全 文 ：第 31 卷 第 3 期
2010 年 7 月
华南农业大学学报
Journal of South China Agricultural University
Vol． 31，No． 3
Jul． 2010
收稿日期:2009-09-17
作者简介:胡伟娟(1980—) ，女，博士研究生;通信作者:张启翔(1956—) ，男，教授，博士，E-mail:ZQX@ bjfu． edu． cn
基金项目:国家林业局重点项目(2003-008-L0) ;“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAD01A18)
灰岩皱叶报春和滇北球花报春在热锻炼和
热胁迫下叶肉细胞超微结构的差异
胡伟娟，张启翔，潘会堂，董玲玲
(北京林业大学 园林学院，北京，100086)
摘要:为研究报春花属 Primula植物对高温的响应机制，从超微结构的角度探讨热锻炼提高耐热性及不同品种耐热
性差别的原因，利用透射电镜的方法，对耐热种灰岩皱叶报春 P． forrestii 和不耐热种滇北球花报春 P． denticulate
ssp． sinodenticulata进行了热锻炼(38 ℃，12 h)和热胁迫(42 ℃)条件下细胞超微结构的观察．结果表明，热锻炼提
高了核膜的热稳定性，延缓热胁迫对叶肉细胞超微结构的破坏，从而可提高细胞的耐热性．耐热种和不耐热种在热
锻炼与热胁迫过程中的超微结构变化过程基本相同，只是被破坏的时间有差异;叶肉细胞中叶绿体比线粒体对高
温敏感，在热胁迫过程中，存在线粒体数量增多的现象，推测是报春属植物对逆境的积极响应对策．
关键词:报春花属;热锻炼;热胁迫;超微结构
中图分类号:S682． 15;Q248 文献标识码:A 文章编号:1001-411X(2010)03-0043-04
Difference in Ultrastructure of Mesophyll Cell Between Two Primula Species
with Different Thermotolerance Under Heat Acclimation and Heat Stress
HU Wei-juan，ZHANG Qi-xiang，PAN Hui-tang，DONG Ling-ling
(College of Landscape Architecture，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China)
Abstract:To study the response mechanism of Primula to high temperature and find the reasons for the
enhancement of heat resistance after heat acclimation and the difference in heat resistance between differ-
ent species from the perspective of the ultrastructure，the ultrastructure of mesophyll cell in heat-resistant
species (Primula forrestii)and non-heat-resistant species (P． denticulate ssp． sinodenticulata)were inves-
tigated under the heat acclimation (38 ℃，12 h)and heat stress (42 ℃)using the method of transmis-
sion electron microscopy． The results showed that heat acclimation improved thermotolerance of cell and
thermal stability of nuclear membrane，and delayed the ultrastructural destruction in heat stress． The ultra-
structural changes between heat-resistant species and non-heat-resistant species under the heat acclima-
tion and heat stress was basically same，but the difference lay in the time of destruction;mesophyll chloro-
plast was sensitive to heat than the mitochondria in the process of heat stress，the phenomenon of the num-
ber increase of mitochondria，suggesting that the genus Primula had a positive response to stress environ-
ment．
Key words:Primula;heat acclimation;heat stress;ultrastructure
由于近年来全球气温持续升高，使高温造成的
生产损失越来越严重，因此对植物耐热性的研究已
经引起人们的广泛重视．对于观赏植物而言，高温胁
迫不但影响其生长表现和观赏价值，更是制约高山
观赏植物资源引种的一个重要因子．报春花属 Prim-
ula植物是著名的高山花卉，以其丰富绚丽的花色、
各具特色的花型而备受世界各地人们的喜爱，被外
国尤其是欧美国家的花卉园艺者赞为“世界三大花
园植物”之一［1］．由于报春花大多分布在高山冷凉地
区，温度是影响其引种利用的主要因子之一，所以研
究报春花属植物的耐热性和对高温的响应机制是十
分必要的．已有的研究证明，作物经过热锻炼后，其
在热胁迫过程中的耐热性会得到明显提高，说明热
锻炼能够提高组织的耐热性，而且，品种的耐热性差
异只有经过热锻炼才能表现出来，即在锻炼前耐热
性相近的不同品种经过热锻炼后获得的耐热性可能
会有很大的差异［2-4］． 因此，研究不同品种在热锻炼
过程中获得耐热性能力不同的原因，对于发掘耐热
品种资源，培育耐热新品种，均有非常重要的意义．
以往的研究多集中在热锻炼后热激蛋白的产生及对
酶活性影响等生化指标方面［5-7］，而对超微结构变化
与耐热性的关系的研究较少． 本试验选择在北京温
室中越夏时田间表现不同的 2 个报春种———灰岩皱
叶报春(安全越夏)和滇北球花报春(难越夏) ，通过
比较其在热锻炼和热胁迫过程中叶肉细胞超微结构
的变化，说明热锻炼提高耐热性及不同品种耐热性
差别的原因，探讨植物在高温胁迫时细胞的最初反
应．为植物耐热性机制、耐热品种选育及从细胞学方
面建立耐热性评价指标提供理论依据．
1 材料与方法
1． 1 材料
选用生长习性相同、据田间表现认为抗热性有
明显差异的 2 个报春种为材料，其中灰岩皱叶报春
Primula forrestii 为耐热种，滇北球花报春 P． denticu-
late ssp． sinodenticulata为不耐热种．
材料在北京林业大学胖龙温室进行穴盘播种
28 d后移栽至直径 8 cm的营养钵，盆基质为 V(草炭
土)∶ V(珍珠岩)= 3∶ 1，根据温室的条件进行常规的
养护管理和病虫害防治，幼苗在处理前的生长条件
为白天平均温度 21 ℃，夜晚平均温度为 16 ℃;每天
光照时间约为 10 ～ 12 h;水分充足．
1． 2 方法
1． 2． 1 热锻炼和热胁迫处理 待 2 种报春花幼苗
长出 6 ～ 8 片真叶时，将材料分为 2 组，每组 30 株，一
组放于(38 ± 0. 5)℃ 的光照培养箱中 12 h 作为热
锻炼处理，另一组放置于室温(22 ℃)下作为对照．
随后将 2 组材料放入(42 ± 0. 5)℃培养箱中做热胁
迫处理，间隔 10、30、60、120 和 180 min 分别取样，取
样部位为相同部位的真叶，以不做热胁迫处理为对
照，对照置于室温(22 ℃)下培养．
1. 2. 2 取样及透射电镜超微结构观察 将热胁迫
处理过的材料取出，迅速冷却，随机取样． 用锋利的
双面刀片，在处理和对照的叶片中部切取长 1 mm、
宽 1 mm的小片，快速投入到 w 为 2. 5%(pH7. 2)的
戊二醛固定液中，抽气机抽气 5 ～ 10 min． 更换戊二
醛(w为 2，5%)固定液，固定 2 h或更长时间．用 0. 1
mol·L －1磷酸缓冲液(pH7. 2)漂洗 4 次，每次 20 ～
30 min． w为 1%锇酸固定 3 h，0. 1 mol·L －1磷酸缓
冲液(pH7. 2)漂洗 2 次，每次 15 min．用 φ 为 30%、
50%、70%、80%、90%、100%、100%、100%丙酮依次
脱水，每级 20 min．用 V(丙酮)∶ V(Spurr 树脂)为 1∶ 1
的混合液浸透 24 h．纯 Spur 树脂浸透 24 h．包埋、干
燥及聚合(70 ℃)． LKB-Y 型超薄切片机切片，醋酸
双氧铀和柠檬酸铅双重染色，JEM-100S 透射电镜观
察并照相．
2 结果与分析
2． 1 滇北球花报春在热锻炼和热胁迫过程中的超
微结构变化
不耐热种(滇北球花报春)对照的叶肉细胞结
构正常，各细胞器完好，质膜结构清晰． 叶绿体是叶
肉细胞中最明显的细胞器，数量较多，为梭形或长椭
圆形，沿质膜分布，细胞中央为大液泡(图 1a)．经热
锻炼后，叶肉细胞部分部位发生质壁分离，质壁分离
处的质膜外方出现膜被小泡，叶绿体内淀粉粒增多
(图 1b) ，其他结构无异常变化．
未经热锻炼的滇北球花报春在热胁迫 10 min 时
叶肉细胞无明显变化，与对照基本相同．胁迫 30 min
后，叶肉细胞无质壁分离现象，叶绿体内淀粉粒不
多，但发现有些细胞的液泡膜被破坏(图 1c)．胁迫 1
h后叶肉细胞发生了明显变化，质壁分离严重;叶绿
体开始膨胀变圆，仍聚集在一起，沿质膜分布，叶绿
体膜稍有解体，类囊体片层松散，结构紊乱;线粒体
嵴和内膜逐渐解体(图 1d)．胁迫 2 h后，细胞内物质
破化程度加剧(图 1e)．
经过热锻炼的滇北球花报春在热胁迫 10 min 及
30 min时，叶肉细胞的结构基本正常．而胁迫 1 h时，
出现质壁分离现象，部分细胞内少数叶绿体膜开始
产生小泡，甚至破裂，叶绿体内片层随之松散，基质
片层末出现明显变化;线粒体双层膜结构仍清晰可
见(图 1f)． 胁迫 2 h 后，质壁分离严重，多数细胞叶
绿体膜开始产生小泡，甚至破裂，内片层随之松散;
液泡膜开始解体;线粒体外膜破裂(图 1g) ;少数细
胞结构遭到完全破坏． 胁迫 3 h 后，细胞破坏严重
(图 1h) ，细胞严重收缩．
44 华 南 农 业 大 学 学 报 第 31 卷
a:未热锻炼，热胁迫 0 min，细胞结构正常，× 4 000;b:热锻炼，热胁迫 0 min，质壁分离，× 12 000;c:未热锻炼，热胁迫 30 min，无质壁分离，淀粉
粒不多，× 3 000;d:未热锻炼，热胁迫 1 h，叶绿体膜破裂，× 12 000;e:未热锻炼，热胁迫 2 h，细胞内物质有所破坏，× 4 000;f:热锻炼，热胁迫 1
h，质壁分离，× 4 000;g:热锻炼，热胁迫 2 h，线粒体外膜破裂，× 20 000;h:热锻炼，热胁迫 3 h，细胞破坏加重，× 3 000．
图 1 滇北球花报春的叶肉细胞观察
Fig． 1 Observation of the mesophyll cell in Primula denticulate ssp． sinodenticulata
2． 2 灰岩皱叶报春在热锻炼和热胁迫过程中的超
微结构变化
耐热种(灰岩皱叶报春)对照的叶肉细胞结构正
常，细胞器形态和分布与滇北球花报春基本相同．经
热锻炼后，多数叶肉细胞发生质壁分离，质膜内陷，
在质膜和细胞壁之间出现了多泡结构，叶绿体内淀
粉粒增多(图 2a) ，其他结构无异常变化．
未经热锻炼的灰岩皱叶报春在热胁迫 10 min
时，叶肉细胞无明显变化，与对照基本相同． 胁迫 30
min后，少量叶肉细胞存在质壁分离现象，叶绿体内
淀粉粒增多，未发现细胞器膜的破坏(图 2b)．胁迫 1
h后多数叶肉细胞发生了质壁分离;叶绿体膨胀变
圆，仍沿质膜分布;液泡膜稍有破裂，少数解体，线粒
体增多(图 2c)．胁迫 2 h后，细胞多数部位发生质壁
分离，液泡膜破裂解体，产生很多小泡;叶绿体膜开
始破裂，内片层随之松散，脂肪粒膨胀增大;线粒体
外膜破裂;少数细胞破坏严重(图 2d)． 胁迫 3 h 后，
多数叶绿体外膜严重解体(图 2e) ，细胞严重收缩．
a:热锻炼，热胁迫 0 min，质壁分离，淀粉粒增多，× 12 000;b:未热锻炼，热胁迫 30 min，出现质壁分离，泡状物及脂质小球增多，× 3 000;c:未热
锻炼，热胁迫 1 h，线粒体增多，× 4 000;d:未热锻炼，热胁迫 2 h，细胞遭到破坏，× 3 000;e:未热锻炼，热胁迫 3 h，叶绿体外膜解体，内容物模
糊，× 12 000;f:热锻炼，热胁迫 1 h，开始出现质壁分离，细胞结构基本正常，× 3 000;g:热锻炼，热胁迫 2 h，叶绿体膜开始破裂，内片层随之松
散，× 12 000;h:热锻炼，热胁迫 3 h，解体的细胞器碎片排列在细胞中部，× 3 000．
图 2 灰岩皱叶报春的叶肉细胞观察
Fig． 2 Observation of the mesophyll cell in Primula forrestii
经过热锻炼的灰岩皱叶报春在热胁迫 10 和 30
min时，叶肉细胞的结构基本正常． 胁迫 1 h 时开始
出现质壁分离现象，细胞器膜未受到破坏，膜结构仍
清晰可见(图 2f)． 胁迫 2 h 后，质壁分离严重，少数
细胞叶绿体膜开始破裂，内片层随之松散(图 2g) ;
液泡膜开始解体;线粒体外膜破裂;少数细胞结构遭
54第 3 期 胡伟娟等:灰岩皱叶报春和滇北球花报春在热锻炼和热胁迫下叶肉细胞超微结构的差异
到完全破坏．胁迫 3 h后，少数线粒体开始解体，细胞
收缩，细胞壁模糊不清，解体的细胞器碎片排列在细
胞中部(图 2h)．
3 讨论与结论
3． 1 热锻炼提高耐热性及其原因探讨
从本试验结果可以看出，耐热种和不耐热种报
春在经过热锻炼后，细胞超微结构都发生了适应性
的变化．再进行热胁迫时，都推迟了细胞受伤害的时
间，整个胁迫过程中，细胞受伤害的程度也低于未进
行过热锻炼的对照，从细胞微观结构的变化上说明
热锻炼能够提高报春属植物的耐热性．
热锻炼后叶肉细胞超微结构的变化与热锻炼前
相比，耐热种和不耐热种报春未进行热胁迫时叶肉
细胞均出现了部分质壁分离，在质壁分离处的质膜
外方有膜被小泡或与细胞壁之间存在多泡结构，叶
绿体内脂质小球或脂肪粒增多的现象． 叶肉细胞在
热锻炼过程中出现部分质壁分离可能对其在热胁迫
下热致死时间的延长起重要作用［8］，因为叶片在蒸
腾失水降低叶温的同时，也可使细胞液浓度增加，减
少自由水比例，加大束缚水比例，增强植株的耐热
性．另外，被膜小泡及多泡结构的生理意义可能在于
增加质膜的表面积，能对高温起着一定的缓冲作用．
而热锻炼后叶绿体内脂质小球增多现象可能是叶绿
体对热胁迫环境的一种表现［3］．
3． 2 不同种报春在热锻炼及热胁迫过程中叶肉细
胞超微结构变化的差异
通过比较耐热种与不耐热种报春超微结构的变
化可以看出，在热锻炼提高耐热性方面，2 种报春基
本没有差异，都可以通过热锻炼来提升耐热性能．但
在热胁迫的过程中，2 种报春表现出了不同的耐热
性，试验显示，在相同的胁迫时间内，不耐热报春细
胞所受的损伤较大，叶绿体、线粒体、液泡等都出现
不同程度的破坏;不同耐热性品种的液泡、质膜、线
粒体及叶绿体在热锻炼与热胁迫过程中的超微结构
变化过程基本相同，只是被破坏的时间有差异，热胁
迫使不耐热报春细胞中细胞壁周围，叶绿体，线粒体
膜降解，说明了热胁迫容易使细胞内膜系统的结构
稳定性降低，功能丧失，最终导致分解聚集． 而耐热
品种就可以抵抗热胁迫对膜、细胞壁和某些细胞器
的伤害，说明耐热品种比不耐热品种膜的热稳定性
高是其耐热的主要原因． 但耐热品种的这种对热胁
迫的热忍耐抵抗机制和原因还是一个极其复杂的过
程，还需运用更加先进的方法，从形态、生理生化、生
物物理、遗传、细胞生物学及分子水平上进一步探讨
植物热反应机制．
3． 3 叶绿体与线粒体在热锻炼与热胁迫过程中的变化
从试验结果可以看出，细胞中膜结构的破坏是
植物受高温胁迫的主要变化． 而高温对细胞结构的
影响程度取决于植物耐热性的强弱． 植物各亚细胞
结构中叶绿体是对高温比较敏感的细胞器，这与
Ristic等［9］发现玉米叶绿体结构受热刺激破坏较大相
一致;而呼吸作用器官线粒体比叶绿体的耐热能力要
强得多，因此植物受高温胁迫后会导致同化产物消耗
占优势，使植物达到“饥饿”状态［10］．本试验所得结果
进一步证明了线粒体比叶绿体更具有相对的热稳定
性．另外，试验发现耐热报春在受到热胁迫时，产生
了线粒体增多的现象，这在以往热胁迫对细胞超
微结构影响的文献［3-4，8］中未见报道，但在翠南报春
P． sieboldii对低温的适应性变化［11］中，发现了这一超
微结构的变化，即在一定的低温范围内，翠南报春细
胞会随着温度的降低而增加线粒体的数量． 推测原
因可能是报春属植物对逆境的一种积极响应对策．
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【责任编辑 李晓卉】
64 华 南 农 业 大 学 学 报 第 31 卷