全 文 ：植物学通报 2005, 22 (5): 541~548
Chinese Bulletin of Botany
①国家自然科学基金项目(30340086)资助。
②通讯作者。Author for correspondence.E-mail:dlsun@ibcas.ac.cn
收稿日期: 2004-10-20 接受日期: 2005-06-27 责任编辑: 孙冬花, 白羽红
研 究 论 文
莲种子萌发和幼苗生长时期营养物质的代谢变化①
1,2陈建敏 1孙德兰②
1(中国科学院植物研究所光合作用与环境分子生理学院重点实验室 北京 100093)
2(中国科学院研究生院 北京 100039)
摘要 莲子叶细胞中储存了丰富的营养物质, 主要为蛋白质、淀粉和淀粉质体DNA。这些贮藏物质
为种子萌发和幼苗的生长提供必需的能量和养料。通过组织化学和显微镜观察, 研究莲从种子萌发到
植株生长至具有4个节时, 子叶中贮藏物质消耗的全过程。在此过程中, 子叶中的贮藏物质不断降解,
营养物质发生转运。蛋白体首先发生降解, 其大量降解主要发生在幼苗三叶期。淀粉质体降解时会聚
集成团, 之后体积逐渐减小, 最后完全降解。种子萌发后65天是子叶贮藏物质消耗末期, 淀粉质体DNA
的含量比萌发后20天的三叶期明显减少。细胞壁的形态结构发生多种形式的变化, 细胞壁发生的这些
变化与子叶细胞间物质的运输有关。含多糖的球形颗粒通过维管束在子叶中运输。
关键词 莲子叶, 蛋白体, 淀粉质体, 淀粉质体DNA, 种子萌发, 物质降解
Degradation Metabolism of Storage Reserves During Seed
Germination and Seedling Growth of Sacred Lotus
(Nelumbo nucifeva)
1,2CHEN Jian-Min 1SUN De-Lan②
1 (Key Laboratory of Photosynthesis and Environmental Molecular Physiology, Institute of Botany,
the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093)
2 (Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039)
Abstract The cotyledons of Sacred Lotus (Nelumbo nucifeva) accumulate abundant storage
reserves, including storage proteins in protein bodies, starch and DNA in amyloplasts, during
seed development. Hydrolysis of these reserves provides sources for seed germination and
seedling growth. Histochemical analysis revealed the entire process of reserve degradation in
Sacred Lotus cotyledons, which occurs from seed germination to the stage of 4-noded vegetal
body over about 45 days. Throughout this period, storage reserves are continuously involved in
dynamic hydrolysis and transport activities. Protein bodies degrade before starch and aDNA
hydrolysis, which mainly occurs at the trefoil stage. Amyloplasts may fuse into a large starch
mass and hydrolyze gradually. In comparison with the trefoil stage, amyloplasts contain few
DNA after 65 days of germination. In addition, diverse structural changes, related to transporta-
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莲是一种重要的观赏水生植物, 在系统发
育及形态学上既有双子叶植物的特点, 又有单
子叶植物的特征, 其分类地位一直存有争议(唐
佩华等, 1989; 施国新等, 1992)。一些学者从
个体发育的角度研究了莲子叶发育时期细胞
超微结构的动态变化(唐佩华等, 1989, 1998; 施
国新等, 1992)。
许多报道研究了莲种子发育过程中物质
积累、蛋白体和淀粉质体的形成及淀粉质体
DNA的积累(唐佩华等, 1989, 1998; 孙德兰,
1990; 孙德兰等, 1998), 但对其种子萌发和幼苗
生长过程中, 子叶内贮藏物质的消耗和运输尚
缺乏研究。施国新等(1992)报道了从种子
萌发到种苗三叶期子叶细胞超微结构的变
化, 提供了种子萌发和幼苗生长初期子叶细
胞贮藏物质代谢变化的细胞形态学依据。
本实验采用组织切片技术和细胞化学方法,
观察研究莲种子内贮藏物质在萌发和幼苗生
长的两个半月内降解的全过程, 揭示子叶细
胞内蛋白体、淀粉粒及淀粉质体DNA降解
的动态变化。
1 材料和方法
实验材料为单瓣红花子莲( N e l u m b o
nucifeva)种子。种子经破头处理后, 水浸泡 1
天, 次日去果皮, 使种子易吸涨萌发, 第3天将
出芽的莲种子植入盆中栽培。种子萌发后约
20天, 幼苗处于三叶期; 种子萌发后约 65天,
植株生长至具有4个茎节, 贮藏物质消耗进入
末期; 种子萌发后约79天, 子叶内的贮藏物质
完全消耗 , 子叶解体。分别取种子萌发后
20、40、65和 75天的子叶中部组织, 切成 2
mm× 6 mm的小块, 经 FAA固定, 石蜡包埋,
石蜡切片机切片(厚度 5~7 mm)。分别用固
绿、甲苯胺蓝 O、PAS反应和 Feulgen反应
4种细胞化学方法染色。以成熟莲种子吸涨
后的子叶(贮藏物质未发生降解)作为对照。
在光学显微镜下观察, 并照相记录。
2 实验结果
2.1 子叶细胞中贮藏物质的降解
成熟莲种子的子叶中积累了丰富的蛋白
tion of substances among cotyledon cells, occur in cell walls. Quantities of polysaccharide
vesicles are transported in bulk through vascular bundles.
Key words Sacred Lotus cotyledon, Protein bodies, Amyloplasts, Amyloplast DNA, Seed
germination, Degradation of storage reserves
图1(见右页) 莲子叶细胞中蛋白体的降解及营养物质的运输 A,B.子叶细胞中蛋白体降解 A. 成熟
种子子叶细胞中的贮藏物质(对照),×850; B.三叶期, 子叶细胞中蛋白体代谢活跃, 并在细胞间运输(箭
头),×850; C~F.子叶中营养物质的运输 C.淀粉质体直接从细胞壁上的缺口穿过(箭头), ×780; D.细
胞壁上形成的通道(箭头); 细胞网状化(箭头), ×845; E.示子叶的维管束中运输着大量富含多糖的颗粒,
× 424; F.示富含多糖的颗粒在高度网状化的维管束细胞之间运输, × 633
Fig. 1 Protein bodies which degraded and nutritive materials being transported in lotus cotyledon A,
B. Show protein bodies which degraded in cotyledon at trefoil stage A.Cotyledon cells of mature seeds
before germination(control), arrows point to protein bodies, × 850; B.Protein bodies were degrading at
trefoil stage, and were transporting across adjacent cells(arrow), ×850; C-F. Display nutritive materials
being transported in cotyledon C. Amyloplasts were traversing cell wall(arrow), ×780; D.Channels in
cell wall(arrow); Highly-reticulated cells(arrow), ×845; E.Vascular bundle in cotyledon delivering polysac-
charide vesicles, ×424; F. Polysaccharide vesicles in highly-reticulated cells of vascular bundle, ×633
→
5432005 陈建敏等: 莲种子萌发和幼苗生长时期营养物质的代谢变化
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体和淀粉质体(图1A, 箭头所指蛋白体)。蛋
白体和淀粉质体中的营养物质分别在幼苗生
长的不同时期发生降解, 此过程中细胞内的
蛋白体数量、淀粉质体体积和形态发生明
显的变化。
2.1.1 蛋白(质)体的消耗 种子萌发后约20
天(幼苗生长到三叶期), 子叶细胞中的蛋白体
颗粒小而分散(图1B, 箭头所指), 观察到蛋白
体发生了降解。与对照(图 1A)比较, 子叶细
胞中蛋白体的体积和形态发生了明显的变
化。从图1B可看到细胞中蛋白体数量多。在
同一种子中, 取子叶中部组织, 有的细胞蛋白
体数量较多, 而有的细胞蛋白体数量则少(如图
1C)。在同批固定的另一株材料中, 有的子叶
细胞中观察不到蛋白质颗粒(图 2A)。从蛋白
体降解的程度上看, 其时间靠后。从图 1B箭
头所指处可看到, 在种子萌发和幼苗生长时, 伴
随物质降解和相关酶反应, 细胞壁发生了一系
列显著的变化, 细胞之间及细胞壁小部分发生
自溶, 细胞中的物质发生渗透和运输, 大量含
蛋白质的小泡进入细胞间隙。此后时期的子
叶中没有观察到大量明显的蛋白体, 因此蛋白
体中贮藏蛋白质的降解主要发生在三叶期。
2.1.2 淀粉粒的降解 三叶期的子叶细胞中
有大量椭圆状的淀粉质体(图1B,C; 图2A), 通
过 Feulgen染色表明这些淀粉质体富含DNA
(图 2A)。
萌发后不同时期的子叶组织经PAS反应,
可观察到淀粉质体的降解过程: 在幼苗三叶期,
蛋白体发生降解, 此时子叶细胞中淀粉质体数
量较多、结构完整, 淀粉粒未降解(图2C), 之
后子叶细胞中淀粉质体不断减少, 种子萌发后
65天植株生长至具有4个节时, 子叶中仅有极
少数细胞内存在淀粉质体, 一些细胞中具有残
留的膜状结构(图2F)。从时间上看, 种子萌发
后20~79天, 子叶细胞内主要的贮藏物质为淀
粉, 淀粉粒降解为幼苗生长提供能量和养料。
贮藏物质降解的后期, 可观察到淀粉质体降解
过程的各种过渡状态(图2D, E)。淀粉质体的
降解发生在蛋白体降解之后。
观察结果显示, 淀粉质体发生降解时, 会渐
渐聚集, 融合成淀粉团(图2D, 箭头所指), 随着
淀粉的降解, 淀粉团的体积减小, 近圆球形, 最
后消失(图2E)。淀粉质体降解后会在细胞内留
下团状的膜样成分(图2E), 之后变为团聚的环状
膜片(图2F), 最后完全消失, 此时PAS和甲苯胺
兰O染色几乎显示不出细胞中的内含物。
2.1.3 淀粉质体 DNA的降解 淀粉质体内
图2(见右页) 淀粉质体DNA和淀粉的降解 A, B.淀粉质体DNA降解 A.示三叶期子叶组织中的淀
粉质体，Feulgen染色显示核酸含量丰富, × 818; B.示物质降解末期子叶组织中的淀粉质体，Feul-
gen染色显示核酸含量较低(箭头), ×838; C~F.淀粉质体多糖降解 C.三叶期子叶细胞中的淀粉质体
还未开始降解, ×826; D.淀粉质体降解的过渡状态: 淀粉质体在降解时相互靠近形成了淀粉团(箭头);
细胞间隙充满了细胞内含物的降解产物(实心箭头), × 875; E. 淀粉质体降解的过渡状态: 淀粉团不断
降解，体积变小，其周围留下膜状结构(箭头); 物质消耗末期，细胞间隙充满了细胞内含物的降解
产物(实心箭头), × 867; F. 淀粉质体降解完全后细胞内留下环状膜样结构(箭头), × 905
Fig. 2 Amyloplast DNA and starch degradation A, B. Demonstrate amyloplast DNA degradation in
cotyledon A. Amyloplasts at trefoil stage; Feulgen staining revealed high nucleic acid content(arrow), ×
818; B. Amyloplasts in cotyledon to be exhausted contain relatively low nucleic acid content(arrow), ×
838; C-F. Illustrate starch degradation C. Amyloplasts before degradation at trefoil stage, × 826; D.
Intergradation of starch degradation: amyloplasts being degraded integrated into a starch mass(arrow);
intercellular space were permeated with cytoplasma at late stage of mass degradation(solid arrow), ×875;
E. Intergradation of starch degradation: starch mass being degraded became smaller, with membrane-like
structures(arrow) nearby; intercellular space were permeated with cytoplasma at late stage of mass
degradation(solid arrow), ×867; F. Membrane-like circularity in cotyledon cells whose amyloplasts have
been hydrolyzed completely(arrow), × 905
→
5452005 陈建敏等: 莲种子萌发和幼苗生长时期营养物质的代谢变化
积累了丰富的DNA, Feulgen染色显示, 在幼
苗三叶期, 子叶细胞中淀粉质体DNA含量较
高(图2A, 箭头所指), 随着幼苗的生长, 淀粉质
体DNA不断降解; 贮藏物质消耗的末期, 淀粉
质体中的 DNA含量明显减少(图 2B, 箭头所
指)。淀粉质体 DNA的降解伴随着淀粉的降
解; 淀粉粒降解时融合形成淀粉团, 一些淀粉
团上可观察到多个Feulgen染色呈红色的小点
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(照片未显示)。
2.2 莲子叶细胞及组织中的物质运输
2.2.1 细胞壁和细胞间隙的变化 种子萌
发后, 子叶内贮藏物质的降解是一个活跃的代
谢过程, 它不仅包括贮藏物质水解成小分子产
物的酶反应, 还涉及细胞之间的物质运输。
在物质降解过程中, 子叶细胞的细胞壁发生多
种变化, 如细胞壁内突, 局部发生解体, 或出现
大的缺口, 淀粉质体通过缺口在相邻细胞间穿
越(图1C, 箭头所指); 有的细胞壁上还形成通
道(图 1D)。在整个物质消耗过程中, 细胞壁
的形态结构随物质的降解处于动态变化中, 物
质消耗完成后, 细胞壁还维持原有的细胞形态
(图 1D; 图 2F)。
种子萌发后 20天时, 细胞间隙中基本没
有可着色的物质; 种子萌发后40天, 细胞间隙
开始出现泡状和颗粒状物质; 种子萌发后 65
天(贮藏物质消耗的末期), 子叶细胞的细胞壁
发生更显著和细微的变化, 细胞中的内含物降
解成小分子化合物渗透到细胞间隙和两细胞
间(图 2D, E)。这些物质能被甲苯胺蓝 O和
PAS着色, 既有蛋白质又有多糖成分; 还可通
过 Feulgen染色着色, 说明也具有核酸成分。
2.2.2 莲子叶中的物质运输 在物质降解过
程中, 子叶细胞壁的变化与细胞间物质的运输
有关。细胞壁上的通道有利于细胞间物质的
快速运输。从图 1B箭头所指处可观察到, 含
蛋白质的运输小泡穿过子叶细胞细胞壁, 进行
胞间转移。完整的淀粉质体通过细胞壁上的
缺口从一个细胞进入相邻的细胞(图1C, 箭头所
指)。另外, 有的薄壁细胞的细胞壁形成内突,
整个细胞内部网格化(图1D, 箭头所指), 特化为
传递细胞。细胞壁的内突性生长使传递细胞
质膜的面积显著增加, 具有短途运输的功能。
在子叶组织中能看到很多富含多糖的维
管束细胞, 贮藏物质已经完全消耗的子叶组织
中, 维管束运输着大量含有多糖的小颗粒(图
1E)。维管束中一些细胞的细胞壁已经高度
的网状化, 整个细胞形成一个由细胞壁衍生的
网络空间, 大小不等的多糖颗粒物穿插其中(图
1 F )。
莲子叶中的维管束是在受精后 3天左右
由2个母细胞发育而来, 在子叶的形成过程中,
将光合产物源源不断地输送到子叶细胞(孙德
兰和韩丽娟, 1999)。在种子萌发和幼苗生长
初期, 这些维管束又将储存的物质源源不断地
输送到生长中的幼胚。
3 讨论
莲子叶细胞中的淀粉质体是在种子形成
过程中逐渐发育形成的, 受精后15天子叶细胞
的质体开始合成并积累淀粉, 胚子叶发育到23
天时子叶细胞中积累了丰富的蛋白质、淀粉
及淀粉质体 DNA (孙德兰, 1990; 孙德兰等,
1998)。成熟莲种子的子叶中部分质体以前质
体状态存在, 在种子萌发过程中前质体会继续
发育 (施国新等, 1992)。施国新等(1992)观察
到莲子萌发时子叶叶肉细胞质体中的淀粉粒
被一层厚厚的电子致密物质包围。唐佩华等
(1998)指出, 这些淀粉粒类似于淀粉蛋白质体
(APB)。我们曾对莲子叶的发育进行了组织
化学和超微结构的观察研究, 实验证明, 在淀
粉质体发育后期质体中积累了丰富的蛋白质
(孙德兰等, 1998)。因此, 作者认为淀粉质体、
淀粉蛋白体和种子萌发初期的质体应该是处
于不同发育时期的同一类细胞器。
莲子叶发育过程中, 细胞中具有几种不同
类型的蛋白体, 它们的发生和形态结构各不相
同(唐佩华等, 1998)。在莲种子萌发过程中子
叶细胞内有新蛋白体形成, 并且不断消解, 到
第2片真叶形成时, 子叶细胞内仅存大量液泡
和淀粉质体(施国新等, 1992)。本实验也观察
到蛋白体的降解主要发生在幼苗三叶期。此
后, 细胞的储存“器官”主要是淀粉质体。
关于物质消耗与幼苗形态建成的关系, 过
去普遍认为种子中贮藏的营养物质为种子萌
5472005 陈建敏等: 莲种子萌发和幼苗生长时期营养物质的代谢变化
发和幼苗形成的初期提供必需的能量和养
料。第1片真叶长出后, 植物依靠光合作用合
成生长发育所需要的能源物质, 开始自养生
活。本实验中, 我们观察了子叶贮藏物质降
解的全过程, 发现植株生长至具有4个茎节时,
莲子叶内的贮藏物质才完全消耗。并且, 莲
种子的子叶细胞在贮藏物质消耗完后, 细胞壁
仍维持原有的细胞形态(图 1D; 图 2F)。而小
麦种子萌发时, 靠近糊粉层部分的胚乳细胞壁
首先发生降解, 然后渐次向胚乳的中间部分扩
展, 细胞壁的消失使淀粉粒暴露在酶的作用下
(Fincher et al., 1974)。莲子叶细胞中贮藏的
营养物质对于已经具有自养能力的植株的生
长发育是否是必需的有待于进一步研究。种
子萌发后 65天左右, 从植株外形及时间上推
测, 此时子叶细胞中残留的物质不一定是植株
生长所必需的。一种水生植物冠果草
(Sagittaria guyanensis subsp. lappula)的个
体发育与莲有类似的现象: 子叶中贮藏的淀粉
粒和蛋白体分别在二叶幼苗期和一叶幼苗期
消耗完(王建波等, 1997)。
细胞中的膜在物质降解过程中具有重要
作用。本工作中, 我们在消耗的淀粉质体周
围观察到一些膜状成分(图2E, 箭头所指), 淀粉
降解后细胞内留下一些膜样结构(图2F); 大量
蓝色的小泡附着在即将降解的淀粉质体上。
这些膜结构可能为淀粉质体降解过程中的各
种酶反应提供场所, 以使各种相关的酶反应高
效有序地进行。淀粉质体的降解和蛋白体中
贮藏蛋白质的降解均需要膜泡的参与。
Toyooka等(2000)运用免疫胶体金技术揭示了
黑吉豆(Vigna mungo)种子萌发过程中子叶细
胞的一种蛋白酶通过内质网来源的膜泡运输
到蛋白体, 降解贮藏蛋白质。施国新等(1992)
观察到高尔基体有溢出的囊泡与蛋白体融
合。同时, Toyooka等(2001)还发现黑吉豆子
叶细胞中催化淀粉粒降解的α-淀粉酶定位在
含有细胞溶解酶的液泡内, 这些液泡来源于蛋
白质降解后的蛋白体; 在分离的子叶细胞中虽
然能表达有活性的α-淀粉酶, 但是由于蛋白
体中的蛋白质没有降解, 储存蛋白的液泡不能
转变成含有细胞溶解酶的液泡, 所以淀粉的降
解也无法进行。即淀粉的降解发生于蛋白体
降解之后。
淀粉质体中的DNA(覃章铮等, 1989; 孙德
兰, 1992a, 1992b; 孙德兰和白雪芳, 1996; 孙德
兰等, 1998)最终以储存的形式存在(孙德兰,
1992a; 孙德兰等, 1998), 在子叶发育过程中具
有动态变化(孙德兰和白雪芳, 1996; 孙德兰等,
1998)。经 PAS反应, 淀粉质体上可观察到
“十”字形的晶体结构; 淀粉粒降解时, 淀粉
聚合在一起形成淀粉团, 在淀粉团上也能观察
到多个小颗粒状晶体, 这些小晶体能被Feulgen
着色。淀粉质体中积累的DNA为种子萌发和
幼苗形态建成提供核苷酸和碱基等原料。
本实验采用植物组织石蜡切片技术和细
胞化学方法, 对比莲种子萌发后不同时期子叶
细胞中的蛋白体、淀粉质体和淀粉质体
DNA, 以直观的细胞形态学实验证据定性地说
明蛋白质、淀粉和DNA降解的动态变化。下
一步, 我们将对这一过程中相关酶类(淀粉酶、
核酸酶)的变化进行酶组织化学和生理生化方
面的研究, 以期为莲种子内贮藏物质的降解过
程提供进一步的资料。
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