全 文 ：Hg
2+胁迫下芡实叶超微结构的变化
　收稿日期: 1999- 07- 01
基金项目:国家自然科学基金资助 ( 39770046)
作者简介:解凯彬 , 1969- , 硕士 ,南京师范大学生命科学学院讲师 ,从事水生植物的教学与研究 .
解凯彬 1 ,施国新1 , 杜开和1 ,丁小余 1 ,常福辰 1 ,陈国祥 1 ,陈庆翔2
( 1.南京师范大学生命科学学院 ,南京 , 210097)
( 2.高邮师范学校 ,扬州市高邮 , 225000)
[摘要 ]　报道了 Hg2+ 胁迫下芡实叶超微结构的变化 .芡实叶片受 Hg2+ 毒害的初期 ,线粒体的嵴出
现瓦解 ,中央空泡 .质体发育受阻 ,原片层结构破坏 ,外膜突起呈泡状 .成熟叶绿体中基粒类囊体解
体 .随着毒害的加深 ,叶绿体中类囊体膜结构均遭破坏 ,外膜解体 .叶柄细胞受害后 ,叶绿体中央出
现大型淀粉粒 ,其周围的类囊体解体 ,其它症状和叶片细胞相似 .
[关键词 ]　 Hg2+ ;芡实 ;叶 ;超微结构
[中图分类号 ]Q949. 710. 5;　 [文献标识码 ] A;　 [文章编号 ]1001- 4616( 2000) 03- 0100- 04
0　引言
重金属离子毒害导致植物生理功能的变化前人已有报道 [1, 2 ] ,而对植物细胞超微结构的影
响的报道却不多见 ,少数以高等植物为对象的研究也局限于一些陆生植物 [3 ] .高等水生植物生
活在水体当中 ,其生活习性和形态结构特征均具有独特性 ,研究重金属离子对水生植物超微结
构的毒害 ,一方面为水环境污染对植物的生物学效应研究增添了新的内容 ,另一方面也为重金
属离子毒害对植物造成的生理学伤害反应提供形态学上的佐证 .丁小余等人最近对水生植物
莼菜在 Cd2+ 胁迫下的伤害反应进行了初步研究 [8 ] ,本文则以大型水生经济植物芡实为对象 ,
着重观察了 Hg2+污染对叶片和叶柄的伤害引起的细胞超微结构的变化 ,现将结果报道如下 .
1　材料与方法
1. 1　材料
供实验用的芡实 ( Eurysle ferox Salisb. )采自苏州市娄葑乡群力村大田和南京师范大学
生命科学学院花房水生植物培育池 .将发育程度相近的芡实植株分别移入培养缸中 ,作无土培
养 ,其中一缸作为对照组 ,其余的分别以 5、 10、 20、 30、 40、 50 mg /L等梯度浓度的 Hg2+培养液
进行培养 .
1. 2　方法
1. 2. 1　显微结构
取对照组和 Hg2+ 梯度浓度培养的植株的叶片和叶柄 , FA A( 50% )固定 ,石蜡包埋 ,制成 7
～ 8μm的切片 , PAS-苏木精复染 , Olympus BH-2显微镜下观察、摄影 .
1. 2. 2　亚显微结构
取材同显微结构 , 2%戊二醛固定 48 h,漂洗后 2%锇酸固定 2 h,丙酮脱水 , EPON812包埋 ,
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第 23卷第 3期 南京师大学报 (自然科学版 ) V ol. 23 No. 3
2000年 JOU RN AL OF N AN JIN G N ORM AL UN IV ERSI TY( Natural Science) 2000
LKB-V超薄切片机切片 ,醋酸双氧铀—— 柠檬酸铅双重染色 ,日立 ( HIT ACHI) A-600-2透射
电镜下观察并摄影 .
2　结果
2. 1　Hg2+胁迫下植株的受害症状及显微结构观察
芡实在 5～ 50 mg /L的 Hg2+ 培养液中培养 24 h后 ,呈现不同程度的受害症状: 5 mg /L组 ,
叶片在叶脉之间出现零星的失绿后形成的坏死斑 ,坏死斑部位呈浅绿色 .随着时间的推移 ,坏
死斑部位由浅绿变为灰白色 .当培养至 72 h后 ,坏死斑面积约占叶片总面积的 15% . 10 mg /L
组的植株和 5 mg /L组情况相似 ,至 72 h,叶片表面坏死斑仅占叶片总面积的 20%左右 . 20～ 40
mg /L组植株在 Hg2+ 处理 48 h后 ,坏死斑处由灰白变为黑色 .当培养至 72 h后 ,叶片坏死斑达
到叶片总面积的 40%～ 50% . 50 mg /L组的植株在 Hg2+ 处理 48 h后 ,叶片坏死斑处发黑 ,叶肉
组织腐烂 . 72 h后坏死斑约占叶片总面积的 80% ,叶片趋于死亡 .
叶柄受到的伤害 ,反映在叶柄由绿色逐渐成为灰白色 ,组织逐步失去弹性 ,并最终坏死 .从
刚出现坏死斑的叶片的横切面显微结构来看 ,受害组和对照组植物的叶片细胞壁结构均较为
完整 ,所不同的是 ,受害组植物叶片中栅栏组织细胞液泡化程度变大 ,通气道隔膜细胞收缩明
显 [图版 I, 2 ] ,而对照组植物的栅栏组织细胞排列较紧密 ,细胞质较浓 ,通气道隔膜细胞无明
显变形 [图版 I, 1 ].
2. 2　Hg2+对叶片细胞超微结构的影响
对照组叶片结构未见异常 ,原生质紧贴细胞四周 ,细胞核由于受到液泡的挤压 ,位于细胞
边缘 ,呈扁平状 ,核质均匀 ,核膜无皱折 [图版 I, 5 ].叶绿体呈透镜状 ,基质均匀 ,类囊体结构完
整清晰 ,基粒类囊体呈圆盘状 ,叶绿体中嗜锇颗粒数量较少 ,形体也较小 .线粒体外被双层膜 ,
其内膜向内折叠伸出许多形式不同的嵴 ,基质均匀 ,在电镜下观察电子密度较低 ,内质网呈线
状沿细胞壁排列 ,高尔基体分布在核附近的角隅处 [图版 I, 3, 5 ].
5 mg /L组处理 24 h后 ,线粒体嵴开始解体 ,嵴的数目减少 ,细胞中未观察到高尔基体的
存在 .质体发育受阻 ,少数质体外被的双层膜形成泡状突起 .叶绿体稍显肿胀 ,结构却未见明显
破坏 [图版 I, 4].
10 mg /L组处理 24 h后 ,线粒体的嵴已大部分解体 ,中央呈空泡状 [图版 I, 6 ].质体中的
原片层结构进一步解体 ,中央呈空泡状 ,而此时内质网结构正常 ,其上附着核糖体 [图版 II, 8 ].
成熟叶绿体中基粒类囊体开始解体 ,基质类囊体保持完整 ,叶绿体中片层结构呈现出平行排列
的波浪状 [图版 I, 6 ].
20 mg /L组处理 24 h后 ,叶绿体肿涨 ,叶绿体类囊体膜结构受到破坏 ,在电镜下已很难看
清基粒类囊体的圆盘状结构和基质片层结构 ,类囊体皱缩折叠在一起 ,呈波浪状 ,叶绿体中的
嗜锇颗粒逐渐增多 ,且体积增大 ,叶绿体外被的双层膜出现破裂的现象 ,细胞中其他细胞器已
完全破坏消失 [图版 II, 7 ].
2. 3　Hg2+对叶柄细胞超微结构的影响
正常的叶柄细胞 ,结构和叶片中相似 ,线粒体内膜向内形成多数的嵴 ,基质均匀 .叶绿体基
粒明显 ,类囊体结构清晰 ,叶绿体中无淀粉粒储存 [图版 II, 9 ] ,显示细胞的合成代谢和转运功
能较为活跃 .
10 mg /L组处理 24 h后 ,线粒体嵴大部分解体 ,中央呈空泡状 .幼嫩的质体发育阻滞 ,原
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解凯彬 ,等: Hg2+ 胁迫下芡实叶超微结构的变化
片层减少 ,少数质体和叶片中相似 ,外被双层膜突起呈泡状 [图版 II, 12].成熟叶绿体片层结构
刚开始出现解体 ,电镜下观察 ,片层的膜结构开始呈现模糊状态 [图版 II, 10].
20 mg /L组处理 24 h后 ,叶绿体中类囊体片层严重破坏 ,中央出现有大的淀粉粒 ,占据了
叶绿体的大部分体积 ,残留的类囊体片层围绕在淀粉粒的周围 ,嗜锇颗粒由数量多、体积小 ,聚
集成为大的球体 ,叶绿体的外被膜也开始解体 .此时 ,细胞中其他细胞器已完全破坏消失 [图版
II, 11].
3　讨论
Hg
2+ 在植物体内的分布是有一定的规律性的 ,一般来说 ,根部大于茎部大于叶片 ,植物不
同的器官、不同的发育时期 ,对 Hg2+ 的吸收和富集也是各不相同的 ,处于生长发育阶段 ,生理
活动旺盛的器官和部位积累的 Hg2+ 就多 ,受到的毒害就大 [4 ] .对植物细胞的细胞器而言 ,同样
符合这个规律 ,即处于发育早期的细胞器生理活动较为旺盛 ,受到的毒害也就大 .在同一个细
胞中我们观察到 ,当成熟的叶绿体才刚刚呈现出受害的症状时 ,幼嫩的前质体受害已较严重 .
线粒体是植物细胞有氧代谢的非光合作用能量转换的中心 .它含有多种酶类 ,参与细胞的
氧化作用、电子传递和能量转换 [5 ] .在 Hg2+对芡实体细胞毒害过程中 ,线粒体出现受害反应总
是先于叶绿体 ,说明线粒体对重金属污染较叶绿体更为敏感 .在芡实体细胞受 Hg2+ 毒害时 ,线
粒体出现的变形、嵴的减少等变化往往是由于钾离子和水分子从线粒体的内腔渗透到外腔所
造成 ,这个时期 Hg2+ 抑制线粒体膜上 ATP酶的活性 ,影响线粒体内的氧化磷酸化过程和各种
酶的活性 [3 ] .随着 Hg2+ 对细胞毒害加深 ,线粒体嵴解体 ,中央出现空泡 ,这时线粒体全部功能
丧失 ,线粒体趋于死亡 .
Hg
2+ 对叶绿体具有特异性伤害 , Hg2+在光合膜电子传递链上存在专一性的抑制位点 [6 ] ,
因此 , Hg2+ 污染可以抑制光合膜的光能转化 ,从而抑制光合效率 . Hg2+ 对叶绿体结构的破坏
上 ,首先是导致基粒类囊体的解体 .这和丁小余 [ 8]、彭鸣 [ 3]等人的观察结果一致 .基粒的解体 ,
使叶绿体捕获光能的能力下降 ,影响光合作用等一系列功能 [3 ] .在叶绿体中 , PSII主要分布在
基粒类囊体的膜上 , PSI则在基粒类囊体和基质类囊体膜上均有分布 [7 ] . Hg2+毒害首先造成基
粒类囊体的解体从结构学的角度证明了光系统 II对 Hg2+ 更为敏感的论点 [ 9 ] .同时 ,叶绿体类
囊体膜结构的破坏和解体 ,使构成膜的脂质成分得以积累 ,形成多数脂质小球 ,即嗜锇颗粒增
多 ,这些小的嗜锇颗粒逐步聚集成较大的脂质球 .通常情况下 ,芡实叶柄细胞的叶绿体中一般
不含淀粉粒 ,但当植物细胞受重金属离子毒害后 ,细胞的代谢水平降低 ,生理活性下降 ,叶绿体
的机能也随之降低 ,造成了淀粉粒在芡实叶柄细胞叶绿体中的积累 .质体外膜呈泡状突起 ,这
一现象在前人就重金属离子对植物细胞毒害所作的研究中未见提及 ,产生这一现象的原因尚
有待进一步探讨 .
4　图版说明
Chl.叶绿体 ; Cw .细胞壁 ; E.表皮 ; Er.内质网 ; Gb.高尔基体 ; M .线粒体 ; N .核 ; P.栅栏组织 ; Pd.质体 ; S.海绵组织 ;
Sg.淀粉粒 .
图版 I　 1.对照组叶片排列较紧的栅栏组织细胞 .× 66; 2.受 Hg2+毒害的叶片栅栏组织细胞开始分离 ,液泡化程度升高 .×
66; 3. 对照组叶肉细胞正常的亚显微结构 ,线粒体的嵴明显 ,叶绿体基粒片层排列整齐 .× 8 500; 4. 5 mg /L Hg2+ 处理
24 h ,质体外被膜突起形成空泡 ,叶绿体受害较轻 .× 12 500; 5.对照组叶肉细胞中核、高尔基体、叶绿体的正常亚显微结构 .
× 7 500; 6. 10 mg /L Hg2+ 处理 24 h,叶绿体基粒片层解体 ,线粒体嵴消失呈空泡状 (箭头 ) .× 8 500.
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南京师大学报 (自然科学版 )　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 23卷第 3期 ( 2000年 )
图版 II　 7. 20 mg /L处理 24 h ,叶肉细胞中叶绿体膜结构破坏 ,外被膜解体 (箭头 ) .× 15 000; 8. 10 mg /L Hg2+处理 24 h ,
质体受害后片层解体 ,内腔出现空泡 .× 15 000; 9. 对照组叶柄细胞正常的亚显微结构 ,线粒体嵴明显 ,叶绿体基粒片层清
晰明显 ,无淀粉粒 .× 17 500; 10. 10 mg /L处理 24 h ,线粒体空泡 ,叶绿体基粒片层开始解体 .× 25 000; 11. 20 mg /L处理
24 h ,叶绿体片层解体严重 ,中央出现大的淀粉粒 ,具大的脂质球 .× 17 500; 12. 10 mg /L处理 24 h,前质体外膜突起形成空
泡 .× 30 000.
图版 I 图版 II
[参考文献 ]
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(下转 108页 )
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解凯彬 ,等: Hg2+ 胁迫下芡实叶超微结构的变化
( 2)以高档微机、必要的输入、输出设备和成熟的地理信息系统软件、工具软件作平台 ,以
卫星遥感数据作为重要的信息源 ,建设地级市资源环境信息系统 ,花费不大 ,可行性好 ,实用性
强 ,是适合目前我国一般地区级地理信息系统建设的有效途径 .
[参考文献 ]
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Research on Prefectural GIS of Resources and Environment
— A Case Study in the Huaiyin Prefecture of Jiangsu Province
HUANG Jia -zhu
1 ,SONG Jian-ping
2
( 1. Ins ti tute of Environm ental Science, Nan jing Normal Univ ersi ty, Nan jing, 210097, PRC)
( 2. The Plan ning Commission of Huaiyin M unicipali ty , Huaiyin, 223001, PRC)
Abstract: 　 In this paper , the application o f prefectura l resour ces and env ironment G IS to na tional land
planning and reg iona l sustainable development is introduced , based on the prac tice o f the demonstration study
on satellite r emote sensing and G IS applica tions to regional development in the Huaiyin Prefec ture of Jiang su
Prov ince, China.
Keywords: 　 remo te sensing ; G IS; resour ces; env ironment; the Huaiyin Prefectur e
[责任编辑: 陆炳新 ]
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Ultrstructural Changes in Leaf Cells of
Euryale Ferox Salisb. by the Stress of Hg
2+
XIE Kai -bin
1
,SHI Guo -xin
1
,DU Kai -he
1
,DINGXiao -yu
1
,
CHANG Fu-chen
2
,CHEN Guo -xiang
2
,CHEN Qing -xiang
2
( 1. Col leg e of Lief Science, Nanjing Normal Universi ty, Nanjing , 210097, PRC)
( 2. Gaoyou Teach er s Sch ool, Gaoyou, Yangzhou , 225000, PRC)
Abstract: 　 Ultra st ructural changes in leaf cells o f Euryale ferox Sa lisb. by the stress of Hg2+ ar e repo rted.
At the prima ry stage when the leaves suffer ed for the poison o f Hg2+ , the mito chondria began to v acuolate
with the cristea s disinterg ra ting , the development o f pla stid wa s blo cked with the poison of Hg2+ , the
pro lam ellar body could no t be observ ed and a bulb-like structure shapped by the outer membrane s
pro tr uding. The g ranumthy lakoid disinterg r ated in ch lo roplasts. With th e incr ea sing of the poison, the
thy lakoid and outer membrane o f chlo roplasts have suffe red destr uction. There appear s lar ge sta rch gr ain in
the middle of the chlo roplast in leaf stalk with the poison, and the th ylakoid around the starch g rain
disinterg r ated, while th e o ther symptoms ar e similar to tha t of leaf.
Keywords: 　 Hg2+ ; Euryale ferox Sa lisb; leaf; ult rastr uctur e
[责任编辑: 孙德泉 ]
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南京师大学报 (自然科学版 )　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 23卷第 3期 ( 2000年 )