全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2011, 46 (1): 28–36, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2011.00028

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收稿日期: 2010-08-24; 接受日期: 2010-10-27
基金项目: 国家自然科学基金(No.30871526)、广东省科技计划(No.2008B050300003)和教育部留学归国人员科研启动基金(No.2007-
1108)
* 通讯作者。E-mail: guopg@yahoo.com
干旱胁迫对不同耐旱性大麦品种叶片超微结构的影响
陈健辉1, 2, 李荣华1, 2, 郭培国1, 2*, 夏岩石1, 田长恩1, 2, 缪绅裕1, 2
1广州大学植物抗逆基因功能研究广州市重点实验室, 广州 510006
2广州大学生命科学学院, 广州 510006
摘要 选用耐旱性不同的3个大麦(Hordeum sativum)品种作为研究对象, 分析干旱胁迫对其叶肉细胞叶绿体、线粒体和细
胞核超微结构的影响。结果表明, 3个大麦品种在非胁迫条件下其超微结构无明显差异。遭受干旱胁迫后, 不耐旱大麦品种
Moroc9-75叶片细胞核中染色质的凝聚程度高, 叶绿体变形, 外被膜出现较大程度的波浪状和膨胀, 同时基粒出现弯曲、膨
胀、排列混乱的现象; 线粒体外形及膜受到破坏、内部嵴部分消失等。耐旱大麦品种HS41-1叶片细胞中染色质虽出现凝聚,
但凝聚程度低; 其叶绿体及线粒体与非胁迫条件下基本相似, 多数未见明显损伤。耐旱中等的大麦品种Martin叶片超微结构
的变化则介于二者之间。因此, 干旱胁迫下叶绿体外形、基粒和基质类囊体膜结构的完整性与基粒的排列次序、染色质的
凝聚度和线粒体膜及嵴的完整性与大麦的耐旱性相关, 这些特性可作为评价大麦耐旱性强弱的形态结构指标。
关键词 大麦, 干旱胁迫, 耐旱性, 超微结构
陈健辉, 李荣华, 郭培国, 夏岩石, 田长恩, 缪绅裕 (2011). 干旱胁迫对不同耐旱性大麦品种叶片超微结构的影响. 植物学
报 46, 28–36.
大麦(Hordeum sativum)是世界上栽培面积居第
4位的禾谷类作物, 是埃塞俄比亚、厄立特里亚、也
门、尼泊尔、秘鲁、玻利维亚、厄瓜多尔、哥伦比亚
及近东和北非国家以及我国西藏、西北等地区重要的
栽培作物(Ceccarelli, 1994)。但在大麦的生长季节,
这些地区常常遭受到干旱的侵袭, 严重影响其正常的
生理活动及形态结构, 从而导致减产减收(Sacks et
al., 1997; Cellier et al., 1998; Cochard et al., 2002;
Guo et al., 2009)。
多年来, 人们对干旱胁迫下作物的形态结构、生
理特性及其遗传规律进行了深入的研究, 发现干旱胁
迫不仅会降低作物的光合作用(Gupta and Berko-
witz, 1988; Li et al., 2006; Guo et al., 2008)、破坏呼
吸链、降低碳代谢途径中一些酶的活性(Reddy et al.,
2004; 胡化广等, 2005; Demirevska et al., 2008);
同样也会改变作物组织器官的超微结构。如遭受干旱
胁迫后, 玉米(Zea mays)和油菜(Brassica campes-
tris)叶肉细胞中大量叶绿体外膜受破坏或消失, 类囊
体膨胀 (Ristic and Cass, 1991; 韩善华 , 1991;
Stoyanova et al., 2002); 小麦(Triticum aestivum)叶
绿体片层结构变混乱(白志英等, 2009), 线粒体部分
外膜断裂、嵴结构模糊不清(Vassileva et al., 2009)。
同时还发现不同基因型玉米、小麦和油菜在干旱胁迫
下, 细胞超微结构的损伤程度存在显著差异, 表现品
种间耐旱性的差异(Ristic and Cass, 1991; 韩善华,
1991; 白志英等, 2009)。已有文献对在干旱胁迫下植
物的响应和结构变化进行了全面的综述(吴凯和周晓
阳, 2007; 杨帆等, 2007; 陈珂等, 2009)。
目前, 尽管非胁迫条件下大麦叶片解剖特性及超
微结构方面的研究工作已有较多报道(李扬汉, 1979;
Radyuk and Homan, 2002; Kolodziejek et al.,
2003), 但关于干旱胁迫下大麦叶片超微结构, 特别
是耐旱材料与不耐旱材料间细胞超微结构差异的研
究依然缺乏。在干旱胁迫下, 小麦和玉米等植物叶片
超微结构的变化已有研究报道 (简令成和王红 ,
2009)。本文以耐旱性不同的3个大麦品种为研究对
·研究报告·
陈健辉等: 干旱胁迫对不同耐旱性大麦品种叶片超微结构的影响 29

象, 结合前人对玉米等作物进行干旱胁迫的处理方
法, 在大麦生长期进行干旱处理, 比较叶片细胞中叶
绿体等细胞器超微结构的变化规律, 进一步揭示不同
耐旱性大麦品种在形态结构上的特性, 以期丰富禾本
科植物叶片超微结构对干旱反应与适应的资料, 并为
大麦干旱胁迫的响应及耐旱大麦品种的选育提供理
论参考。
1 材料与方法
1.1 实验材料
实验所用3个大麦(Hordeum sativum Jess.)品种分别
为Martin、HS41-1和Moroc9-75。种子均由国际干旱
地区农业研究中心提供。其中, Martin为种植于北非
的地方品种, 具有中等程度的耐旱性; HS41-1是叙利
亚的一个地方品种, 它具有很高程度的耐旱性; Mo-
roc9-75为耐旱性较差的品种(Ceccarelli, 1994; Cec-
carelli et al., 2004)。
1.2 种植与处理
选择饱满程度一致的3个大麦品种的籽粒, 播于盛有
无菌营养土的育苗盆中, 在20°C条件下使大麦籽粒
萌发。待胚芽鞘出土后, 转入4°C的光照培养箱中低
温处理1个月, 之后进行盆栽种植。盆的直径为16
cm, 高15 cm, 装有2.2 kg来自田间的土壤。盆栽实
验在广州大学作物种植试验站的可控温光的温室中
进行, 设3个重复。每个重复中, 各大麦品种种植10
盆, 每盆3株。田间持水量、永久萎蔫点及土壤有效
含水量(AWC)按Ryan等(2001)的方法分析测定。根据
多年研究得出的大麦生长与土壤有效水分含量关系
(Doorenbos and Pruit, 1977), 设置正常供水(对照,
AWC为70%)和干旱胁迫(AWC为10%)2个处理。根据
Guo等(2009)的方法控制盆栽土壤的AWC, 参照其
他学者对玉米及小麦的处理时间 (简令成和王红 ,
2009), 在拔节期开始进行干旱处理, 干旱胁迫处理
的时间为7天, 之后恢复正常供水至成熟。
1.3 显微结构样品的制备
在叶片不同的发育时期, 取叶片的中部材料, 分别用
卡诺氏固定液固定, 爱氏苏木精整体染色, 常规石蜡
切片法切片。切片厚度为10 μm。在Olympus显微镜
下观察并照相。
1.4 透射电镜样品的制备
在干旱胁迫处理前, 取材料顶部第1片新出的完全展
开叶(下称第1叶)。 在干旱胁迫处理后3天, 取干旱胁
迫材料顶部第1叶和第2叶叶片中部的非叶脉部位材
料, 用4%戊二醛-1%锇酸双重固定, 系列乙醇脱水,
环氧丙烷过渡 , Epon812环氧树脂包埋。在
Philips-EM400型透射电子显微镜下观察并照相。
1.5 叶脉标本的制作
在籽粒萌发及植株生长过程的不同发育阶段, 用解剖
针挑取未萌发籽粒中的幼叶, 或采集各个发育阶段的
叶片, 用卡诺氏固定液固定24–48小时(视材料而定);
再用乙醇、甘油等组成的混合液透明24–96小时(视材
料而定); 待透明后, 换上新的透明液, 加入1%的亚
甲基蓝染色至合适 , 流水冲洗 , 乳胶贴片。在
Olympus显微镜下观察并照相。
1.6 淀粉粒鉴定标本的制备
在叶片不同的发育时期, 取叶片的中部材料, 常规石
蜡切片法切片。切片厚度为8 μm。用高碘酸-席孚反
应法(PAS反应)染色(胡适宜和徐丽云, 1992), 光学
树胶封片。在Olympus显微镜下观察并照相。
2 结果与讨论
2.1 非胁迫下大麦叶片的形态结构
在光学显微镜下观察, 非胁迫下生长的3个大麦品种
的成熟叶片结构基本相同, 没有显著差异。叶片由表
皮、叶肉和维管束3部分组成(图1A–C)。表皮由一列
表皮细胞组成, 细胞形状不规则, 排列不整齐, 在未
成熟时更为明显。以Moroc9-75为例, 可观察到表面
有明显的长细胞、短细胞, 并区分为明显的表皮毛带
及气孔带; 表皮层的气孔器下凹, 气孔常常处于关闭
状态或开得很小 , 表皮毛外展部分为厚壁结构(图
1D)。叶肉细胞由薄壁细胞组成, 不规则排列, 无栅栏
组织和海绵组织分化。维管束分为大型、中型和小型
3类。大型维管束整体横长为(179±18) μm, 维管束外
有2轮维管束鞘, 外轮为薄壁细胞, 内轮为除外切向
壁外的5面加厚的厚壁细胞; 在表皮层下分布1个厚
30 植物学报 46(1) 2011



图1 光学显微镜下非胁迫大麦成熟叶片的结构
(A) Moroc9-75成熟叶片中肋区横切面结构(Bar=55 μm); (B)
HS41-1成熟叶片中肋区横切面结构(Bar=45 μm); (C) Martin成
熟叶片中肋区横切面结构(Bar=55 μm); (D) Moroc9-75表面观
(箭头示表皮毛带) (Bar=25 μm); (E) Moroc9-75大型维管束(箭
头所示)(Bar=30 μm); (F) Moroc9-75中型维管束(箭头所示)
(Bar=30 μm); (G) Moroc9-75小型维管束(箭头所示)(Bar=25
μm); (H) Moroc9-75纵向三级叶脉(Bar=220 μm)

Figure 1 Matured leaf structure of barley observed by optic
microscope
(A) Cross-sectional structure of in midrib for Moroc9-75
(Bar=55 μm); (B) Cross-sectional structure of in midrib for
HS41-1 (Bar=45 μm); (C) Cross-sectional structure of in
midrib for Martin(Bar=55 μm); (D) Leaf surface of Moroc9-75
(the arrow shows the area of epidermal hair) (Bar=25 μm);
(E) Large vascular bundle of Moroc9-75 (arrow) (Bar=30 μm);
(F) Middle vascular bundle of Moroc9-75 (arrow) (Bar=30
μm); (G) Small vascular bundle of Moroc9-75 (arrow) (Bar=25
μm); (H) Longitudinal veins of Moroc9-75 (Bar=220 μm)

壁细胞束(图1E)。中型维管束整体横长为(89±9) μm,
维管束外有2轮维管束鞘, 外轮为薄壁细胞, 内轮为
完整或不完整5面加厚的厚壁细胞; 在中型维管束两
侧的表皮层下, 有由1–7个厚壁细胞组成的细胞束分
布(图1F)。小型维管束整体横长为(65±9) μm, 维管束
外有由一轮或不完整的2轮薄壁细胞组成的维管束鞘
包围; 在小型维管束两侧的表皮层下, 没有厚壁细胞
分布(图1G)。在维管束间为多边形的薄壁细胞。3类
维管束可以组成叶片内纵向排列的三级叶脉, 3个品
种的三级叶脉变化基本一致, 没有显著差异(图1H)。
3个品种均为叶片中部以下中央中肋向远轴面突出,
表皮层下为厚壁细胞束紧密分布, 与维管束相连, 维
管束为大型维管束; 在中肋区、大型维管束两侧对称
分布2–3个小型维管束; 在中肋区两侧的叶片部位, 3
类维管束分别以近相等的数目分列, 组成纵向条纹
脉序。
2.2 3个大麦品种叶肉细胞的超微结构
2.2.1 非胁迫条件下3个大麦品种叶肉细胞的超微
结构
未进行干旱胁迫处理的大麦材料(以耐旱性弱的品种
Moroc9-75为例, Martin和HS41-1未显示), 各品种第
1叶的叶肉细胞结构在电子显微镜下基本相同, 没有
显著差异。具体表现为有明显的细胞核及叶绿体、线
粒体等细胞器, 叶绿体具淀粉粒(图2A)。各细胞的细
胞器膜清晰, 结构明显, 细胞核中核被膜结构清晰,
染色质均匀分布(图2B)。叶绿体数量多、被膜清晰, 基
粒和基质类囊体膜结构清晰; 基粒排列整齐, 叶绿体
内具少量淀粉粒和随机分布的嗜锇颗粒(图2C)。线粒
体数量少, 外被膜、内部嵴清晰(图2D)。总之, 叶肉
细胞结构发育完好, 可进行正常的光合作用。

2.2.2 干旱胁迫对3个大麦品种叶肉细胞超微结构
的影响
经干旱胁迫处理后, 耐旱性弱的品种Moroc9-75第1
叶的叶肉细胞的细胞核中部核膜出现膨胀甚至断裂
现象, 核内染色质分布不均匀, 出现明显的凝聚现象
(图3A)。叶绿体变圆、或呈近球状, 部分被膜断裂, 大
部分外被膜仍然清晰, 但不完整; 叶绿体呈波浪状,
形成膨胀; 部分基粒和基质类囊体膜结构清晰, 但较
多基粒出现弯曲、膨胀、排列混乱(图3B), 并观察到
有较多具双层膜的较大空泡状结构。线粒体膨胀, 或
拉长, 或变圆, 外被膜不完整, 断裂现象明显, 内部
陈健辉等: 干旱胁迫对不同耐旱性大麦品种叶片超微结构的影响 31



图2 正常生长的Moroc9-75叶片叶肉细胞的超微结构
(A) 具细胞核、叶绿体等细胞器的叶肉细胞(箭头示淀粉粒)
(Bar=1.2 μm); (B) 细胞核(Bar=0.7 μm); (C) 叶绿体(Bar=0.3
μm); (D) 线粒体(Bar=0.2 μm)

Figure 2 Ultrastructure of mesophyll cell of Moroc9-75
under well-watered condition
(A) Mesophyll cell with nucleus and chloroplast (the arrow
shows a starch particle) (Bar=1.2 μm); (B) Nucleus (Bar=0.7
μm); (C) Chloroplast (Bar=0.3 μm); (D) Mitochondrion (Bar=
0.2 μm)


嵴仍较清晰(图3C)。第2叶的叶肉细胞出现中央大液
泡, 叶绿体等细胞器和细胞核靠边, 原均匀分布在细
胞核内的染色质出现明显的凝聚现象(图3D); 叶绿体
变成近球状, 基粒和基质类囊体膜结构清晰, 有较宽
间距出现; 基粒出现弯曲、膨胀且排列混乱, 同时,
有大的嗜锇颗粒出现, 淀粉粒的数量及体积也有明显
增加(图3E)。线粒体膨胀, 多变圆, 也有部分拉长; 外
被膜不完整, 断裂现象明显, 内部嵴不清晰(图3F)。
耐旱性强的品种HS41-1经过干旱处理后, 其第1
叶的叶肉细胞可以清楚观察到细胞核、叶绿体、线粒
体等细胞器, 其细胞核中的染色质也出现凝聚现象
(图4A), 但凝聚程度低于Moroc9-75。叶绿体为椭圆
形, 外被膜仍然清晰且基本完整; 较少观察到叶绿体
呈波浪状, 膨胀状况出现频率低; 基粒和基质类囊体
膜结构清晰, 极少出现基粒弯曲、膨胀及排列混乱的
现象, 叶绿体中的嗜锇颗粒数量不多且体积较小(图
4B)。线粒体外被膜完整, 内部嵴较清晰(图4C)。第2
叶的叶肉细胞出现中央大液泡, 叶绿体和细胞核等靠
边, 原均匀分布的核内染色质出现轻度凝聚(图4D)。


图3 干旱胁迫后Moroc9-75叶肉细胞的超微结构
(A) 第1叶的细胞核(箭头示断裂的核膜)(Bar=0.6 μm); (B) 第1
叶的叶绿体(Bar=0.7 μm); (C) 第1叶的线粒体(Bar=0.4 μm);
(D) 第2叶的细胞核(Bar=0.9 μm); (E) 第2叶的叶绿体(Bar=
0.6 μm); (F) 第2叶的线粒体(Bar=0.2 μm)

Figure 3 Ultrastructure of mesophyll cell of Moroc9-75
under drought stress condition
(A) Nucleus in the first leaf (the arrow points the disrupted
membrane) (Bar=0.6 μm); (B) Chloroplast in the first leaf
(Bar=0.7 μm); (C) Mitochondrion in the first leaf (Bar=0.4 μm);
(D) Nucleus in the second leaf (Bar=0.9 μm); (E) Chloroplast
in the second leaf (Bar=0.6 μm); (F) Mitochondrion in the
second leaf (Bar=0.2 μm)


叶绿体有变成近球状的趋势, 基粒和基质类囊体膜结
构清晰, 但基粒有少量弯曲, 甚至出现排列混乱的现
象 , 具较大淀粉粒 , 可观察到大量的嗜锇颗粒(图
4E)。 线粒体外被膜基本完整, 部分呈模糊状, 但内
部嵴清晰(图4F)。
耐旱性中等的品种Martin经干旱处理后, 其第1
叶叶肉细胞核中核膜部分断裂, 核内染色质分布不均
匀, 出现较为明显的凝聚现象(图5A)。叶绿体拉长、
或变成近球状, 大部分外被膜仍然清晰但不完整, 出
现膨胀、断裂或呈波浪状; 基粒和基质类囊体膜结构
基本清晰, 有较宽间距出现; 部分基粒出现弯曲、膨
胀及排列混乱的现象, 基质出现小泡, 淀粉粒较大,
嗜锇颗粒的数量较HS41-1和Moroc9-75多, 但不如
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图4 干旱胁迫后HS41-1叶肉细胞的超微结构
(A) 第 1叶的细胞核 (Bar=0.6 μm); (B) 第 1叶的叶绿体
(Bar=0.5 μm); (C) 第1叶的线粒体(Bar=0.1 μm); (D) 第2叶的
细胞核(Bar=0.5 μm); (E) 第2叶的叶绿体(Bar=0.6 μm); (F) 第
2叶的线粒体(箭头示外被膜)(Bar=0.2 μm)

Figure 4 Ultrastructure of mesophyll cell of HS41-1 under
drought stress condition
(A) Nucleus in the first leaf (Bar=0.6 μm); (B) Chloroplast in
the first leaf (Bar=0.5 μm); (C) Mitochondrion in the first leaf
(Bar=0.1 μm); (D) Nucleus in the second leaf (Bar=0.5 μm);
(E) Chloroplast in the second leaf (Bar=0.6 μm); (F) Mito-
chondrion in the second leaf (the arrow shows the outer
membrane of the mitochondria)(Bar=0.2 μm)

Moroc9-75大(图5B); 并有叶绿体团聚现象(图5C)和
嵌合现象(图5D)出现。线粒体膨胀、变圆, 外被膜不
完整并伴有断裂 , 内部嵴清晰但出现部分消失(图
5E)。第2叶的叶肉细胞出现中央大液泡, 叶绿体和细
胞核靠边, 原均匀分布的核内染色质出现较为明显的
凝聚现象(图5F); 叶绿体变成近球状, 大部分外被膜
仍然清晰, 但有不完整和断裂现象; 基粒和基质类囊
体膜结构基本清晰, 膜的间距较宽; 基粒出现弯曲、
膨胀、排列混乱的现象, 出现较大的嗜锇颗粒和大的
淀粉粒(图5G)。线粒体膨胀、变圆, 外被膜不完整并
伴有断裂, 内部嵴不清晰(图5H)。
2.3 干旱胁迫复水后大麦叶片的淀粉粒分布
3种大麦材料在正常生长条件下叶片经PAS反应染色


图5 干旱胁迫后Martin叶肉细胞的超微结构
(A) 第 1叶的细胞核 (Bar=0.4 μm); (B) 第 1叶的叶绿体
(Bar=0.5 μm); (C) 第1叶的团聚叶绿体(Bar=0.7 μm); (D) 第1
叶的嵌合叶绿体(箭头示嵌合叶绿体的连接处) (Bar=0.6 μm);
(E) 第1叶的线粒体(Bar=0.1 μm); (F) 第2叶的细胞核(Bar=0.5
μm); (G) 第2叶的叶绿体(Bar=0.5 μm); (H) 第2叶的线粒体
(Bar=0.1 μm)

Figure 5 Ultrastructure of mesophyll cell of Martin under
drought stress condition
(A) Nucleus in the first leaf (Bar=0.4 μm); (B) Chloroplast in
the first leaf (Bar=0.5 μm); (C) Agglomeration chloroplast in
the first leaf (Bar=0.7 μm); (D) Fusion chloroplast in the first
leaf (the arrow shows the jointing place of two chloroplast)
(Bar=0.6 μm); (E) Mitochondrion in the first leaf (Bar=0.1 μm);
(F) Nucleus in the second leaf (Bar=0.5 μm); (G) Chloroplast
in the second leaf (Bar=0.5 μm); (H) Mitochondrion in the
second leaf (Bar=0.1 μm)


后, 光镜下观察发现其淀粉粒分布基本一致, 并具有
如下规律: 叶下部细胞含的淀粉粒较大且多, 叶上部
细胞含有的淀粉粒较少, 中脉区附近细胞含淀粉粒密
度更高、颗粒更大, 而近边缘部位的细胞淀粉粒密度
较低。以HS41-1为例, 刚抽出的幼叶(第1叶)叶肉薄
壁细胞所含的淀粉粒较小较多(图6A), 而成熟叶(第2
陈健辉等: 干旱胁迫对不同耐旱性大麦品种叶片超微结构的影响 33

叶)叶肉薄壁细胞所含的淀粉粒数量减少, 但体积增
大(图6B)。
干旱胁迫复水后的第2天, 光镜下观察到不耐旱
大麦材料Moroc9-75第1叶叶肉细胞中无明显的淀粉
粒, 而其它2种大麦材料叶肉细胞中均有较多的淀粉
粒, 但耐旱材料HS41-1叶肉细胞中淀粉粒数量明显
多于较耐旱的Martin(图6C, E, G)。3种大麦材料第2
叶叶肉细胞均含有淀粉粒, 且颗粒较大, 但Moroc9-
75叶肉细胞所含的淀粉粒与其它2种材料相比则较少
(图6D, F, H)。
2.4 讨论
2.4.1 大麦叶片对干旱的适应性
植物对环境刺激的反应和适应是通过细胞结构和代
谢相互制约的改变来实现的。光合速率降低、气孔关
闭是植物对干旱胁迫的一个最普遍反应(简令成和王
红, 2009)。本研究表明, 3个大麦品种叶片表皮层的气
孔器下凹, 气孔常常处于关闭状态或开得很小, 表皮
毛外展部分为厚壁结构, 这些基本结构与其生长后期
受旱风影响小的生长习性相符(李扬汉, 1979), 表现
出大麦是一种较耐旱的作物(Ceccarelli, 1994)。但种
质间的耐旱性强弱仍有较大的差异。本研究中3个抗
旱性具明显差异的大麦品种 , 在正常生长情况下 ,
从叶片结构和叶脉的数目及发育等方面来看, 其叶
片、叶肉、叶脉的结构在光镜下差异不明显; 但抗旱
性较强和抗旱性强的材料, 第4–6片叶的发生较迟,
每片叶抽出时间较晚, 叶片长度的差异不大, 花序
抽出的时间较晚(数据未列出); 这些都与抗旱性弱的
材料有明显的区别, 其原因与干旱胁迫引起种质间
生理生化特性的差异(Li et al., 2006; Guo et al.,
2009)和超微结构对环境变化的适应有关(吴凯和周
晓阳, 2007; 白志英等, 2009)。同时, 与其他学者在
其它植物中发现的干旱生态型植物, 采取保守用水,
使生长放缓(杨帆等 , 2007)和叶面积减少(陈珂等 ,
2009)等对抗干旱的现象一致。这是植物对水分胁迫
的一种适应, 也是抗旱性强和较强的大麦品种形态
特征的表现。

2.4.2 干旱胁迫引起叶肉细胞超微结构的变化与耐
旱性的关系
干旱胁迫严重影响作物叶肉细胞的超微结构, 造成叶


图6 正常生长条件下及干旱胁迫复水后大麦叶片叶肉细胞淀粉粒
的观察(图中叶肉细胞中染色的小黑点为淀粉粒)
(A) 正常供水HS41-1第1叶(Bar=60 μm); (B) 正常供水HS41-1第2
叶(Bar=30 μm); (C) 复水后Moroc9-75第1叶(Bar=13 μm); (D) 复
水后Moroc9-75第2叶 (Bar=30 μm); (E) 复水后HS41-1第1叶
(Bar=30 μm); (F) 复水后HS41-1第2叶(Bar=13 μm); (G) 复水后
Martin第1叶(Bar=35 μm); (H) 复水后Martin第2叶(Bar=13 μm)

Figure 6 Stained starch grains in mesophyll cells of barley
genotypes at the conditions of control and rewatering after
drought stress observed by optic microscope (dark particles in
mesophyll cells represent starch grains)
(A) The first leaf of HS41-1 at control condition (Bar=60 μm); (B)
The second leaf of HS41-1 at control condition (Bar=30 μm);
(C) The first leaf of Moroc9-75 at the second day of rewatering
after drought stress (Bar=13 μm); (D) The second leaf of Mo-
roc9-75 at the second day of rewatering after drought stress
(Bar=30 μm); (E) The first leaf of HS41-1 at the second day of
rewatering after drought stress (Bar=30 μm); (F) The second leaf
of HS41-1 at the second day of rewatering after drought stress
(Bar=13 μm); (G) The first leaf of Martin at the second day of
rewatering after drought stress (Bar=35 μm); (H) The second leaf
of Martin at the second day of rewatering after drought stress
(Bar=13 μm)
34 植物学报 46(1) 2011

绿体的基粒弯曲、膨胀及排列混乱; 线粒体膨胀、变
圆 , 外被膜不完整 , 内部嵴消失等现象(Ristic and
Cass, 1991; 韩善华, 1991; Stoyanova et al., 2002;
白志英等, 2009; 简令成和王红, 2009); 但染色质凝
聚是适应抵抗干旱的表现, 复水后可逆转(简令成和
王红, 2009)。干旱胁迫对叶肉细胞超微结构影响的程
度与植物体的耐旱性相关, 不同耐旱性种质间所受的
影响具明显差异(Ristic and Cass, 1991; Olmos et
al., 2007)。
本研究中3个大麦材料经过干旱胁迫处理后, 第
1叶和第2叶叶肉细胞的超微结构都不同程度地受到
水分亏缺的影响, 表现出细胞核中染色体凝聚(第2叶
细胞核中染色体凝聚较第1叶更为明显), 叶绿体基粒
膨胀、排列混乱, 基粒和基质类囊体膜结构损伤等。
而耐旱性强的HS41-1其超微结构变化及损伤程度小
于耐旱性中等的Martin, 并远远低于耐旱性弱的
Moroc9-75。这种植株叶绿体的基粒片层膨胀处于自
身可调节的范围内 , 尚未进入解体和空泡化阶段 ,
HS41-1表现出较强干旱适应性 (吴凯和周晓阳 ,
2007)。叶绿体是叶绿素合成、贮藏及光合作用的主
要器官。本研究结果与Li等(2006)和Guo等(2008)研
究所得出的干旱胁迫下耐旱性强的大麦种质具有较
高叶绿素含量、较高的光合作用效率的结果一致。此
外, 从线粒体的超微结构变化来看, 干旱胁迫可造
成线粒体膨胀, 或拉长或变圆, 外被膜断裂等, 这种
现象在耐旱性差的Moroc9-75叶肉细胞中尤为明显。
而耐旱性强的HS41-1在干旱胁迫下第1叶的线粒体
与未经胁迫的对照基本一致, 但其第2叶线粒体外被
膜出现部分断裂现象, 这说明随着叶绿体伤害的加
深, 线粒体的变化会出现一个速变期, 与对油菜、番
茄(Lycopersicon esculentum)等的研究结果一致(吴
凯和周晓阳, 2007)。叶绿体团聚和嵌合现象的出现,
有助于叶片加强细胞结构的支持力(简令成和王红,
2009), 是植物适应环境的一种变化。在耐旱性中等
的品种Martin中产生这种变化, 是干旱胁迫引起植物
的变化, 是其自身调节的一种方式。
当干旱胁迫处理7天后恢复供水, 所观察到的水
分亏缺对线粒体和叶绿体损伤的同步性变化与前人
在玉米等材料(简令成和王红, 2009)中进行胁迫所得
结果相近。当HS41-1的叶绿体出现轻微损伤时, 线粒
体未表现出明显的损伤症状 , 这与吴凯和周晓阳
(2007)、白志英等(2009)及万里强等(2009)在对小麦
和黑麦草(Lolium perenne)等作物研究后得出叶绿体
是对水分亏缺较敏感的细胞器、线粒体比叶绿体的耐
旱能力更强、结构变化略为迟钝的结果基本一致。但
耐旱性中等的Martin及耐旱性弱的Moroc9-75经干旱
胁迫后, 其叶绿体与线粒体均出现不同程度的损伤,
表明同种作物不同种质的叶绿体和线粒体对水分亏
缺的反应不一, 可能与其体内的生理代谢活动及保
护性物质有关。

2.4.3 干旱胁迫复水后3种大麦材料叶片的生长情况
正常情况下, 作为植物光合作用的主要器官, 叶片的
叶肉细胞均有大量的淀粉粒存在, 以作为叶片生长或
物质贮备提供植株生长的营养 (席湘媛和叶宝兴 ,
1994); 淀粉粒含量的多少与叶绿体光合作用能力及
其它代谢密切相关, 可反映植株的生长情况及胁迫后
的恢复状况 (Stoynova-Bakalova and Toncheva-
Panova, 2003)。本研究发现对照处理的3种大麦材料
叶肉细胞中淀粉粒含量与大小没有明显差异, 但耐旱
性弱的大麦材料Moroc9-75在干旱胁迫复水后, 其第
1叶中基本没有观察到淀粉粒, 明显少于其它2个大
麦材料; Moroc9-75第2叶具有淀粉粒, 但数目少于耐
旱性强的HS41-1和Martin。这些结果间接表明, 干旱
胁迫对耐旱性强的大麦品种叶肉细胞中叶绿体等超
微结构的破坏及生理活性影响较小, 是复水后叶绿体
和其它细胞器等功能恢复较快的主要原因。
3 结论
本研究结果表明, 耐旱性强的大麦品种HS41-1在干
旱胁迫下, 细胞核中染色质的凝聚程度较弱; 叶绿体
的变形、外被膜的波浪状、膨胀状况不明显; 同时基
粒和基质类囊体膜间的距离正常; 基粒弯曲、膨胀、
排列混乱现象较少; 线粒体膜完整性高、内部嵴的消
失程度弱。据此结果, 叶绿体外形及其基粒和基质类
囊体膜结构的变化与基粒的排列、细胞核中染色质凝
聚程度和线粒体膜及嵴的完整性, 可以考虑作为评价
大麦耐旱性强弱的形态结构指标。
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Impact of Drought Stress on the Ultrastructure of Leaf Cells in
Three Barley Genotypes Differing in Level of Drought Tolerance
Jianhui Chen1, 2, Ronghua Li1, 2, Peiguo Guo1, 2*, Yanshi Xia1, Changen Tian1, 2, Shenyu Miao1, 2
1Guangzhou Key Laboratory on Functional Studies for Plant Stress-resistant Genes, Guangzhou University, Guangzhou
510006, China; 2College of Life Sciences, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China
Abstract We examined 3 barley genotypes differing in level of drought tolerance in terms of structural differences at the
subcellular level. The subcellular structure did not differ among the 3 genotypes under non-stressed conditions, but nuclei,
chloroplasts and mitochondria of leaf cells of all 3 genotypes showed ultra-structural changes after drought stress treat-
ment. In the drought-sensitive genotype Moroc9-75, drought stress caused a high degree of chromatin condensation,
altered chloroplast conformation with the waving/swelling of the outer membrane of the chloroplast envelope, and dis-
rupted thylakoids that showed conformational and configurational alterations. In addition, the structure and membrane of
the mitochondria was disrupted, and cristae partially disappeared. In the drought-tolerant genotype HS41-1, water
shortage caused lighter chromatin condensation than in Moroc9-75, and after drought stress, most chloroplasts and mi-
tochondria in leaf cells showed no significant changes in conformation or configuration. Martin possessed moderate tol-
erance to drought, and its response to water deficit was between that for HS41-1 and Moroc9-75. Therefore, drought
tolerance in barley is related to chloroplast shape, the integrity of grana and stroma thylakoids in chloroplasts and their
regular arrangements, the degree of chromatin condensation, and the integrity of mitochondria and cristae. These ultra-
structural traits could be used as structural indexes for evaluating drought tolerance in barley.
Key words barley, drought stress, drought tolerance, ultrastructure
Chen JH, Li RH, Guo PG, Xia YS, Tian CE, Miao SY (2011). Impact of drought stress on the ultrastructure of leaf cells in
three barley genotypes differing in level of drought tolerance. Chin Bull Bot 46, 28–36.
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* Author for correspondence. E-mail: guopg@yahoo.com
(责任编辑: 白羽红)