全 文 ：新疆短命植物东方旱麦草和独行菜 C4相关结构的初步研究
李秀明 ,刘 彭 ,谷丽丽 ,姚世响 ,油天钰 ,兰海燕 ,张富春
(新疆大学生命科学与技术学院/新疆生物资源与基因工程重点实验室 ,乌鲁木齐　830046)
摘　要:短命植物的快速生长及高光效特性使它们能在早春萌发后较短时间内完成生活史并获得大量种子。
为探讨高光效产生的内在原因 ,研究利用树脂半超薄与超薄切片技术对东方旱麦草和独行菜叶片显微及超
微结构进行观察 ,并对维管束相关参数进行了统计分析 ,结果显示:(1)东方旱麦草显微结构具有类“花环”结
构 ,维管束密度介于 C3 、C4 对照之间 ,鞘细胞中的叶绿体多数离心分布且数量接近 C4植物;超微结构显示其
鞘细胞叶绿体的基粒与片层结构与叶肉细胞不同 , 但又与 C4 植物存在一定差异。(2)独行菜维管束有类“花
环”结构 , 维管束密度大于C3 对照并存在极显著差异 , 鞘细胞中叶绿体多数离心分布;超微结构显示叶绿体基
粒与片层没有叶肉细胞发达。以上研究结果初步说明东方旱麦草和独行菜的解剖结构特点均介于 C3、C4 植
物之间而接近 C4植物。
关键词:短命植物;C3/C4 植物;东方旱麦草;独行菜;(半)超薄切片
中图分类号:Q944.2　　　文献标识码:A　　　文章编号:1001-4330(2009)01-0028-06
Studies on the C4-related Structures of Two Ephemerals-Eremopyrum
orientale (L.)and Lepidium apetalum Willd in Xinjiang
LI Xiu-ming , LIU Peng , GU Li-li , YAO Shi-xiang , YOU Tian-yu , LAN Hai-yan , ZHANG Fu-chun
(Xinjiang Key Laboratory of Biological Resources and Genetic Engineering , College of Life Science and
Technology , Xinjiang University , Urumqi 830046 , China)
Abstract:Fast growth and high photosynthetic efficiency of the ephemeral plants provide them with a large
quantity of seeds when they complete their life cycles in a short time after germination.The leaf semi-ultra thin
and ultra-thin cross sections of E.orientale and L.apetalum were employed to explore the anatomic
structures related to the high photosynthetic efficiency.Results of observation and parameter analysis showed:
(1)The microstructure of E.orientale had apparent Kranz-like bundle sheath anatomy;the vascular density of
leaf was higher than that of C3 but lower than that of C4 plants;most of the chloroplasts in the bundle sheath cells
(BSC)displayed centrifugal location pattern , which was similar to C4 plant.The ultrafine structure revealed that
the chloroplasts in BSC was different from those in mesophyll cells(MC)and the structure and quantity of grana and
lamella , however , neither of them was totally identical with the C4 plant.(2)The microstructure of L .apetalum
also had Kranz-like anatomy , its vascular density was significantly higher than that of C3 plant(P +<0.01),
most of the chloroplasts in the BSC were distributed centrifugally , and their grana and lamella were less developed
than those in MC.The above results illuminated that the anatomic structure of the two ephemerals were
characterized between the C3 and C4 plants , but more closely related to C4 plant.
Key words:ephemeral plants;C3/C4 plants;Eremopyrum orientale L.;Lepidium apetalum Willd;semi-
ultrathin cross sections
短命植物是生活于极端干旱环境 ,利用冬春雨雪水在春末夏初迅速完成生活周期 ,并以种子形式渡
过不良环境的特殊生态类型[ 1 ,2] 。它们不仅在饲用 、药用 、观赏 、育种等方面具有潜在的价值[ 3] ,而且在
收稿日期:2008-07-25
基金项目:国家教育部留学回国人员启动基金项目(2006-2008);国家教育部科学技术基础条件平台建设项目(505016);新疆生物资源
与基因工程重点实验室开放基金项目(XJDX0201-2005-03)
作者简介:李秀明(1983-),女 ,山东人 ,硕士 ,研究方向为生化与分子生物学 ,(E-mali)xiumingli@yahoo.cn
通讯作者:兰海燕(1969-),女 ,新疆人 ,教授 ,博士 ,硕士生导师 ,研究方向为植物抗逆分子生物学 ,(E-mali)lanhaiyan@xju.edu.cn
致谢:新疆大学细胞生物学教研室的计巧灵教授在半超薄切片制备技术方面给予了耐心指导和帮助;新疆大学理化测试中心的骆建敏
老师在环氧树脂配制与超薄切片观察方面给予了指导 ,在此一并表示衷心感谢。
新疆农业科学　2009 ,46(1):28-33
Xinjiang Agricultural Sciences
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
增加春季荒漠地表的粗糙度 、防沙固沙等方面也显示出重要的应用前景[ 3 ,4] 。短命植物能在较短时间
内完成生活史并获得大量种子 ,充分显示其高光效特性[ 5 , 6] ,而这一特征可能是准噶尔荒漠早春短命植
物快速生长发育的生理机制之一[ 6] 。东方旱麦草(Eremopyrum orientale L.)和独行菜(Lepidium apetalum
Willd.)广泛分布于新疆准噶尔盆地南缘与伊犁河谷地带 ,是新疆北部早春短命植物的主要类群 。邱娟
等[ 6]人通过对多种短命植物光合相关参数的研究 ,认为东方旱麦草和独行菜的同属植物抱茎独行菜为
C3植物;而刘常娥[ 7]和于喜凤[ 8]等在东方旱麦草和独行菜叶片的石蜡切片中发现了含有较多的叶绿体
的维管束鞘细胞 ,认为二者具有C4植物结构特征。为了详细了解这两种短命植物光合相关结构 ,研究
利用环氧树脂半超薄及超薄切片对东方旱麦草和独行菜叶片的维管束鞘相关结构进行了进一步的观
察 、统计 ,并利用超薄切片对叶肉叶绿体内部结构进行观察 ,期望在解剖结构方面为东方旱麦草和独行
菜的光合碳同化类型的定位提供理论参考依据。
1　材料与方法
1.1　材 料
独行菜(L.apetalum)与东方旱麦草(E.orientale)种子于 3月中旬播于铺有水饱和的三层滤纸的平
皿中 ,并置于 25 ℃恒温光照培养箱中萌发 3 d后移栽至蛭石∶花土∶珍珠岩(1∶2∶1)生长基质中 。小麦
(Triticum aestivum L.)、油菜(Brassica napus)、玉米(Zea mays L.)的种子直接播于以上基质中 ,其上覆盖
约1 cm同样疏松基质 。室温 18 ～ 20 ℃,保证充足水分供给 ,室内自然光照 ,生长 1个月后 ,取植株第三
片幼叶中段进行实验 。
其中小麦为东方旱麦草的同科 C3对照 ,玉米为其 C4对照。由于十字花科中尚未发现典型 C4植
物[ 9 ,10] ,只取了油菜作为同科 C3对照。
1.2　方 法
1.2.1　叶片半超薄切片和超薄切片制备
将叶栽成 1 mm ×3 mm 大小 ,经 2.5%戊二醛和 1%的锇酸联合固定后分别用 30%, 50%, 70%,
80%,90%,95%,100%(2次)乙醇脱水 ,置换至丙酮后 ,再用不同梯度的丙酮:环氧树脂浸透至纯环氧树
脂(环氧树脂配方:8.86 mL/Epok-812+3 mL/DDSA+6.23 mL/MNA+0.3 mL/DMP-30)。包埋后 ,在
37 、45和 60 ℃分别孵育 24 h 。将模块取出 ,修块并切片。用于光镜观察的切片厚度为 1 ～ 2 μm ,用甲苯
胺蓝-O染色后经光镜观察并照相 。用于电镜观察的切片厚度为 0.12μm ,经醋酸铀 、柠檬酸铅双染后
在电镜下观察并照相 。
1.2.2　维管束相关参数统计方法
用Motic B5 professional光学显微镜(Bock Optronics Inc., Canada)观察 ,Motic Images Advanced 3.1软
件取相。维管束鞘细胞和叶肉细胞的大小皆用其长径表示。在叶片横切面上随机选取 3 ～ 5个维管束
结构 ,并选其中叶绿体清晰可辨的维管束鞘细胞 ,统计其中的叶绿体个数。
1.2.3　数据分析
用GraphPad Prism 4 软件对数据进行统计分析 , 用 One way -ANOVA 进行差异显著性分析 ,以
P <0.05表示差异显著(＊), P <0.01和 P <0.001表示差异极显著(＊＊)。
2　结果与分析
2.1　东方旱麦草叶片显微结构观察
研究看出禾本科植物的叶片均为等面叶 。东方旱麦草维管束间距大(图 1-A1),鞘细胞大小较均
匀 ,内含多数叶绿体(图 1-A3),叶肉细胞较 C4植物玉米排列疏松(图 1-C2),具有类“花环(Kranz)”结
构(图 1-A2)。鞘细胞中的叶绿体大多呈离心分布 ,少数向心分布(图 1-A3),与 C4植物(图 1-C)相
似。小麦(C3对照)叶片中的维管束鞘细胞不明显 ,但大致可分出两层 ,内层细胞小 ,壁加厚 ,不含叶绿
体;外层为较大型薄壁细胞 ,内含少量叶绿体(图 1-B)。玉米(C4对照)的结构与文献所述一致[ 11] ,具
有典型“花环”结构(图 1-C2),维管束鞘细胞中含有大而多的叶绿体 ,且叶绿体均呈“离心”分布(图 1-
C3)。图 1
进一步对东方旱麦草及对照组植株的维管束相关参数进行了统计分析 ,结果显示:(1)维管束间距
离:东方旱麦草与小麦和玉米都存在显著差异(P <0.05)。(2)维管束鞘细胞大小:东方旱麦草与玉米
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和小麦都没有显著差异。(3)维管束鞘细胞叶绿体数:东方旱麦草与小麦存在显著差异(P <0.05),但
与玉米无显著差异。即东方旱麦草维管束的密度介于 C3和C4植物之间 ,维管束鞘细胞中叶绿体数接
近于 C4植物 。表 1
对鞘细胞中叶绿体密度进行了比较 ,东方旱麦草与 C3 植物小麦的叶绿体密度差异极显著(P <
0.001),但与玉米的无显著差异(P >0.05),这说明在同样的生长条件下 ,东方旱麦草的叶绿体密度更趋
近于 C4植物 。图 2
2.2　独行菜叶片显微结构观察
独行菜与 C3植物油菜叶片横切结构 。独行菜有类似栅栏组织的细胞 ,但细胞间隙较大 ,下表面气
孔数量较多 ,具有较明显的异面叶特征(图 3-A1 ,A2)。维管束鞘细胞明显且大小均匀 ,其中有较多的
叶绿体 ,多数呈离心分布 ,有类“花环”结构(图 3-A3)。油菜叶片为典型的异面叶 ,栅栏组织与海绵组
　　A.东方旱麦草叶片横切.B.小麦叶片横切.C.玉米叶片横切.放大倍数:A1 , B1, C1(100×);A2 , B2 , C2(400×);A3 , B3 , C3(100×)。
A.Leaf cross section of E.orientale.B.Leaf cross section of T.Aestivum leaf.C.Leaf cross section of Z.mays.Magnif ication:A1 , B1 , C1(100×);
A2 , B2, C2(400×);A3 , B3 , C3(100×).
图1　东方旱麦草叶片及维管束半超薄树脂切片
Fig.1　Semi-ultra thin cross sections on leaf and vascular bundle structures of E.orientale
表1　禾本科短命植物维管束相关参数
Table 1　Vascular bundle-related parameters of the gramineous ephemeral plants
植物类型
Plant type
相邻维管束间距(μm)
Intervals between VB
鞘细胞大小(μm)
Size of BSC
鞘细胞叶绿体数(个)
Number of chloroplast s
鞘细胞叶绿体大小(μm)
Chloroplast size of BSC
东方旱麦草
E.orientale 217.6±6.5a 16.7±2.9 a 5.8 ±1.5 a 5.4 ±0.6a
小麦
T.aestivum L 241.8±16.4b 15.1±4.1 a 2.7±1.7b 4.7±0.4a
玉米
Zea mays L 95.7±11.9c 17.8±6.8 a 7.5±2.5a 6.8 ±0.7a
　　注:数值为平均数±标准误(n = 20),同列数据右侧不同字母者相互间差异显著 P<0.05。
Note:Data represent the means±SE(n=20).In the same row , signif icant difference with different letters(P<0.05)VB:vascular bundle , 维管
束.BSC:bundle sheath cell , 维管束鞘细胞.
·30·　　　　　　　　　　　　　　　新疆农业科学　　　　　　　　　　　　　　　　　46卷
织分化明显 ,栅栏组织细胞体积较大;海绵组织多层细胞横向伸长 ,其中叶绿体多分布在层间细胞接触
面 ,无明显维管束鞘结构(图 3-B2)。图 3
两种十字花科叶片横切面上的维管束间距的统计分析结果显示 ,独行菜与油菜的维管束密度差异
极显著(P <0.001)。表 2
表 2　十字花科短命植物维管束相关参数
Table 2　Vascular bundle-related parameters of the cruciferous ephemeral plants
植物类型
Plant type
相邻维管束间距(μm)
Intervals between VB
鞘细胞大小(μm)
Size of BSC
鞘细胞叶绿体数(个)
Number of chloroplast s
鞘细胞叶绿体大小(μm)
Chloroplast size of BSC
独行菜
L.apetalum 160.0±79.3 15.6 ±3.1 5.8±1.3 5.0±0.5
油菜
B.napus 285.5±73.6＊＊ — — —
　　注:数值为平均数±标准误(n=20).—:油菜的维管束鞘细胞很不明显 ,无法进行相关统计。
Note:Data represent the means ±SE(n=20).—:The data can not get because BSC of L.apetalum were not obvious.VB:vascular bundle , 维管
束。 BSC:bundle sheath cell , 维管束鞘细胞.
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2.3　两种短命植物叶绿体超微结构的观察
利用透射电镜对两种短命植物的超微结构观察结果表明 ,东方旱麦草(图4-A1)、玉米(图 4-C1)、
独行菜(图 4-B1)都具有一层明显的维管束鞘细胞 ,且其中含有较多的叶绿体。通过超薄切片可以进
一步观察到叶绿体的超微结构 。东方旱麦草(图 4-A3)、独行菜(图 4-B3)及 C4植物玉米(图 4-C3)
的叶肉细胞叶绿体中基粒与片层结构的发育状况优于叶肉叶绿体(图 4-A2 , B2 ,C2),在玉米叶片的横
切面中 ,这种对比尤其明显。玉米的维管束鞘叶绿体(图 4-C2)中几乎观察不到明显的基粒和片层结
构。图4
A1-A3.东方旱麦草.B1-B3.独行菜.C1-C3.玉米.A1 , B1, C1 , Bar=10μm;其他图中 Bar=500 nm。
A1-A3.E.orientale B1-B3.L.apetalum .C1-C3.Z.mays.A1 ,B1 ,C1 , Bar=10μm;in others Bar=500 nm.
图4　两种短命植物维管束鞘及叶绿体超微结构
Fig.4　Ultrastructure of vascular bundle and chloroplasts of two ephemeral plants
3　结论与讨论
3.1　树脂切片结果的比较显示:东方旱麦草和独行菜都具有明显的维管束鞘结构 ,且在鞘细胞中分布
着较多的叶绿体(图 1-A ,图3-A),此特性与C4植物(图1-C)相似 ,而与典型的C3植物(图 1-B ,图
3-B)有明显区别 。C4植物的维管束鞘细胞内含 RuBP 羧化酶 ,是进行 Calvin循环的主要场所 ,其周围
富含 PEP 羧化酶的叶肉细胞可从细胞间隙富集低浓度 CO2 并经 C4循环进入鞘细胞[ 12] ,且 PEP 羧化酶
的活性是 RuBP羧化酶的 60倍[ 9] ,从而提高 C4植物的光合效率。因此花环结构奠定了 C4植物高光饱
和点及高光效的物质前提[ 14 , 15] 。研究表明新疆许多短命植物的叶片解剖结构与 C4植物相似 ,具有“花
环”或类“花环”的维管束鞘结构[ 9 ,16 , 17] ,这可能是短命植物高光效特性的结构基础 ,并为短命植物有效
利用早春季节的光温水资源 ,从而在2 ～ 3个月内大量结实并迅速完成生活史提供可能和保障。但短命
植物高光效的生理生化及分子生物学机制 ,如光合关键酶的定位及活性等方面的研究还有待深入 。
3.2　在典型 C4植物中 ,鞘细胞中叶绿体呈明显的离心分布 ,此排布方式有利于叶肉细胞中叶绿体固定
的CO2向鞘细胞的高效转运以及细胞间隙 CO2的重固定[ 18] 。研究结果显示 ,玉米鞘细胞叶绿体为典型
·32·　　　　　　　　　　　　　　　新疆农业科学　　　　　　　　　　　　　　　　　46卷
的离心分布(图 1-C2 ,1-C3),而两种短命植物的类“花环”结构中 ,鞘细胞的叶绿体大多数呈离心分
布 ,从而使这些叶绿体更容易接受来自叶肉细胞的 CO2 固定产物;有少数呈向心分布 ,利于夺回鞘细胞
中光呼吸产生的 CO2[ 19] ,进一步提高 CO2的利用效率 。
3.3　在相同的生长条件下东方旱麦草的维管束间距及鞘细胞叶绿体密度均介于其同科 C3 ,C4对照之
间(表 1;图 2);而独行菜的维管束间距也小于其C3对照(表2)。Osamu 等人的研究表明C4植物叶片的
维管束间距较 C3植物小 ,由此单位面积上的维管束细胞及叶绿体数增加 ,使 C3 循环能更有效地进
行[ 18] 。另外 ,维管束还是水分和有机物的输导组织 ,其密度越大 ,对水分和光合作用产物的输导能力越
强 ,从而光合效率也越高 。东方旱麦草与独行菜鞘细胞的叶绿体内部超微结构与其对应的叶肉细胞有
较明显差异 ,表现为:虽有较多片层结构但基粒不如叶肉细胞发达 ,与 C4植物相似[ 11] 。
3.4　通过以上的分析比较显示:东方旱麦草和独行菜叶片解剖结构与C3植物存在明显差异 ,但与典型
的C4植物也不完全相同 ,属 C3-C4居间类型 。因此要进一步确定其光合地位还需进行相关生理生化
指标(主要是光合关键酶和光呼吸强度)的测定[ 13 ,18 , 20] 。
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