全 文 ：＊通讯作者
收稿日期:2007-07-19;修订日期:2007-12-04
基金项目:福建省科技计划重点项目(2005N029);福建省农业
科学院科技创新团队建设基金(STIF-Y01)
作者简介:任丽花(1977-),女 ,山西孝义人 , 在读博士生 ,研究
方向为植物营养与环境生态.
文章编号:1673-5021(2008)01-0030-05
干旱胁迫对圆叶决明叶片超微结构的影响
任丽花1 , 2 , 黄敏敏3 ,江枝和4 ,王义祥2 ,翁伯琦2 , ＊
(1.福建农林大学生命科学学院 , 福建　福州　350002;2.福建省农业科学院农业生态研究所 , 福建　福州　350013;
3.福建省农业科学院中心实验室 ,福建　福州　350003;4.福建省农业科学院土壤肥料研究所 ,福建　福州　350013)
　　摘要:以豆科牧草圆叶决明 CPI86134品系为材料 , 研究土壤干旱胁迫对其叶片超微结构的影响。结果表明 ,中
度 、重度和极度干旱条件下 CPI86134叶片细胞中叶绿体和线粒体的超微结构均发生明显变化 , 线粒体内外膜膨大
或破裂 ,内含物流出;基粒类囊体膨胀 ,有的严重的细胞中叶绿体膜断裂;另外 , 随着胁迫程度的增强 ,淀粉粒的数量
减少;叶绿体和类囊体对干旱胁迫最敏感 ,其次是线粒体 , 可作为圆叶决明耐旱程度的细胞学指标。
关键词:圆叶决明;干旱胁迫;叶片;超微结构
中图分类号:Q248　　　文献标识码:A
　　圆叶决明(Chamaecrista rotund i f olia)是多年
生的热带豆科牧草 ,在我国南方的山地红壤改良中
已大面积推广应用 ,尤其在红壤山地生态果园套种
较为普遍 ,在发展山区畜牧业等领域发挥着重要的
作用[ 1] ,但其在亚热带大部分地区面临着季节性干
旱问题。干旱对植物的影响非常广泛而深刻 ,它可
以表现在生长发育的各个阶段 ,如种子萌发出苗 、营
养生长和生殖生长直到结实。同时影响各种生理代
谢过程 ,如光合作用 ,呼吸代谢 ,水分和营养元素的
吸收运转 ,各种酶的活性和有机物质的转化 、运输和
积累等[ 2 , 3] ,但目前有关圆叶决明抗旱性的研究很
少。本研究以圆叶决明为试验材料 ,对干旱胁迫条
件下叶片超微结构进行研究 ,旨在探讨圆叶决明的
抗旱机制和耐旱程度的细胞学指标 ,为抗旱性牧草
品种的选育提供细胞学资料。
1　材料与方法
1.1　试验材料
供试材料为圆叶决明(Chamaecrista rotundi-
f ol ia)品系 86134(CPI86134),种子由福建省农科
院农业生态研究所提供。
1.2　试验设计
2005年 4月上旬播种 ,为了便于控制水分采用
盆栽试验 ,内装砂壤土 4kg 。供试土壤的基本性状
为:有机质 4.70g/kg 、pH 5.29 、全氮 0.029%、碱解
氮 31.5mg · kg-1 、速效磷 3.07mg · kg-1 、速效钾
67.67mg ·kg-1 、田间持水量 28.20%、凋萎含水量
7.65%。播种时用特定根瘤菌拌种 ,播种深度 2 ～
3cm;所有肥料均在装盆时一次拌匀施入 ,基肥用量
为过磷酸钙 1.80g/kg 土 、尿素 0.60g/kg 土 、氯化
钾 0.60g/kg 土 ,每盆播种 30粒左右。出苗期间 ,定
期定量供水 ,隔 3 ～ 4d浇水 1次 ,浇水量为田间持水
量的 75%～ 80%,以保持盆内土壤湿度。在室外培
养 3周以后开始间苗 ,每盆留 10 株。各选取 50盆
长势较整齐的植株搬入网室内 ,随机分为 5组 ,每组
10盆 ,一组为对照 ,土壤相对含水量为 75%～ 80%,
其余 4组为胁迫处理 ,采取使其水分自然下降的方
法进行干旱处理 ,土壤相对含水量分别达到 60%～
65%(轻度干旱胁迫)、45%～ 50%(中度干旱胁迫)、
30%～ 35%(严重干旱胁迫)、15%～ 20%(极度干旱
胁迫)的胁迫范围后 ,用感量 0.1g 的电子天平称重
补充水分 ,使其维持在已定的胁迫梯度 ,直至胁迫结
束。缺水程度大致按 Hsiao 的标准划分:SRWC
(土壤相对含水量)降低 8%～ 10%为轻度缺水 ,降
低 10%～ 20%为中度缺水 ,降低 20%以上为严重缺
水。于胁迫处理第 20d采集不同处理的植株倒 3位
叶片 。
1.3 　叶片超微结构的观察
将采集的叶片用双面刀切成宽 1mm 左右的小
块 ,迅速投入 5.0%的戊二醛固定液中 ,4℃固定 4h ,
—30—
第 30 卷　第 1 期　　　　　　　　　　中　国　草　地　学　报　　　　　　　　　　2008 年 1 月
　　Vol.30　No.1　　　　　　　　　　Chinese Journa l of G rassland 　　　　　　　　　 Jan.2008　　
然后用磷酸缓冲液(pH =7.2)洗涤 3 次 , 每次
20min ,同时抽气直到切块下沉为止 。将洗涤过的
材料转移至 1%锇酸中于 4℃固定 4h 后 ,用蒸馏水
洗涤 3次 ,每次 20min ,随后用乙醇脱水 ,Epon812包
埋 ,LKB-5型超薄切片机切片 ,经醋酸双氧铀染色后 ,
用 JEM100CX-Ⅱ型透射电子显微镜观察和拍照。
2　结果与分析
2.1　干旱胁迫对叶片内线粒体的影响
透射电镜观察显示 ,在正常供水下(图 Ⅰ-1),
CPI86134叶片细胞中线粒体内嵴小而少 、细胞质
浓。在轻度干旱下(图Ⅰ-2)细胞中线粒体部分内嵴
大而多 ,部分内嵴小而少 ,细胞质较浓 。在中度干旱
下(图Ⅰ-3)细胞中线粒体嵴少 ,模糊 ,细胞质较浅。
在严重干旱下(图 Ⅰ-4)细胞中线粒体内外膜和嵴模
糊 ,细胞质浅 。在极度干旱下(图 Ⅰ-5)细胞中线粒
体内外膜膨大或破裂 ,内含物流出 ,嵴消失 。线粒体
是呼吸作用进行的场所 ,呼吸代谢产生的 ATP 是
生命活动的源泉 ,因此 ,线粒体结构的破坏意味着新
陈代谢的紊乱 ,影响植株的生长发育 。从本试验结
果来看 ,随着干旱程度的加重 , CPI86134叶片细胞
的线粒体结构受到破坏的程度加剧。
1.对照 , Bar=139μm;2.轻度胁迫 , Bar=136μm;3.中度胁迫 , Bar=137μm ;
4.重度胁迫 , Bar=275μm;5极度胁迫 , Bar=109μm ;下图同。
1. the con t rol , Bar=139μm;2.mild st res s , Bar=136μm;3.m oderate st ress , Bar=137μm ;
4. sever st ress , Bar=275μm ;5. ex t reme s t ress , Bar=109μm.The follow as same.
图Ⅰ 　干旱胁迫对 CPI86134 叶片内线粒体的影响
F ig.Ⅰ 　Effect of drought stress on mitochondria in leaves of CPI86134
2.2　干旱胁迫对叶片内叶绿体的影响
由图 Ⅱ-1可以看出 ,正常供水条件下 CPI86134
叶片细胞中叶绿体紧贴细胞壁 ,膜与壁结合紧密 ,细
胞壁厚 ,脂体小 ,基粒类囊体小 ,间质片层空间小 ,片
层长短不均匀。在轻度干旱下(图 Ⅱ-2)叶绿体脱离
细胞壁 ,细胞壁厚 ,叶绿体中脂体小 ,基粒类囊体小 ,
间质片层空间小 ,片层整齐 。在中度干旱下(图 Ⅱ-
3)叶片细胞出现质壁分离 ,内膜清楚 ,外膜模糊 ,细
胞壁厚 ,脂体小 ,基粒类囊体少 ,大小不均匀 。在严
重干旱下(图 Ⅱ-4),细胞中细胞壁薄 ,出现断裂 ,内
含物外流 ,细胞质浅 ,脂体膨大 ,数目少 ,基粒类囊体
膨胀 ,质间片层空间增大 ,有的严重的细胞中叶绿体
膜断裂 ,基质类囊体片层不整齐。在极度干旱下(图
Ⅱ-5),叶片细胞出现质壁分离 ,细胞壁断裂 ,内含物
外流 ,叶绿体内外膜模糊 ,脂体膨大 ,基粒类囊体部
分没有 ,部分小且模糊 ,间质片层几乎消失 。
2.3　干旱胁迫对叶片内淀粉粒的影响
电镜观察结果显示 ,正常供水条件下(图 Ⅲ-1)
叶绿体中有淀粉粒 3粒 ,且大小不均 ,呈水泡不规则
形状 ,淀粉粒边缘清晰 。在轻度干旱下(图Ⅲ-2)叶
—31—
任丽花　黄敏敏　江枝和　王义祥　翁伯琦　　干旱胁迫对圆叶决明叶片超微结构的影响
图Ⅱ　干旱胁迫对 CPI86134 叶片内叶绿体的影响
Fig.Ⅱ　Effect of drought stress on chlor oplast in leaves of CPI86134
图Ⅲ　干旱胁迫对 CPI86134 叶片内淀粉粒的影响
Fig.Ⅲ　Effect o f drought stre ss on starch g rains in leave s o f CP I 86134
片细胞叶绿体内可观察到淀粉粒 4粒 ,淀粉粒大小
较均匀 ,呈蚕蛹形 ,边缘清晰。在中度干旱下(图 Ⅲ-
3)叶绿体内可观察到淀粉粒 2粒 ,大小不均匀 ,淀粉
粒变形 ,部分糊化 。在严重干旱下(图 Ⅲ-4)叶片叶
绿体内观察到淀粉粒部分 1个 ,部分 2个 ,淀粉粒畸
形 ,形态各异 ,边缘模糊。在极度干旱下(图 Ⅲ-5)叶
片内叶绿体观察到淀粉粒 1粒 ,边缘糊化 ,淀粉粒显
著增长。
3　讨论
植物在干旱胁迫下 ,细胞的超微结构会发生明
显的变化 。叶片细胞中叶绿体和线粒体是对干旱胁
迫比较敏感且所负担的生理功能较为重要的两个细
胞器 ,有关干旱胁迫下叶绿体和线粒体超微结构的
—32—
中国草地学报　2008年　第 30 卷　第 1 期
变化也有不少报道 。早在 70 年代 ,Giles 等在研究
水分胁迫对玉米叶绿体结构的影响时 ,就发现了类
囊体出现肿胀和基质中的嗜锇小球增多的现象[ 4] 。
史兰波[ 5] 、韩善华[ 6] 、于海秋[ 7] 分别对水分胁迫下的
冬小麦 、油菜和玉米的叶绿体结构进行了研究 ,均发
现了叶绿体形态膨胀变圆 ,内部基质空间增大 ,基粒
类囊体膨胀 ,空泡化 ,进而扭曲的现象。严重时叶绿
体被膜折皱 ,局部破裂 ,基质外渗。姚雅琴等还观察
到水分胁迫下线粒体的膜变模糊 ,基质变稀 ,嵴的数
量减少[ 8] 。本试验结果表明 , 土壤干旱条件下
CPI86134叶肉细胞中叶绿体和线粒体的超微结构
均发生明显变化。在严重干旱条件下 ,细胞中线粒
体内外膜和嵴看不清楚 ,细胞质浅;极度干旱下 ,细
胞中线粒体内外膜膨大或破裂 ,内含物流出 ,嵴消
失。随着干旱程度的加强 ,叶绿体膜系统受损也逐
渐加剧;在中度干旱下 ,基粒类囊体膨胀 ,间质片层
空间增大;在严重干旱下 ,基粒类囊体进一步膨胀 ,
囊内空间变大 ,有的严重的细胞中叶绿体膜断裂 ,基
质类囊体片层不整齐 ,类囊体片层排列发生改变 ,出
现类似米粒撒在地上的现象。在极度干旱下 ,内含
物外流 ,叶绿体内外膜看不清 ,脂体膨大 、数量减少 ,
基粒类囊体部分没有 ,部分小且模糊;类囊体排列方
式发生改变 ,产生扭曲现象 ,间质片层几乎消失 ,表
明 CPI86134叶片细胞叶绿体是对干旱程度比较敏
感的细胞器 ,这与棉花上观察到的结果一致 ,叶绿体
及类囊体的膜对土壤干旱程度最敏感。
一般植物叶绿体内含大量淀粉粒 ,且淀粉含量
有昼夜的变化 ,白天气孔张开时 ,淀粉含量下降 ,夜
间气孔关闭时 ,淀粉积累。淀粉降解为合成有机溶
质提供碳骨架 ,参与渗透调节 。本试验的结果表明 ,
随着干旱程度的加强 ,淀粉粒边缘模糊加剧 ,在轻度
干旱条件淀粉粒的数量有所增加 ,但随着胁迫程度
的增加 ,淀粉粒的数量减少 ,说明植物对胁迫采取了
积极的防御措施 ,促进淀粉粒降解 ,合成更多的有机
溶质 ,以调节渗透压[ 9] ,这与叶宝兴等[ 10] 的研究结
果相一致 。
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—33—
任丽花　黄敏敏　江枝和　王义祥　翁伯琦　　干旱胁迫对圆叶决明叶片超微结构的影响
Effect of Drought Stress on Leaf Ultrastructure of
Chamaecrista rotundi f olia
REN Li-hua1 , 2 , HUANG M in-min3 , JIANG Zhi-he4 ,WANG Yi-xiang2 , WENG Bo-qi2
(1.Collegeo f L i f e Sciences , Fuj ian Agriculture and Forestry Universi ty , Fuz hou 350002 , China;
2.Agricul tural Ecology Insti tute , Fuj ian Academy of A gricultural Sciences , Fuz hou 350013 , China;
3.Central Laboratory , Fuj ian Academy o f Agricultural S ciences , Fuzhou 350013 , China ;
4.Soi l and Ferti l izer I nst itute , Fuj ian Academy o f Agricul tural Sciences , Fuzhou 350013 , China)
Abstract:The ef fect of drought stress on leaf-ul t rastucture of Chamaecrista rotundi folia st rain 86134
w as studied.The results show ed that there lied significant changes in leaf cells chlo roplast and mitochon-
drial ult rast ructure of Chamaecrista rotundi f ol ia under moderate , severe and ex t reme drought condi tions.
Mitochondrial oute r membrane sw elled o r rived and its inclusion ef fused.Granum-thy lakoid also swelled
and the chloroplast membrane of some cells ruptured;in addit ion , as the st ress level increased , the amount
of starch g rains reduced;chlo roplast and thylakoid w ere the most sensitive to drought st ress , follow ed by
mitochondria , and they can be used as cy to logical indicators of Chamaecrista rotundi folia to drought.
Key words:Chamaecrista rotundi f ol ia;Drought stress;Leaf;Ultrastucture
(上接第 29页)
Influence of UV-B Radiation on Contents of Rubisco and
H2O2 and Proteolytic Activity in Leaves of Alfalfa
WU Xu-hong1 , LUO Xin-yi2
(1.College of L i fe S cience and Engineering , Qiqihaer University , Qiqihaer 161006 , China;
2.Insti tute of Animal S cience o f Hei long j iang P rov ince ,Qiqihaer 161041 , China)
Abstract:Effect of UV-B radiation on contents of Rubisco and H 2O 2 and proteo ly tic activity in leaves of
seedling s of tw o alfalfa varieties w as studied.0.4 W/m 2 UV-B treatment caused the content o f H 2O 2 and
pro teoly tic activity increased and the content of Rubisco decreased.The increase scope of content o f H2O 2
and proteo lyt ic activi ty and decrease scope o f Rubisco in leaves of Zhunger alfalfa unde r UV-B treatment
w as larg er than that mul ti-leaves type of alfalfa 8925.Ascorbic acid (ASA)t reatment can significantly
reduce the content of H 2O 2 in seedling s o f tw o cul tivars , meanwhi le obviously inhibi t increase of pro teoly t-
ic activity and decrease of content o f Rubisco , UV-B-induced decrease in Rubisco amount may be that acti-
vation of proteo lyt ic sy stem w as reinforced th rough increase of H2O2 level to speed up the decomposi tion of
Rubisco ,which show ed tha t UV-B radiation had phy siological ef fect on young leaves of alfalfa.
Key words:Alfalfa;UV-B radiation;Rubisco;H 2O 2 ;Pro teoly tic activity
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中国草地学报　2008年　第 30 卷　第 1 期