全 文 ：植物生理学报 , 1 990 , 16 ( 2 ) : 1弓3一 1 57
A ct d Phy t op 勿油lox ,’c a s动 ,’ca
巧 3
杨梅根瘤的显微和亚显微结构及固氮活性
王慧英 黄维南
踌福建亚热带植物研究所 , 厦门 3 61 0 0 9 )
提 妥
杨梅根瘤的横切面是回形 、 对称的 , 含菌组
织位于皮层的中部。 未成熟根瘤的感染细胞充满
内生菌丝 。 内生菌丝是分枝。 具隔膜的 F r a n k ia
菌。 成熟根瘤中 , 内生菌丝顶端膨大 形 成无 隔
膜 、 表面光滑 、 球形的泡囊 ,直径比菌丝直径大 ,
内含有某种内含物。 泡囊的大量出现可能是固氮
活力提高的标志 , 成熟壮瘤的固氮活性比幼瘤和
衰老瘤的高 。
材 料 与 方 法
关越饲 非豆科共生固氮 , 杨梅 , 根瘤 , 亚显微
结构
杨梅是我国南方种植面积较大的非豆
科木本固氮植物之一 , 它不仅是优 良果树 ,
而且是绿化荒山的先锋树种 , 其共生固氮
效率较高 , 因此研究共生固氮的过程 , 具
有理论和实践意义 。
与放线菌 ( A ct in o m y二t es ) 共生结瘤
的植物已有 2 0 0 种左右 , 分属于被子植物
的 7 目、 s 科 、 2 3属 (曾 定 x g s 7 ) 。 但是 ,
对非豆科树木与放线菌的共生固氮过程的
研究 , 仅在欧洲恺木 ( A ln us g uI t l’n 口 sa ) 、香
杨 梅口幻了 ica ga le ) 、 南 部 杨 梅伍勺夕ir ca
c er lfe ar )
、 木麻黄属 ` h ` ua ur l’n a) 、 胡颓子
属 (刀。 e以g刀us ) 、 马桑属 (co r l’ar l’a ) 等植 物
中进行 ( B e e k i gn 一9 7 0 , 曾 定 一9 5 7 ) ,
对于杨梅根瘤的共生过程则未 见 详 细 报
道 , 我们用光学显微镜和电子显微镜观察
杨梅根瘤共生结构 , 并研究了不同成熟度
根瘤的固氮活力 。
杨梅 协珍r ic a o b ar S i e b . e r Z u e e . ) 的根瘤
大部分取自盆栽土培苗和沙培苗 , 苗龄分别为 2
~ 3 年和 1 ~ 2 年 。 一部分取自种植于沙质红壤
地上的三年生幼树。
光学显徽彼现察 新鲜根瘤洗净后 ,立即用 F A A
溶液固定 , 石蜡包埋 。 切片厚 度 5~ 8邵m 。 用番
红一固绿 (李正理 19 7 8) 或 ! %赤 醉 红一 1 % 甲
基绿染色 , 观察一般结构 。
电镜扫描 新鲜根瘤洗净后 , 用 2 % 多 聚 甲醛
和 2 . 5 %戊二醛混和液固定 , 真空干燥 , 喷金 ,
镜检。
扭射电镜观案 根瘤切成约 l m m . 大小 , 用 2%
多聚甲醛和 2 . 5 %戊二醛混和液前 固定 。 锹 酸
后固定 。 E p o n 8 12 环氧树脂包埋 , 超薄切片。
醋酸双氧铀一柠檬酸铅双重染色。
固氮醉活性洲定 依照乙炔还原法测定 (上 海 植
物生理研究所固氮室 19 7 4) 。
结 果
根瘤的外部形态
杨梅的根瘤多数着生于分 枝 的 侧 根
上 , 形成珊瑚状或球形的根瘤簇 , 每个根
瘤簇最初一般含有 2 ~ 5 个瘤瓣 。每个瘤瓣
形成的根瘤一般是短椭圆形或棒 状 的 , 珊
瑚状或球状根瘤是顶端分生组织活动产生
多重分叉的结果 。 若瘤瓣顶端分生组织不
再发生分裂 , 其末端产生一个大致朝上生
长的瘤根 ( on du l e r o o t ) 。
每个杨梅根瘤从发生到衰败 , 在个体
2 98 9年 5月 15 日收到 -
植 物 生 理 学 报 16卷
发育的不同时期 , 其颜色会发生变化 。 一
般幼年的根瘤是乳白色或淡棕色 , 壮年根
瘤为黄棕色 , 衰老瘤呈深褐色 。
根瘤的形态结构
根瘤的横切面是圆形 、 对称的 , 其中
央部分分化为维管束 , 与根的中柱 相 连 ,
维管束外部是皮层和周皮 。 皮层中部是含
菌组织区 , 其中大多被内生菌感染 , 有时
也有少量未被感染的小细胞 (图版 I 一 1 ) 。
根抽的含菌细胞
根瘤切片在光学显微镜下 , 可观察到
许多被 内生菌感染的细胞 (图版 I 一 l ) , 感
染细胞大多数集中于根瘤的皮层组织中。
根瘤顶端的分生组织一般没有感染细胞的
分布 。
被内生菌充满的含菌细胞 , 用番红一
固绿染色常呈现绿色 , 用赤鲜红一 甲基绿
染色 , 被赤鲜红染成红色 。
根瘤中的内生菌
在未成熟根瘤中 , 含菌细胞中菌丝较
多 , 在光学显微镜下 , 菌丝交 织 成 一 团
(图版 I 一 2 ) 。 在成熟根瘤中 , 菌丝已分化 ,
菌丝较少或几乎不含菌丝 。
透射电镜的观察揭示了内生菌是一种
丝状 、 具隔膜的菌丝 ( 图版 I 一 ) , 宽 0 . 5
~ O
·
7 灿 m 。 扫描电镜可观察到菌丝是分枝
的 。 菌丝的细胞壁为电子密度较高的单层
壁 , 体内核物质分散 , 没有明显的细胞核
结 构 。 这 与 S i lve r ( 1 9“ ) 和 B e e k i此 等
( 1 9 6 4) 的报道及黄家彬等 ( 1 9 8 5) 对根瘤内
生菌纯培养的扫描电镜观察结果均一致 。
因此 ,杨梅根瘤内生菌是放线菌中F ar kn i。
菌 。 在根瘤的成熟过程中 , 内生菌随着发
育而不断分化 , 可形成泡囊 ( v se ic le ) 。
泡班的形成及其形态结构
透射 电镜观察还表明 , 泡囊是菌丝顶
端膨大发育形成的 。 其形状 、 直径的大小都
与菌丝不 同。 图版 I 一 4可见一菌丝的末端
膨大发育成泡囊 。 以后随着泡囊的发育 ,菌
丝逐渐消退 ,最后菌丝完全转变为泡囊 。 泡
囊着生在菌丝一侧细分枝的顶端 上 (图 版
6 )
。 这与 M e st e r s 等 ( 10 5 7 ) 及黄家彬 等
( 19 8 5) 对内生菌纯培养的观察 结果 相 一
致。 在杨梅的成熟根瘤中 , 内生菌发育成
泡囊是一个重要的阶段 。 杨梅根瘤的泡囊
没有隔膜 , 表面光滑 , 大致为球形 , 直径二
约 1 . 6 ~ 4 · e环m 。
通过透射电镜观察 , 发现泡囊内含有 -
某种 电子密度较大的内含物 (图版 I 一 6 ,
7 )
。随着根瘤的发育 , 泡囊的成熟 , 它们 ,
的形态结构也发生变化 。
不同成熟度的根瘤固氮活性
如上所述 , 杨梅根瘤从发生到 衰 败 , `
在其个体发育的不 同时期 , 不仅内部结构
有所变化 , 外部颜色也不同 。 不同成熟度
的根瘤 , 固氮活性也有差异 (表 1 ) 。
表 1 不同成熟度的根瘤固氮活性
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讨 论
根据杨梅泡囊的扫描电镜 和 透 射 电 、
镜观察 , 泡囊是无隔膜 、 表面光滑 、 球形
或大致为球形的结构 , 直径 约 1 . 5一 4 . 0
灿m 。 这和 G么r d ne (r 19 7 6) 报道的 香 杨 梅
和南部杨梅泡囊的形状和大小差异较大 。
虽然杨梅 (M . r ub ar ) 、香杨梅 (M . ga le )和
南部杨梅 (M . “ 尹沂君a) 是同科 同 属 的植
2 期 杨梅根瘤的显微结构及固氮活性
物 , 但因种类不同 , 其各种相应组织的内
部结构也有差异 。
到目前为止 , 除杨梅外 , 在已发现有
泡囊结构的植物中 , 泡囊都是菌丝顶端膨
大发育形成的 , 且泡囊大多数是在成熟根
瘤中出现的 。 A k k er m a n , 用四氯 哇 盐 处
理的细胞化学方法 , 证 明泡囊簇是根瘤中
还原活性最高的部位 ( A gn lu 。 等 1 9 76) ,
而氮分子的固定要求有很强的还原条件 。
V a n S t ar de n 等 (一0 7 7 )报道 , 从恺木分离
的一簇泡囊 , 在适当的培养条件下显示固
氮活性 。 Va n d e n 等 l( 9 8 3) 用香杨梅 内生菌
接种香藏木 ( oC 抑 t o n i a 夕e r塔 r i n a ) , 产 生
的有效瘤和无效瘤的最明显区别是后者缺
乏泡囊 , 因此可认为泡囊是固氮的场所 。
杨梅未成熟的根瘤和成熟壮瘤在结构
上的最明显区别是 : 成熟壮瘤产生大量的
泡囊 , 未成熟根瘤中则泡囊较少或没有 。
成熟壮瘤的活性均高于幼小瘤和衰老瘤 。
虽然衰老瘤中泡囊的形态结构 还 有 待 研
究 , 但可以认为 , 泡囊的大量出现是根瘤
旺盛 固氮的标志 ,并可 以推测 , 成熟壮瘤 、
幼瘤及衰老瘤固氮活性的差异 , 可能与根
瘤共生结构的变化有关 。
T j
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a 等 ( 1 9 80) 曾认为泡囊含有
固氮酶 , 泡囊对其内的固氮酶 有 防 O : 的
作用 , 这种防氧作用可能是由于泡囊内的
特殊代谢机制 , 或者是 由于泡囊厚壁的相
对不透性 。 从图版 I 一 6 和 7 可见 ,泡囊的
内部可能含有某种内含物 , 该种内含物的
电子密度较大 。 与图版 I 一 3相比较 , 泡囊
壁和菌丝胞壁的厚度差异不大 。 泡囊的内
含物与泡囊固氮功能的关系可 能 更 为 密
切 , 值得深入研究 。
图版 I 一 6 和 7 泡囊的内含物有差 异 ,
这种差异可能与泡囊的发育时 期 不 同 有
关 , 因为图版 I 一 7 中的泡囊有类似 “ 双 层
膜 ” 的结构 , 其 “双层膜 ” 的中间是 电子 透
明“ 圈” 。 这种现象与 G a r d ner ( 1 9 7 6 ) 报道
-
的成熟后期泡囊相似 。 其次 , 图版 I 一 7中
泡囊的内含物向泡囊中部收缩 , 内含物与
泡囊壁分离 , 可能是成熟后期的泡囊 , 而·
图版 I 一 6 中的泡囊可能是发育早期 的 泡 .
囊 。
致谢 : 蔡克强 、 蔡龙祥 、 蓝 谷等同志提供杨梅
试验材料 , 张振压同志和沈阳应用生态所电镜室
协助有关植物切片和电镜技术 。
参 考 文 献
上海植物生理研究所固氮室 . 固氮研究中乙炔还原耐
定方法的简易化 。 植物学报 19 74 , 1:6 3 8 2一
3 84
李正理 . 植物切片技术 。 科学出版社 , 19 7 8 , 67 一 6弘
页
黄家彬 、 杨慧凡 、 蒋建德 、 赵振英 、 朱宝琴 、 钟玉华
杨碧芳 、 刘惠昌。非豆科固氮树木根瘤放线菌的
研究— F r a n k i a 菌株的分离 , 培养及 回接 。 非豆科树木共生固氮研究专集 ( 2 ) , 中国科学院林 -
业土壤研究所 1 98 5
曾 定 。 固氮生物学 。 厦门大学出版社 , 19 87 , 183 一
2 0 2页
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2期 杨梅根瘤的显微结构及固氮活性 15 7
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