全 文 ：华北半叶紫菜丝状体细胞凋亡过程的初步研究
汤晓荣 1　姜　明 1　费修绠 2　段德麟 2
( 1中国海洋大学 ,青岛 266003; 2中国科学院海洋研究所 ,青岛 266071)
摘　要: 　本文对华北半叶紫菜丝状体细胞的凋亡过程进行了初步观察并对这一过程中细胞超微形
态的变化进行了研究。 结果表明 ,丝状体细胞的凋亡过程是由分枝的端部细胞发生老化开始的 ,老化
细胞的细胞内壁增厚 ;细胞核内染色质凝缩 ,核膜溶解 ;色素体片层结构变形、溶解 ;红藻淀粉电子密
度显著下降 ,逐渐解体 ;胞浆中出现不规则形态的囊泡、髓样结构和结构特殊的小体 ;随着细胞的趋
于凋亡 ,核、色素体、线粒体等细胞器相继溶解消失 ,细胞结构崩溃 ,细胞内壁明显增厚。 细胞中的囊
泡和髓样结构参与了细胞内壁的形成。 本研究首次报道紫菜中存在细胞凋亡 ,并对丝状体细胞凋亡
过程的生物学意义及髓样结构的功能进行了讨论。
关键词: 　华北半叶紫菜 ; 丝状体 ; 超微结构 ; 细胞凋亡
中图法分类号: 　 Q178. 53　　　　　文章编号: 　 1001-1862( 2003) 05-712-07
紫菜 (Porphyra )是经济价值极高的栽培海藻 ,其产值约占大型海藻总产值的一半 [1 ]。我国
是紫菜的重要生产国。 目前 ,栽培的种质除了部分来源于野生藻种的果孢子外 ,其它主要来源
于室内保存的丝状体种质 ,而且随着品种栽培的推广 ,后者有取代前者之势。所以 ,丝状体种质
的保存是栽培生产成败的关键。通常丝状体种质是在常温下保存 ,但为了使种质保持良好的生
活状态 ,要定期补充营养。一般认为 ,这样保存的丝状体可在常温下保持营养生长状态多年 [2 ]。
最近 ,作者在华北半叶紫菜种质保存过程中发现 ,丝状体也存在凋亡过程。本文报道了对这一
现象的初步观察结果 ,并对产生这一现象的可能机制进行了讨论。这一结果有望对紫菜丝状体
的种质保存有指导意义。
1　材料与方法
1. 1材料　　华北半叶紫菜 ( Porphyra katadai va r. hemiphylla )丝状体系中国海洋大学海洋
生命学院海藻发育生物学实验室保存材料。培养条件: 18～ 20℃ , 15～ 20μmol photon m- 2 s- 1 ,
12L∶ 12D。培养基用 F-1配方 ,所用浓度为 1× 10- 3 ,海水过滤后煮沸 ,冷却后使用。约 5周更
换 1次培养液。
1. 2方法　　光学显微镜观察用普通的双筒生物显微镜 (江南 X SP-188)观察并采集培养过程
中濒于凋亡的丝状体部分作为电镜研究的材料。
电镜制片及观察方法如下: 将紫菜丝状体取出 ,迅速置于 5%的戊二醛溶液中固定 2h,然
第 33卷　第 5期　
2003年 9月　 　　
青 岛海 洋 大学 学 报
JOU RNAL O F OCEAN UNIV ERSITY OF QINGDAO 　　　　
33( 5): 712～ 718
Sep. , 2003
国家自然科学基金面上项目 ( 39800109, 40276043) ;实验海洋生物学重点实验室研究报告第 265号资助
收稿日期: 2002-12-09;修订日期: 2003-05-12
汤晓荣 ,女 , 1967年 12月出生 ,博士 ,副教授。
后 ,将其置于 1%锇酸溶液中固定 1h;经过梯度乙醇脱水 ; Epon-812渗透和包埋 ; LKB超薄切
片机切片 ,常规电镜切片染色 ;使用 H-7000型透射电镜进行观察并摄影。
2　结果
2. 1光学显微镜观察　　丝状藻丝细胞和孢子囊枝细胞都会出现生理性衰亡即凋亡现象 ,表
现为藻丝色泽变浅 ,液泡变大 ,细胞最后成无色 ,但细胞壁完整。最初出现凋亡的部位是藻球的
外围 ,镜检是分枝的端部细胞首先色泽变浅 ,逐渐发生空泡化 ,最后变成无色 ,光学显微镜下观
察是 1个空壳 ;随着藻丝凋亡程度的加深 ,这种现象向分枝的基部方向细胞蔓延 ;而细胞的衰
老程度也由分枝的端部向基部递减。 丝状藻丝与孢子囊枝相比 ,更容易出现衰亡现象。
2. 2丝状体细胞的结构特征　　丝状体丝状藻丝细胞和孢子囊枝细胞在结构组成上没有很大
的差别 ,由于细胞大小的差别 ,孢子囊枝细胞更易于观察。图 1和 2示孢子囊枝细胞 ,细胞壁较
厚 ,外层为高电子密度的外壁层 ,较薄 ;内壁较外壁厚且呈低电子密度状态 ,结构松散呈现片层
状 ;细胞内有发达的色素体 ,片层结构排列紧密 ,具有很高的密度 ,红藻淀粉为颗粒状 ,电子密
度中等 (图 1)。 高倍放大显示 ,色素体由双层的片层结构 (类囊体 )组成 ,细胞核为近似的椭圆
状 ,核内染色质分布较均匀 ,核仁清晰 ,密度较高 (图 2)。
2. 3丝状体细胞凋亡早期的超微结构变化　　丝状体细胞凋亡的早期阶段 ,细胞的内壁开始
加厚 (图 3) ,细胞中出现大小不一且形状不规则的空泡并出现囊泡化溶解 ,红藻淀粉电子密度
降低 (图 3, 4)。 色素体的片层变得模糊 ,扭曲变形 ,并开始出现囊泡化和高电子密度的髓样结
构 (图 3)。在色素体的区域 ,出现很多纤维囊泡和电子密度较高的髓样结构 (图 4) ,从其生成过
程来看 ,最初形成的是电子致密度很高的形状不规则的小体 ,后来这些小体的中心部位发生囊
泡化 ,形成被髓样结构包围着的纤维囊泡 ,最终生成纤维囊泡 (图 3, 4) ,所以二者可能有着相
同的来源 ,形成后 ,通过形成小泡将其中的成分“分泌”到细胞膜外而形成新的细胞壁成分
(图 4)。细胞核中的染色质出现凝缩。
2. 4丝状体细胞凋亡中期的超微结构变化　　随着细胞凋亡程度的加深 ,丝状体细胞结构已
经严重不正常 ,细胞内壁进一步加厚 ,色素体的片层结构已经不明显 (图 5) ,细胞核中的染色
质进一步凝缩 ,核膜部分溶解 ,核质已经由于核膜的破坏而无法与细胞质进行区分 (图 5) ,色
素体的片层结构完全被破坏 (图 5, 6) ,细胞内形成一些囊泡化结构特殊的小体 (图 6) ,其功能
似乎与细胞的外排作用有关 (图 7)。红藻淀粉的数量大量减少 ,观察到的红藻淀粉的电子密度
不均匀。
2. 5丝状体细胞凋亡后期的超微结构变化　　在丝状体细胞凋亡后期 ,细胞的大部分细胞器
都已经溶解 (图 7) ,只有线粒体和少量的红藻淀粉存在 ,他们都存在于特殊的囊泡小体周围 ,
推断为囊泡小体的活动提供必需的能源。细胞还在将最后的残留物运出膜外 ,这一活动导致了
细胞内壁的进一步加厚 (图 7) ;最终所有的膜系统崩溃 ,细胞内结构完全丧失 ,导致了细胞的
最终死亡 (图 7, 8)。 这时候 ,光学显微镜下 ,细胞的结构已经看不清楚 ,只剩下壁的空壳 ,但细
胞壁可以保留数周而不被细菌分解 ,这是与受细菌感染而死亡的细胞不同的地方。所以作者认
为导致细胞凋亡的直接原因是生理性的而非病理性的原因。在细胞凋亡过程中 ,作为相邻细胞
间物质和信息交流通道的孔状联系 ,在细胞膜完全溶解以后还存在一段时间 (图 7)。这说明其
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结构是独立于细胞质之外的 ,可能其在丝状体细胞有序的凋亡过程中起信息传递作用 ,负责将
细胞开始凋亡的信息传递给相邻细胞 ,但其具体作用方式和机理还有待于进一步研究。
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图版说明 Caption
1. 华北半叶紫菜丝状体细胞。 C-色素体 , Fs-红藻淀粉 , N-细胞核 [× 8 400]。 2. 华北半叶紫菜丝状体细
胞。 C-色素体 , Fs-红藻淀粉 , M-线粒体 , N-细胞核 [× 14 400]。3. 凋亡早期的丝状体细胞。 C-色素体 , Fs-
红藻淀粉 , V-囊泡 [× 8 400]。 4. 凋亡早期细胞的局部。 Fs-红藻淀粉 , M-线粒体 , V-囊泡 , (→ ) -髓样结构
[× 14 400 ]。 5. 凋亡中期的丝状体细胞。 C-色素体 , N-细胞核 [× 6 000 ]。 6. 凋亡中期细胞的局部。 C-色
素体 , Fs-红藻淀粉 , (→ ) -特殊小体 [× 18 000 ]。 7. 凋亡后期的丝状体细胞。 Fs-红藻淀粉 , M-线粒体 ,
Pit-孔状连系 , (→ ) -特殊小体 [× 7 200 ]。 8. 凋亡后期的丝状体细胞。 (→ ) -髓样结构 , ▲ -高密度颗粒
[× 8 400 ]。
1. Filamentous cell o f Porphy ra katadai var. hemiphylla. C-Ch romoph ore, Fs-Flo ridean star ch , N-
Nucleus. 2. Filam entous cell o f P. katadai var. hemiphy lla. C-Chromopho re, Fs-Flo ridean starch, M-
Mitochondria , N-Nucleus. 3. An apopto tic cell in its ear ly stag e. C-Chromopho re, Fs-Flo ridean sta rch,
V-Vesicle. 4. Pa rt o f an apopto tic cell in its ea rly stag e. Fs-Flo ridean star ch , M-Mi to ch ondria , V-
vesicle, (→ ) -Ma rrow -shaped st ruc ture. 5. An apopto tic cell in its middle stag e. C-Chromopho re, N-
Nucleus. 6. Par t o f an apopto tic cell in its middle stag e. C-Ch romophore, Fs-Flo ridean sta rch,
(→ ) -Special micr obody. 7. An apopto tic cell in last stag e. Fs-Floridean starch, M-Mitochondria, Pit-
Pit connection (→ ) -Special microbody. 8. An apoptotic cell in its find stag e. (→ ) -Ma rr ow -shaped
str uctur es, ▲ -Granules in high electronic density.
3　讨论
细胞凋亡亦称程序化细胞死亡 ,是细胞的 1种自杀方式 ,对健康机体的维持等方面具有重
要意义 [3 ]。细胞凋亡的概念最早由 Kerr于 1972年提出 [4 ] ,当时用来描述某些类型的细胞在一
定的生理或病理条件下 ,遵循自身的程序 ,主动地结束其生命 ,最终脱落离体或裂解为若干凋
亡小体而被其他细胞所吞噬的过程。主要特征: 染色体凝集、质膜出芽、核裂解及凋亡小体的形
成等形态学特征和 DNA断裂片段 ( 180-200bp)的出现 [4 ]。 细胞凋亡方面的研究 ,在动物细胞
及医学方面较多。一般认为 ,细胞的生命周期与生物个体的生命周期相一致。细胞的增殖能力
也就是细胞的寿命是有限的 ,凋亡是细胞衰老的结果 [5 ]。 Greenberg最早提出植物中存在程序
化死亡的现象 ,即植物受病原体侵染时 ,自身的抗病基因被激活 ,同时促使染病部位的细胞死
亡 ,抑制病原体的扩散 ,这一现象称为过敏反应 ,可观察到某些与动物细胞凋亡类似的特征 [6 ]。
细胞凋亡与细胞程序化死亡本是略有差异的概念 ,前者强调形态学特征 ,后者从功能角度来定
义 ,现在已习惯为同义名词 [7 ]。
与动物细胞相比 ,对植物细胞的细胞凋亡的研究起步较晚 ,但近年来已有不少研究结果表
明植物细胞中存在凋亡的现象 ,如叶、心皮、花瓣的衰老 ;木质部的发生 ;湿地植物通气组织的
形成等都是细胞凋亡现象。 另外 ,病原体感染、热激、高盐等逆境条件均可导致细胞发生凋亡。
植物细胞凋亡与动物细胞凋亡在形态学上有许多共同特征 ,如染色体凝缩、细胞碎片的形成
等 ;但由于植物细胞存在细胞壁 ,所以 ,无论在形态特征还是凋亡机制方面都可能与动物细胞
存在差异 [8 ]。
在凋亡的分子机制研究方面 ,动物细胞在凋亡过程中完整线粒体会释放细胞色素 C以激
活一类特定酶 Caspase,在黄瓜中也发现线粒体在细胞凋亡过程中释放细胞色素 C,但尚未证
明其功能是否与在动物细胞中相同 [ 9] ;植物中也发现了一些在动物细胞凋亡中起促进或抑制
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作用的因子的类似物 ( Homologues) ,如拟南芥 ( Arabidopsis thaliana )中的 B I-1,但却不能证
实与动物细胞中的功能相同或相似 [ 10] ; 拟南芥 ( A.　 thal iana )中的 NADPH氧化还原酶是动
物中 PIG3( P53诱导基因 )的类似物 ,后者与 P53介导的癌细胞凋亡有密切关系 ,但植物中尚
未见有关此类功能的报道 [11 ]。
近年来 ,对细胞凋亡过程的研究 ,已经成为生命科学研究的热点课题 [ 7 ]。藻类的进化地位
较低 ,对藻类细胞凋亡的研究报道很少 ,最早对多细胞红藻多管藻 ( Polysiphonia harveyi )生毛
体细胞的凋亡进行研究和报道的是 Garbary& Clarke[ 12] ,尚未见对紫菜细胞凋亡的研究报道。
尽管对紫菜丝状体超微结构的研究有不少报道 [13-16] ,但尚未见有关丝状体细胞凋亡的研究的
专门报道。作者曾在坛紫菜 ( Porphyra haitanensis )丝状体发育的研究中提出丝状体细胞的生
理性死亡似乎是程序化的而非病理性死亡 [17 ]。本文是对这一问题的更进一步的研究。对华北
半叶紫菜丝状体细胞凋亡的研究结果表明 ,某个细胞的凋亡过程是 1个连续而复杂的演变过
程 ,可以推断 ,细胞一旦开始了凋亡过程 ,首先遭到破坏的是细胞的光合细胞器 -色素体 ,使细
胞的光合作用不能正常进行 ;同时细胞核也发生变化 ,细胞从根本上启动了“自杀式”的程序。
由于这一过程也是耗能的 ,所以 ,提供能量的线粒体和红藻淀粉保留到最后以保证细胞有足够
的能量完成这一过程 ;在有的研究中 ,提出线粒体可以释放细胞凋亡诱导子 ,从而介导细胞凋
亡过程 [18 ] ,本研究中 ,线粒体是否起类似的作用尚不能断定。 而整个过程中 ,未发现类似细菌
或病毒的感染迹象 ,而且细胞壁一直是完整的。
细胞凋亡过程中 ,随细胞核、色素体、淀粉粒等细胞器的一系列结构和生理变化 ,细胞中出
现一重要的细胞结构 -髓样结构。 从大量的观察推断 ,髓样结构由早期的电子致密结构从中部
逐步囊泡化 ,这些囊泡体积不断增大 ,同时其中的电子致密结构逐渐溶解为成壁成分 ,囊泡向
细胞边缘移动并在细胞内壁附近释放以形成新的细胞壁。本文作者曾在以往研究中发现 ,在紫
菜叶状体细胞分裂时 ,在新生细胞壁位置总是有电子致密结构或髓样囊泡 ,也有研究者称后者
为同心层结构 [19 ] ,尤其在细胞壁生成旺盛的假根中 ,几种结构同时存在 [20 ]。在新形成的原生质
体中 ,这种结构在细胞的边缘存在也较多 [21 ] ,表明这几种结构最终都与细胞壁的增生有关 ,在
细胞凋亡过程中直接参与细胞内壁的形成。
在细胞凋亡中期出现的特殊结构小体在结构上与髓样结构不同 ,不存在电子致密的结构。
从结构来看 ,这些特殊的小体可能是细胞主动地采取的 1种自净方式 ,其中包围的内含物似乎
是细胞器或细胞核的碎片 ,功能上类似动物细胞凋亡过程中出现的凋亡小体 [22 ] ,但在植物或
藻类中 ,由于细胞壁的存在 ,这一结构在形成过程和功能上是否与动物细胞完全相同 ,还需要
进行更多的研究。以往对植物细胞凋亡的研究 ,表明液泡和溶酶体参与了细胞的解体过程 [22 ] ,
本研究中这些结构与溶酶体和内质网的关系还需要更多的观察和研究。
从某个藻落来看细胞的凋亡是从藻落的外围到中部 ,通常中部会保留一些生活的、色泽较
深的细胞。有时候 ,只有个别细胞生活 ,这个别细胞将是藻落恢复生长的“种子”。 从这个意义
上可以认为 ,细胞的凋亡是为保证整个种群的延续而做出的牺牲 ,以降低细胞的消耗 ,是其对
生长环境的长期适应性和种群延续的保护性措施 ,这对种的生存和演化是非常重要的 ,是物种
度过不良生长环境的保护性适应行为。同时 ,作者也发现 ,调整环境条件使丝状体处于生长缓
慢或停滞的状态 ,可以减轻细胞的凋亡 ,这是实验室丝状体种质得以长期保存的主要原因。 细
胞凋亡过程在不同种中是否有差异及其发生机制尚有待进一步研究。
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7175期 汤晓荣 ,等:华北半叶紫菜丝状体细胞凋亡过程的初步研究
Preliminary Study on the Apoptosis of Porphyra conchocelis Cells
Tang Xiao rong
1　 Jiang Ming1　 Fei Xiugeng2　 Duan Delin2
( 1Ocean University of China, Qingdao 266003, China;
2 Inst itute of Oceanology , Chinese Academy
of Sciences , Qingdao 266071, China )
Abstract :　 Apoptosis o f conchocelis cells of P. katadai va r. hem iphylla was investig ated
primari ly and the ult rast ructural changes during this process w ere studied. The results
show that the apoptosis begins w ith the senesces o f the apical cells in branches. The
inner w all o f the aging cell thickens, the ch romatins inside the nucleus condense and the
nuclea r membrane rupture. The thylakoid st ructure disto rtes and breaks. The elect ronic
density of the f lo ridean starch decreases significant ly and decomposes g radually.
Irregularly shaped vesicles and mar row-shaped structures emerge in the cy toplasm. All
cell apparatus, e. g. nucleus, chromotopho re as w ell as mi tochondria decompose and
disappear consequent ly so that the cell st ructure finally breaks down w ith the inner w all
of cell thickened markedly. It w as discovered that the vesicles and mar row-shaped
structures were involv ed in the depo sition of the inner w all of cell.
Key words: 　Porphyra katadai var. hemiphylla; conchocelis; apopto sis; ul t rast ructure
海 洋 人物
德利尔 , G. ( Gui lacume Delisle, 1675～ 1726)法国地图制图学家 ,生于巴黎。法国科学院
院士。在地理学上 ,精确地描绘了大陆轮廓 ,降低了经线定位的整体误差 ,是法国地图制图
技术的改革者。 1700～ 1714年根据新资料绘制了各大洲地图以及 2个半球的世界地图。
还制作了天球仪和地球仪。他绘制的地图约 100幅 ,撰写了关于测量技术和古代地理著
作 ,最先提出地中海较准确的比例 ,消除了托勒密时代以来一直保留在地图上的经度差 ,
全部修正了非洲地图。主著《新版世界地图册》 ( 1733)。
(刘安国 )
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