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2.4質(zhì)膜K通道抑制劑對沙冬青和綠豆幼根根冠細胞膜電位的影響
TEA是一種常用的K通道抑制劑,當浴液中含6 mmol/L TEA就能很快阻斷全細胞內向K電流。本研究考察了TEA對活體植物細胞膜電位的影響(如圖5)。圖5A為對照,即未經(jīng)TEA處理,直接加入100mmol/LNaC1后膜電位變化時(shí)程圖;圖5B是加入TEA 10 min后,再加入100 mmol/L NaC1的膜電位變化時(shí)程圖。
如圖5所示,利用TEA抑制K通道以后再進(jìn)行NaC1處理時(shí),綠豆膜電位去極化雖表現出兩個(gè)階段,但變化不如對照中劇烈。通過(guò)計算兩種處理下膜電位去極化的斜率,我們發(fā)現,沙冬青和綠豆膜電位去極化第2階段的斜率都要小于直接進(jìn)行NaC1處理下的(表5),這應該是細胞內的凈陽(yáng)離子數減少所致。而造成這一現象的原因我們認為是內向K通道被抑制以后,在一定程度上限制了Na跨膜進(jìn)入胞內。通過(guò)比較TEA對沙冬青和綠豆幼根伸長(cháng)生長(cháng)的影響,我們發(fā)現TEA與NaC1共同存在時(shí),幼根伸長(cháng)生長(cháng)受到的抑制程度要小于單獨進(jìn)行NaC1處理的結果。這也進(jìn)一步證明了TEA的存在能夠在一定程度上減輕NaC1對植物造成的傷害,因此我們推測內向K通道可能參與了Na的跨膜轉運過(guò)程。
圖5含TEA的培養液與對照液中100mmol/LNaC1對沙冬青和綠豆細胞膜電位的影響
表5 TEA對沙冬青和綠豆根冠細胞膜電位變化的斜率的影響
3討論
在揭示植物生理生化機理的過(guò)程中,光合作用的研究給了我們啟示。20世紀60年代,人們在研究光量子的原初受體及原初供體時(shí)提出了光化學(xué)反應即光合原初反應,此概念的提出大大促進(jìn)了隨后對光合作用機理的研究進(jìn)程n。因此,我們探討植膜電位的改變可以啟動(dòng)電壓敏感的離子通道,并引發(fā)一系列下游事件(如質(zhì)膜H-ATPase活性的變化)。
前人研究表明,陰離子對膜電位的影響很小n。本實(shí)驗進(jìn)行的不同鹽處理所引入的陰離子均為Cl一,因此,處理后膜電位的變化可以認為是由于外界加入的一價(jià)陽(yáng)離子Na、K和Li的種類(lèi)和濃度差異所引起的。研究結果表明,NaC1、KC1和LiC1都能夠引起植物細胞膜電位升高(去極化),且膜電位的響應很快,幾秒鐘內就完成去極化的過(guò)程,這一過(guò)程主要包括兩個(gè)階段。綜合分析膜電位的變化特點(diǎn),得出如下結論:
1)膜電位的變化能夠更直觀(guān)地反映植物吸收鹽離子的特征與差異。對于抗性差異比較大的沙冬青和綠豆來(lái)說(shuō),無(wú)論外界陽(yáng)離子的種類(lèi)和濃度如何變化,在相同鹽脅迫條件下,沙冬青根冠細胞膜電位變化幅度都要小于綠豆。究其原因,我們認為在鹽脅迫下沙冬青具有更強的自我調節細胞內外離子平衡的能力。通過(guò)調節胞內外離子的跨膜轉運來(lái)平衡鹽分引起的細胞膜電位的去極化。
2)離子的理化性狀(離子半徑和價(jià)數)影響植物細胞膜電位的變化。Li、Na、K同為堿金屬元素,因其在水溶液中的水合離子有效半徑大小不一,在根自由空間的遷移速率就不同(K在根自由空間的遷移速率最大,Na次之,lJi最小),從而導致相同時(shí)問(wèn)到達細胞膜表面的離子數不同,所以離子引起的膜電位變化也存在差異。
質(zhì)膜H-ATPase是植物和真菌體內的一個(gè)關(guān)鍵酶。植物體內許多膜結合轉運蛋白都直接或間接地由質(zhì)膜H-ATPase提供能量。植物在細胞水平抵抗Na毒害的主要方式是把細胞質(zhì)中Na排除出去,一方面通過(guò)限制被動(dòng)方式的Na內流,另一方面通過(guò)離子泵的作用把胞質(zhì)內Na釋放到胞外基質(zhì)或液泡內,并認為上述過(guò)程是由質(zhì)膜H-ATPase和Na/H反向運輸蛋白共同完成。從本實(shí)驗來(lái)看,當質(zhì)膜H-ATPase活性被抑制后,進(jìn)行NaC1處理,由于此時(shí)質(zhì)膜H-ATPase不能水解ATP驅動(dòng)質(zhì)子運出胞質(zhì),不能為Na/H反向運輸蛋白提供足夠的能量將多余的Na泵到胞外基質(zhì)或液泡中,使得細胞質(zhì)中積累的H、Na過(guò)多,導致膜電位去極化增強。因此本研究結果表明,質(zhì)膜H一ATPase參與了沙冬青和綠豆根冠細胞膜電位在鹽脅迫時(shí)的原初響應,質(zhì)膜H-ATPase在減輕鹽脅迫對植物細胞的傷害方面具有一定作用。
另外,TEA抑制內向K通道以后,再進(jìn)行NaC1處理,單位時(shí)間進(jìn)入細胞內的凈陽(yáng)離子數減少,導致膜電位去極化程度降低。通過(guò)前期比較TEA對沙冬青和綠豆幼根伸長(cháng)生長(cháng)的影響,我們發(fā)現TEA能夠在一定程度上減輕NaC1對植物造成的傷害,因此我們推測K通道可能參與了Na的跨膜轉運,是Na進(jìn)入細胞的途徑之一。
膜電位的變化更直觀(guān)地反映了植物吸收鹽離子的特征與差異,利用微電極測定膜電位為研究植物對鹽脅迫的快速響應提供了新方法,為在膜水平上研究植物的耐鹽性開(kāi)創(chuàng )新方向。