全 文 ：第 4 1卷 第 1期 京 林 业 大 学 学 报
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大波斯菊小抱子发生时期线粒体的动态
李凤兰
(北京林业大学林业资源学院)
摘典 运用电镜及电镜细胞化学等方法对大波斯菊小宛子发生时期 , 即小抱子母细胞到四分休 的
整个发育过程中的线粒体动态进行了观察。 实验表明 : 在小泡子母细胞减数分裂过程中 , 线粒体
要经受一个复杂的反分化过程 。 在减数分裂前期的早期阶段 , 线粒体的数量增加很 快 ; 与 此 同
时 , 一些空白的被称作 “ : p h e r i o al in o l u : i o n ” 的细胞器 ( s T 。 ) 也随之产生 , 它们代表着新产
生细胞器的退化 。 造成退化的原因可能是由于细胞器缺 少 核密码的调控 。 推测减数分裂后 线粒
体围核现象可能与 A T P 、 信息大分子及其他物质的传递有关 .
关镶饲 线粒体 , 核膜 , 核 , 小抱子发生 , 大波斯菊
中日分类号 5 6 8 2 . 1 0 1
关于高等植物大 、 小抱子发生时细胞器的数量和种类的变化及如何向子代传递的问题已
经有过不少研究〔 ` ~ 4 〕 . 大多数被子植物的大 、 小抱子母细胞的细胞器在整个发育过程中都
显示了较为特殊的变化 . G iu l le r m o n d ( 1 9 2 4 ) 最早注意到小抱子发生的整个过程都伴 有线
粒体的变化 . 后来 , H e s lo p书 a f r i s o n 等人证明在一些植物的大抱子发育过程中线粒体的连
续性 . 然而细胞器体系是否连续的问题一直存在着争议〔 , 〕 . D ic k i ns o n很 早 就 注意到大波
斯菊小抱子母细胞在减数分裂后的细胞质中线粒体的行为 , 并提出那种具有双层膜包被的内
含物紧密围绕核的意义是核一质之间可能发生信息大分子或能量的传递〔 “ 〕 . 为进一步探讨小
抱子母细胞减数分裂后线粒体的演变情况及线粒体围核现象的真正含义 , 作者对大波斯菊小
抱子发生过程的各个时期线粒体的大小 、 数量进行了电镜观察 , 并用电镜细胞化学等方法对
线粒体围核现象进行探讨 。
材料和方法
1
.
1 电镜切片的制作
大波斯菊小饱子发生的不同时期的花 药 采 自里丁大学 (英国 ) 校园温室 . 材料固定于
3 肠戍二醛 、 2 肠多聚 甲醛的 o . 03 m ol / L磷酸缓冲溶液中 (P H 7 . 2 , 0 ℃ ) , 经 4 h固定后 ,
用上述缓冲液漂洗两次 , 再经 1 肠俄酸固定 3 h (室温 ) , 经 蒸 馏水 3 次漂洗后 , 再在不同
梯度的丙酮 中脱水 、 环氧丙烷渗透 , 最后用 E p ik ot “树脂包埋 . L K B超薄切片机切片 (用金
钢刀做连续切片 ) , 切片在 L K B自动染色机上染色 , 在 H i at c ih H一 80 。 型透射电子显微镜上
检片 , 电压 7 k5 v .
1
.
2 细胞色案C叙化醉的定位
署g “ ’ 一 “ 2一 0 5收娜
DOI : 10. 13332 /j . 1000 -1522. 1992. 01. 009
?策书、李凤兰 :大波斯菊小袍子发生时 期线粒体的动态
将新鲜材料放入固定液 ( 3 肠解聚的多聚甲醛 、 1 肠戍二醛的 0 . os m l o/ L 磷 酸 缓 冲 溶
液 , p H 7 . 2) 中固定 4 h ( 4 ℃ ) , 用磷酸缓冲液漂洗 Z h ( 3 次 ) , 将 材 料 换 入孵育液中
( D A B二氨基酸联苯胺 5 m g p H 7 . 4 o . o s m o l / L磷酸缓冲液 g nr l 、 细胞色素 C 2 0协g 、 蔗糖
75 o m g)
,
30 ℃黑暗中孵育 Z h , 用缓冲液在室温下漂洗 l h ( 2 、 3 次 ) , 1 肠俄酸再固定
l h
, 漂洗后按常规的电镜制片方法制片 . 对照实验采用 ( 1 ) 作用液 中加入 4 . 2 m g N a F .
( 2 ) 作用液中去除细胞 色素 C .
1
.
3 放线菌素 D处理
将带花序的短枝插入 2 。协g /m l的放线菌素 D 中处理 12 , 24 , 3 0 , 48 h后 , 分别取出 , 用常
规的电镜制片法制片 .
1
.
4 用 DN P ( 2 , 4 二硝基酚 ) 处理
将材料置 0 . 0 0 0 l m ol / L D N P水溶液中 s h后 , 用常规 电镜制片方法制片 .
1
.
5 氮气处理
将材料置容器中 , 连续充氮气 4 、 6 h , 取出材料 , 按常规的电镜制片方法制片 .
2 结果和讨论
小抱子发生时期线粒休与51 5的关系
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r卜J产0 . 8 } 一一 线粒体
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发育时期 0· ”一瑙不丁泞一育下斑厂盗一下
发育时期
图 1 小抱子母细胞在减数分裂
中线粒体 及 8 15直 径的变化
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图 2 小抱子母细胞在减数分裂中
线粒体及 5 1 5数量的变化
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m i t o e h o n d r x a a n d 5 1 5 P r e s e n 七 i n
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大波斯菊小抱子发生时期线粒体的变化是一复杂的问题 . 从 图 1可看到大波斯菊线粒体
的直径从花粉母细胞分裂前到进入减数分裂的粗线期至少缩减 50 肠 〔图 版 I 一 1 〕. 这些小的
线粒体很快进入一个异常快速的复制期 , 从图 2 可看到在减数分裂的前期一中期 , 线粒休的
8 4北 京 林 业 大 学 学 报 “ 卷
数量有一大幅度增加 . 与此同时 , 发现和线粒体几乎是同步增长的一种 被 称 作 “ s p h e r ic al
in cl us io
n ” (简称 5 1、 ) 的细胞器 〔图版 I 一 2 〕 . 它们在不同 的 发 育 时 期 有着不 同的 结
构 , 从具有双层膜并具有一内折的球形到只有一简单的单层膜包被的 5 1“ . 前 者被有些作者
称为 “ 原线粒体” 〔 ” , “ 〕 , 正是由于这些原线粒体的快速复制 , 造 成 线粒体数量的剧 增 ,
后者则被人们推测为一种退化的细胞器 , 当然这种细胞器很可能就是线粒体 . 其证据是在一
定发育时期的电镜照片中可找到线粒体和 5 15 之 间 的中间状态 〔图版 I 一 3 〕 , 且 5 15 总量和
线粒体相伴存在 。 电子显微镜对细胞色素 C氧化酶的定位观 察也显示在某些分化程度较高的
5 15 中也含有细胞色素 C氧化酶 (图版 I 一 4 〕 . 线粒体是一种和 细胞色素氧化酶联系在一起
的细胞质内颗粒 , 这种酶总是固定地存在子这些颗粒中〔 了〕 , 因此认定 5 15 可能是线粒体退化
的产物 。
2
.
2 51 5产生的含义
细胞质中的 5 15 在减数分裂早期出现 , 随线粒体的增加 而 增 加 . 但 当 新 的单倍体核形
成 , 5 15 的数量开始下降 . 在 小 抱子成熟时 , 线粒体的数量还会再增加 , 5 15 不再增加 . 5 15
是线粒体在逐渐退化过程中形成的 . 这 意 味 着 线粒体在小抱子母细胞进行减数分裂的过程
中 , 不但有一自我复制的过程 , 还有一种主动选择淘汰的过程 . 以便剔除突变的基因型 , 留
下合适的基因型传给新的一代 . 动植物通过选择产生变异的主要时期是在有性生殖阶段 . 而
减数分裂是有性生殖过程 中的关键时刻 , 因此在这一时期进行细胞器的筛选是合乎道理的 .
细胞器的筛选意味着细胞器 D N A的重组 , 实验表明有关 线粒体D N A 复制和基因表达的酶类
几乎全都是 由核基因编码的〔 了〕 . 有些作者认为线粒体 的退化 与核内m R N A 有关 , 因为有证
据表明在细胞器快速复制的过程中 , 细胞器内D N A 的 含成 速度加快 , 但性母细胞中的核糖
体和 m R N A 水平是下降的〔 “ , ” 〕. 因此推测细胞器由于缺少核密码的指导或细胞器 中 有 缺
陷的基因得不到核基因的补偿而导致退化〔 3 ) . W i lk i le 以酵母 菌 为 例也证明核对细胞器的
基 因型起着非常强的控制作用〔 , “ 〕 . 因此大波斯菊小抱子发生时期即抱子 体 向配子体转化的
关键时刻 , 细胞器的主动筛选系统是存在的 . 最近的一些研究认为具有缺陷基因的细胞器是
导致细胞质雄性不育的一重要原因 , 因此核对细胞器基因的选择和补偿还是很重 要 的 〔” 〕 .
当然选择的机制远未搞清 .
2
.
3 线粒休围核的惫义
在减数分裂中出现线粒体围核现象 , 不仅在大波斯菊 中发现 , 在灵 长 目〔 , 〕 , M y OS ur su
m i 。 ￡m su 〔` 2〕中都有报道 . 人们对线粒体围核现象进行过多方面的观察和分析 , 线粒体与核的
联系还是 比较紧密的 , 不能轻易将其从核上脱离下 来〔 “ 〕 . 但 在 它们之间并未发现任何物理
结构方面的关系 . 在结构显示清晰的电镜照片中 〔图版 I 一 5 〕 , 发现一些 似管又似棒状物或
颗粒 , 似乎将核外膜与线粒体外膜沟通 . 通常线粒体与核膜靠近或接触的那部位也正是染 色
质与核膜内面相接的部位 〔图版 I 一 6 〕 . 对这些现象最富有 吸 引力的解释就是某些信息大
分子或其他物质 ( 如由核 D N A 转录过来的 m R N A ) 由核传递到细胞器上 , 或 线粒体将能量
— A T P传送给单倍体的核 l(3 一 , 5〕 . W i lk il e已经通过它对酵母菌的实验说明细胞核对细胞器合适的基因型是能够进行选择的〔’ 。〕。 当然这一过程是非常复杂的 .我们试图为上述推测提
供某些证据 , 将材料暴露在氮气中一段时间或用D N P ( 2 , 4 二硝基苯酚 、 氧化磷酸化的解
偶联剂 ) 处理 . 这两种处理都可以立即终止 A T P的产生 . 氮气通过 夺走 氧 , D N P通过打破
磷酸化中的电子传递 · 但处理的结果都未能改变线粒体与核膜的关系 , 从处理后产生坏死的
1 期 李凤兰 : 大波斯菊小抱子发生时期线粒体的动态 4 9
迹象看 , 处理是对细胞起了作用 , 但线粒体仍保持同膜的联系 〔图版 I 一 7 〕. 在 用 放线菌素
D ( D N A转录的抑制剂 ) 的试验中 , 作者的意图是如果在线粒体与核膜 之 间 存 在 着 由核
D N A 转录的 m R N A的传递 , 使用放线菌素D处理后 , 由于转录的抑制会引起 围 核线粒体的
变化 . 但经放线菌素 D处理 48 h后的照片看 , 线粒休仍粘附在核上 (图版 I 一 8 〕 . 尽管细胞
器和核基因组之间存在着 D N A的交换问题 〔 , “ 〕 , 但它的机制尚未得到证实 , 线粒体与核内染
色质准确地相对准地围核的机制是一个值得深入探讨的问题 .
l
3 结 论
( l ) 大波斯菊小袍子母细胞中的线粒体在减数分裂前期到中期有一快速分裂复制的时
期 , 数量剧增 , 与此同时部分线粒体可能由于缺少核密码的调控而退化 . 幸存下来被分配到
单倍体的小袍子中的那部分线粒体都是经选择后留下的适者 . 这一时期确存在一个细胞器选
择 系统 。
( 2 ) 推测在减数分裂中线粒体围核现象可能与信息大分子或 A T P的传递有关 , 但从用
D N P
、 氮气及放线菌素D等抑制剂的实验中 , 又都未看到围核线粒体的改变 , 希望通过下一
步 H “胸腺崛咤标定 D N A 或金胶标定m R N A 等实验 , 进一步探明线粒体围核的真正含义 。
参 考 文 献
10
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C o s 仍 。 含 b ￡, 石” 几 a t社 5 . P l a n t a , 1。了9 , 14 5 : 通4 9 ~ 4 5 了
汪德耀 . 普遍细胞生物学 . 上海 : 上海科学技术 出版社 , 1 9 8 8
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P o r 毛e r , E . K . a n d D主e k i u s o n , H . G . E v e n 七。 i n 毛h e C y 七o p l a s m D u r i n g M a l e
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5 0 北 京书 林 业 大 学 一学 报 14卷
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e n v旦l o p e , n u c l e u s , m i c r o s p o r o ` e l e s i s ,
(责任编挥 黄晓燕 )
李凤兰 : 大波斯菊小抱子发生时期线粒体的动态 图版 工
1大波斯 菊减数分裂前袍原细胞 内的线 粒体 ( x 4 . g x o la ) ; 2 . 大波斯芡减数分 裂终变期的 小 抱 子母细胞中的
线粒体和 S 拓 ( X3. 5 x 功 “ ) ; 3. 大波斯菊减数分裂后的四分体中可见介于 线 榷体 和 5 5 1中问状 态 的 细 胞 器 ( x 2 1
K [0 “ ) ; 4
. 大波斯菊早规的小抱子中细胞色素C 氧化酶的定位 ( x 2 1x l。 “ ) ; 巨 . 大波斯菊早期小抱子 中示围核的线
粒体与核膜之间的联系 ( x 2 x 1 l尹 ) ; 6 . 核内染色质恰巧与围核的线粒体相对准 ( 又 2 1x o l3) ; 了 . 经氮气处理后 ,
仍有线粒体围核 ( X S . 了s x 工。 “ ) : 8 . 经放线菌 素 D处理后的细胞中仍 见围核的线粒 体 ( X 8 . 4 X 10 , ) 、