括1). 过量铜对两柑橘品种幼苗生长和光合表现的影响；2). 铜在柑橘幼苗不同组织水平（主根、侧根、茎和叶）、侧根亚细胞水平（细胞壁、细胞器和可溶性部分）以及侧根细胞壁多糖组分（果胶、半纤维素I、半纤维素II和纤维素）上的分布特征；3). 过量铜对柑橘根细胞壁微结构（厚度、化学基团构成和木栓质沉积等）变化的影响; 4). 过量铜对柑橘幼苗叶和根超微结构的影响。主要研究结果包括1). 过多铜离子显著抑制两柑橘品种幼苗的生长并降低光合效率。铜处理的沙田柚叶片光合表现强于雪柑叶片与其维持稳定的PS II结构以及较高的电子传递效率有关。2). 300 µM铜处理下，柑橘幼苗侧根可溶性部分和细胞壁果胶对铜的固定降低了铜向地上部的运输。3). 相比雪柑，提高细胞壁含量，增厚细胞壁，强化木栓质沉积以及促进细胞壁对铜的吸附是沙田柚耐强化铜固定，减少铜迁移的主要机制。4). 沙田柚耐铜性强于雪柑与其叶片维持较完整的叶绿体和线粒体超微结构以及强化根木质部堵塞，减少铜迁移有关。总之，本项目从光合生理表现，铜离子迁移与分布，以及超微结构变化等方面揭示了柑橘苗对过量铜的响应机制。研究结果可为防控酸化柑橘果园铜毒害提供理论依据，为优化柑橘果园养分管理提供科学指导。