全 文 ：第 6 1卷
9 18 3
第 1期
年 3月
实 验 生 物 学 报
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啊}噪 乙酸和激动素对简麻愈伤组织
细胞壁上纤丝排列的影响
郭季芳 叶和春 魏玉凝 段静霞 李暇东
(中国科学院 植物研究所)
植物细胞的特征之一 ,是具有细胞壁 。
细胞壁的形态和结构又可分为多种类型 。
这些不同壁类型的细胞群 , 在植物体内又
分别组成各种具有不 同功能的组织 。 其中
在工业上经济价值最大的是由纤维细胞所
构成的韧皮纤维和含有大量木质素的次生
壁的细胞所组成的木质部 。 但迄今人们对
这些不同类型的细胞壁的形态建成机理仍
缺乏了解 。
自 3 0 年代以 来 F er y 一W y日s il n g 等 应
用偏光显微镜 , X 一射线分析和电子 显 微
技术对植物细胞壁的形态结构进行了大量
研究 (参见 F er 卜W y s s iln g[ 头 F er 卜W y s s -
iln g 和 M Ohl et h al er z[] ) 。 目前 已知植物的
细胞壁是由纤维分子聚合而成束状的 “ 基
本纤丝 ” (又称微团 ) , 这些基本纤丝又聚
合成束状形成微纤丝 , 许多微纤丝再聚合
成大纤丝 ,它们覆盖于细胞质膜的表面 ,建
成初生壁 。 初生壁嵌入木质素等填充物又
逐步发育为次生壁 , 所以纤维素纤丝是构
成细胞壁的基本骨架 (参见 R o ba r ds [3〕) 。
更 自 lA b esr h ie m 等 ( lA b e sr he im [’1 ; K e -e
g st ar 等闹 )开展了对初生壁的成分和结构
的研究以来 , 提出了对细胞壁的构筑模式
概念 ;并且认识到细胞壁也参与维持细胞 ,
组织乃至整体植株的生命代谢活动 。至此 ,
人们才改变了以往对细胞壁无生理活性的
旧观念 。 但若要从理论上阐明细胞的分化
机理和在应用上能达到调节控制特定组织
的建成 , 首先必需深入探明组成细胞壁的
大分子的沉积形式 , 壁的成分及其结构和
功能 。
近年来 , 对激素调节控制植物细胞生
长的研究 , 证明了叫噪乙酸能促进细胞伸
长 ( C l e lan d [ . ] ; M a s u da [7〕) , 而激动素在
促进横向增大的同时 , 却抑制 细 胞 伸 长
(S hi ab
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, J )
。 植物细胞扩大的方向与
纤维素 微 纤 丝 的 沉 积 方 位有 关 ( G er -
en l0[ 〕 )
。 电子显微镜 的观察已发现细胞 壁
的微管控制着微纤丝的沉积 方 向 (Ne w -
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m b [
1 1 ]
,
S o h n eP f 等人 [ 1 2 ] , H eP l e r [ 1 3 ] ,
S a e hS 等人 [1 4 ] ) 。 Shi b a o k 、 [9 ]观察到一 些
激素可以引起吏豆上胚 轴细胞中微管排列
方向发生不 同的变 化 。 s a w hn ey 及 s ir va -
st at 淤川 发现赤霉酸可 以影响葛首表皮细
胞微管和微丝的排列 。 从这些研究结果 ,
指出激素不仅可能调节微管方向 , 并且还
可能影响纤维素微纤丝沉积的排列形式 。
为此 , 我们对激素影响纤丝沉积的形式进
行了超微结构的研究 , 以期进一步阐明植
物细胞壁建成的机制。
1 9 8 2年 4 月 6 日收到 。
郭季芳 叶和春 魏玉凝 段静霞 李暇东 16 卷
材料和方法
材料和处理
取筒麻下胚轴 , 诱导产生愈伤组织 ( 叶和春
等〔 l e] ) , 然后以其继代培养的愈伤组织团块中位
于表层上新分生的 、只具有初生壁的细胞为材料 。
这样选出的细胞 , 我们用组织化学方法 , 碘氯化
锌及间苯三酚反应 , 抽样检查 , 证明是不含木质
素而只是由纤维素构成的初生薄壁细胞 。 由于在
愈伤组织培养的研究中 , 目前仍很难得到全部或
大部细胞同步生长 。我们所采用的筒麻愈伤组织 ,
虽经多方试验 , 仍不能达到同步 。 因此 , 才选用
继代培养转移 8一9天后的组织团块上最外层新分
生出来的圆形或接近于圆形的细胞 。 经过多次观
察 , 认为这些细胞都是具有分生细胞活力的薄壁
细胞 。 用这些细胞作为实验材料 , 在多次的重复
实验中所观察得到的壁上纤丝变化的情况是比较
一致的 .
进行实验前 , 先作激素饥饿处理 , 即将选得
的细胞移植至稀释一半浓度的 M S 基本培养基中
不加激素 , 使细胞内原含有的激素等物质减少。
三天后 , 将一半细胞转入稀释的 M S 基本培养基
( 1 / 2大量元素 , 1 / 10 微量元素和肌醇 , 0 . 1%蔗
糖 )在液体中悬浮培养 , 另一半则放在固体 上 培
养 。 实验处理时 , 在悬浮和固体培养中的细胞 ,
各分为三个小组 : ( 1 )加入叼!噪乙酸2 P P m , ( 2 )
加入激动素10 p m , ( 3 )不加激素的对照 。
实验方法
扫描电镜及透射电镜样品的制备及观察 。
l
` 细胞表面结构的样品制备 分别在激素
处理后 24 、 48 、 72 小时收集在悬浮培养中 的 细
胞 , 先用 O4 目的铜纱网过滤 , 然后低速离心 ,
用戊二醛或80 %乙醇固定 。 经一系列 乙 醇 脱 水
后 , 用二氧化碳临界点千燥法或求烯升华法干燥
(郭季芳等l[, 1 ) , 然后喷金 , 在扫 描 电镜 s 一 450
下观察 。
2
. 亚显微结构超薄切片的制备 主要以固
体上培养的细胞为材料 ,收集细胞后 ,用戊二醛 、
锹酸双固定 , 经一系列乙醇脱水 , 渗透 , E OP n
81 2 包埋 。 切得薄片后 , 用醋酸双氧铀及柠檬酸
铅染色 , 在透射电镜 H U 一 1 一 A 下观察。
实 验 结 果
一 、 细胞壁表面结构的变化
在无激素中培养三天之后 , 进行激素
实验之前的细胞 (对照 O时 ) , 壁上纤丝细
而短 , 并有小突起物 (图版 I , 图 l ) 。 继
续在无激素中培养的对照组细胞 , 经24 小
时后 , 壁上结构状况与 。 时的大致相似 。
48 小时后 , 纤丝略增长 ,排列无一定方向 ,
间或有平行排列的纤丝 , 并有小块状突起
物 (图版 I , 图 2 ) 。 至 72 小时 , 纤丝延长 ,
排列略为倾斜交叉 。
用 2 p P m 浓度的叫噪 乙酸处理的愈
伤组织细胞 , 24 小时后 , 细胞壁表面纤丝延
长 , 相互交错成 网状排列 ( 图版 I , 图 3 ) 。
随着叫噪乙酸处理时间的加长至48 或 72 小
时 , 纤丝继续延长 、 增多 、 紧密交叉 , 有
时还出现有较大的突起物 (图版 I , 图4) 。
用浓度为 10 P m 的激动素处理的细
胞 , 处理 24 小时后 , 细胞壁的表面显出有
较粗的交叉网状纤丝 (图版 1 , 图 7 ) ; 处
理 48 小时后 , 壁上的纤丝开始出现有方向
性的排列 。 一些细胞壁上的纤丝间嵌有块
状或鳞片状物质 ( 图版 I , 图 8 ) 。 另一部
分细胞开始延长 , 纤丝成束地与细胞生长
轴成垂直方向排列 。 纤丝束间有松散的短
纤丝和点状物 ( 图版 l , 图 9 ) 。 随着处理
时间的增加 , 壁上纤丝束密集成环 , 及至
72 小时 , 这些延长了的细胞 , 纤丝环粗厚
且密 , 呈现出环纹或螺纹导管细胞的形状
(图版 I , 图 1 0 ) 。
二 、 细胞盛超徽结构的变化
在超薄切片的制作过程中 , 发现悬浮
1 期 叫噪 乙酸和激动素对简麻愈伤组织细胞壁上纤丝排列的影响
培养的细胞含水量大 , 壁极薄 , 在样品制
作过程中壁易破损 。 在固体培养基上生长
的细胞 , 脱水和包埋的效果较好。 所 以切
片都是采用实验处理中固体培养组的细胞
为材料 。 从透射电镜观察发现 , 激素处理
48 小时后 , 微纤丝排列形式的变异较为明
显 。 因此 , 以处理 48 小时的圆形未分化的
细胞为主要观察对象。
观察结果表明 , 在缺激素的对照组的
细胞壁上 , 微纤丝排列成疏松的网状 (图
版 I , 图 6 ) 。 经 Z P Pm 呜!噪乙酸处 理 4 5
小时后 , 壁上微纤丝相互交叉形成致密的
网状结构 ( 图版 I , 图 6 ) 。 经 10 p p m激动
素处理48 小时的细胞壁 , 纤丝粗厚交织成
网格形 , 其中靠外壁的部分的纤丝显示出
有层次地和略带倾斜的排列 (图版 I , 图
1 1 )
。
讨 论
以上实验结果表明 , 在 2 P Pm 叫噪乙
酸的浓度处理下 , 荷麻愈伤组织细胞壁上
的纤丝增多并伸长 , 而在 10 P m 的激动
素处理下 , 胞壁上纤丝加粗 , 渐而有方向
性地集合成束 , 部分细胞变长 , 同时壁上
的纤丝束合成环状 , 显示出导管细胞的形
状 。 因此 , 可以认为激动素可以促进维管
细胞的分化 , 这与叫噪 乙酸 (2 P m )处理
的结果是不同的 ,后者没有出现这种现象 。
由此看来 , 一定浓度的叫噪乙酸或激动素
都可能使简麻愈伤组织细胞壁上纤丝的沉
积形式发生变化 。 随着细胞的生长 , 初生
壁的纤丝从细小到粗大 , 密集 、 继而发生
定向的沉积 , 纤丝间的原有基质渐少 , 而
嵌入的物质渐多 , 细胞失去可塑性而成为
次生壁 ;也就是从未分化变为分化的细胞 。
这说明细胞壁的沉积形式是与细胞分化和
组织建成密切相关的 。 所以激素引起细胞
分化的机制很可能也与激素影响细胞壁纤
丝的生成和沉积有关 。
关于细胞壁 , 特别是初生壁 , 扩展生
长时纤丝沉积的形式 (胞壁 的构筑 ) , 目前
有两种假说 , 即 “ 多 网假 说 ” (M u lt in e t
h yP ot he is ) 和 “ 有秩序的亚单 位 假 说 ”
( O r de er d
s u b u n i t h即 o t h e s is ) 。 “ 多网假
说 ” 是 R o e l o fs e n 在 1 9 6 5 [1 8 ]年提出的 。 他
认为高等植物的初生壁是由微纤丝束相互
滑动交叉而形成的一种松散网状结构 , 而
次生壁则是相互紧密平行的 排 列 结 构 。
R oha d[ 19] 的 “ 有秩序的亚单位假说 ” 认为
初生壁是由多层不同方向的纤丝所构成 ,
有如胶合板构型 , 壁的扩张生长方向是由
壁上的有秩序的亚单位所支配 。 而我们则
观察到在悬浮培养中的新分生的圆形和近
于圆形的细胞 , 壁上的纤丝首先是由无定
向分散状态向相互交错的松散 网 状 发 展
的 。 这可能是由于这样的细胞 , 它所接受
的外界各方面的压力几乎相等 , 因而导致
纤丝沉积无一定 方 向 。 F er y 一w y s s功 19 〔l]
曾提出 , 等径细胞 , 壁的微纤丝是完全无
定向沉积的 。 但一旦细胞开始转入分化阶
段 , 出现定向生长 , 纤丝就出现方向性的
排列 。 我们的实验结 果 , 符 合 “ 多 网 假
说 ” 。
此外 , 我们还在简麻愈伤组织中新分
生的细胞的壁上观察到有颗粒 状 的 突 起
物 , 形状 与 B u gr se s 及 L i n s t e a d [2 0 ] 在 烟
郭季芳 叶和春 魏玉凝 段静霞 李暇东 16 卷
草原生质体的再生壁上所发现的突起物相
似 。 突起物与一 些 短 小 的 纤 丝 相 连 。
W川肠o n 和 B ro n w[2 1〕在对单胞藻 G la u e o -
c yst is 壁上微纤丝生长的观察实验 中 , 曾
提出有微纤丝的 ` 合成区域” 。 因此推想 ,
这些突起物可能是一种微纤丝 发 生 的 场
所 。 利用组织化学法检定 , 我们发现这些
突起物呈 P A S 反应 , 说明是含有搪和糖蛋
白的成份 。 至于它们与微纤丝的形成究竟
有何关系 , 有待进一步探讨 。
最近 T a k e d a 和 s ih b a ok al 2z] 在用赤霉
素处理虹豆上胚轴表皮细胞实验中发现 ,
细胞壁上新沉积的微纤丝的排列方 向 , 经
处理后发生了变化 。 这也证明外源植物激
素对细胞壁的结构肯定是有影响的 , 只是
不同的激素 , 在不同的条件下对不 同的细
胞所产生的反应形式不同而已 。 至于结构
的变化是否与壁的化学成份变化有关 , 对
此 , 我们正在进行研究 。
射电镜下也观察到激素处理后在未分化的
细胞中壁上微纤丝排列也发生变化 。
本实验结果表明 , 荷麻愈伤组织细胞
壁上微丝的排列方向可以被某一定浓度的
植物激素所改变 。 浓度为 10 P m 的激 动
素可诱使简麻愈伤组织细胞壁微丝沉积方
位的改变 , 从而导致细胞分化成导管细胞 。
因此 , 有理 由认为 , 植物细胞 的分化可能
与植物激素控制着壁上微丝沉积的方位也
有关 。
摘 要
本文报道了浓度为 Z P p m 的生长素和
10 p p m的激动素对简麻愈伤组织细胞初生
壁上微丝排列的影响 。 经激素处理后 , 分
别在 2 4 、 4 8和 72 小时用扫描电镜和透射电
镜观察 。 结果发现 : 经生长素处理24 小时
的细胞 , 壁上纤丝较对照的长 ,相互交叉 ;
48 和 72 小时后纤丝增长加多 , 形成一松散
网状结构 。 经激动素处理的细胞 , 壁上纤
丝较粗 , 4 8小时后部分细胞出现有方向性
地成束状排列 , 同时细胞开始延长 , 继而
纤丝密集成环状 , 及至 72 小时 , 这些细胞
分化发育成为环纹或螺纹导管细胞 。 在透
今 考 文 献
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1 期 叫噪乙酸和激动素对简麻愈伤组织细胞壁上纤丝排列的影响
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14 郭季芳 叶和春 魏玉凝 段静霞 李耀东 16 卷
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if b r il l a r d e P o s iit o n
.
版
郭季芳 叶和春 魏玉凝 段静霞 李耀东 1 6 卷
图 版 说 明
图 版 I
图 1一4 筒麻愈伤组织细胞壁的表面结构 .
图 1 培养在无激素的培养基中三天后 (作为对照组 O 时 ) , 细胞壁上纤丝短而少 . 排列无定向 , 并有小突起物 。
x Z
,
4 0 0
。
图 2 对照 ( 4 8小时 ) . 壁上有些纤丝呈平行排列 . x l , 2 0 0 .
图 3 经 2 p p m 叫噪 乙酸处理2 4 J/ 、 时后的细胞 , 壁上纤丝增多并延长 。 x Z , 40 0
图 4 经 2 p p m 叫噪乙酸处理48 小时 , 部分细胞壁上有突起物 . x Z , 4 0氏
图 5一 6 筒麻愈伤组织细胞壁的超微结构 .
图 5 在无激素培养下的两个相邻细胞的壁当中色较黑处为中胶层 。 纤丝排列成疏松的 网状 。 x 84 , 0 .0
图 6 两个细胞的壁 , 经叫噪 乙酸 ( 2 p p m )处理礴8小时 , 微纤丝交织成密致的网状 。 x 60 , 0 0.0
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,
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1期 叫噪 乙酸和激动素对简麻愈伤组织细胞壁上纤丝排列的影响
图 版
郭季芳 叶和春 魏玉凝 段静霞 李耀东 1 6卷
图 版 !
1 期 叫噪乙酸和激动素对简麻愈伤组织细胞壁上纤丝排列的影响 1 9
图 版 l
图 7一10 简麻愈伤组织经激动素( 10 p pm )处理后
图 7
图 8
处理24 小时 壁上纤丝粗并有突起物 。 xZ ,
, 细胞壁表面结构的变化 .
4() 0
。
9
处理48 小时 , 一些细胞壁上出现有鳞片状物 。 x 3 , 0 0 。
处理与图 8 同 , 一部分细胞开始延 长 , 壁上纤丝成 束地与细胞生长轴成垂直方向排列 。 义 3 , 0 0氏
10 处理72 小时后 延长了的细胞分化为具有螺纹增厚 的导管细胞 。 x l , 0 2氏
1 简麻愈伤组织经激动素 ( 10 p p m )处理48 小时后 , 细胞壁 的超微结构 纤丝粗厚交织成网格状 . 其 中靠外
壁的部分粗纤丝显示出有层次地和略带倾斜的排列 。 x 68 0 0 0
图
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7一 1 0 . E fe e t s o f k in e t in ( 1 0 P Pm ) o n s 一: r fa e e s t r u e t u r e o f t h e e a l lu s e e l l w a ll o f A b u t i lo n a v娜 n a , .
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s l i g h t l y i n e l i n e d o r i e n t a t i o n
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