全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2014, 49 (2): 173–182, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2014.00173
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收稿日期: 2013-03-01; 接受日期: 2013-06-08
基金项目: 国家自然科学基金(No.30871455)、北京市自然科学基金(No.6122025)和中国科学院重大项目(No.KZCC-EW-103-3)
* 通讯作者。E-mail: jcdao@ibcas.ac.cn
植物叶片解剖结构的量化及其在C4植物高粱中的应用
巩玥1, 2, 陈海苗3, 姜闯道1*, 石雷1
1中国科学院植物研究所资源植物研发重点实验室, 北京 100093; 2中国科学院大学, 北京 100049
3北京大学数学科学学院, 北京 100871
摘要 测量切片内所有细胞或细胞器的总周长, 并乘以切片厚度和校正因子是一种量化植物叶片解剖结构的常用方法。前
人在使用该方法时因忽视了细胞大小、切片厚度等影响估算精确度的因素, 从而导致计数样本偏少并产生较大误差。通过
分析该方法误差产生的原因及其与精确度的关系, 明确了该方法在实际应用中不同精确度所要求对应的切片数量。在此基
础上, 将该方法用于C4植物高粱(Sorghum bicolor)叶片结构的量化, 提出叶肉细胞与维管束鞘细胞接触面积(CABM)等参
数, 发展并完善了植物叶片解剖结构的量化方法。
关键词 光合作用, 叶片结构, 校正因子, C4植物
巩玥, 陈海苗, 姜闯道, 石雷 (2014). 植物叶片解剖结构的量化及其在C4植物高粱中的应用. 植物学报 49, 173–182.
植物生长发育均依赖叶片光合作用。而叶片内部
各种组织的比例、细胞大小和排布会影响叶片光合功
能。因此, 准确估算各种结构参数对阐明植物叶片结
构与光合功能之间的关系具有重要意义。20世纪70
年代, Dengler和Mackay(1975)曾提出一种简便的估
算植物叶片结构的方法——切片中细胞周长之和乘以
切片厚度近似等于切片内的细胞表面积。但这种估算
方法忽略了切片所包含的细胞侧表面是曲面的事实,
这样将多个曲面都认为是平面最终所得结果的误差
非常大。随后, Thain(1983)对此方法进行了校正。他
提出将所得结果乘以校正因子(F)才是细胞的实际表
面积, 且根据细胞形状分别计算了5种模型的校正因
子: 长椭球、扁椭球、球、平末端圆柱体和半球末端
圆柱体。这种分类估算方法给出了估算细胞类型的选
择依据, 并在一定程度上提高了估算表面积的准确
度, 因而得到很多研究者的支持(Evans et al., 1994;
Miyazawa and Terashima, 2001; Oguchi et al.,
2003, 2005, 2008; Jiang et al., 2011)。近30年来, 此
方法被广泛应用于多种植物叶片结构的估算, 并发展
出一些重要的结构参数, 如叶肉细胞面向外围空间的
表面积(Smes)和叶绿体面向细胞外围空间的表面积
(Sc)。然而, Thain(1983)并没有对该方法的误差和应
用条件给出清晰准确的描述, 这使后人在计算细胞表
面积时常常忽略了切片厚度、细胞大小和切片数目对
精确度的影响, 给研究结果的分析带来很大困扰, 同
时也在很大程度上影响了该方法的使用。在前人的研
究中, 此方法多数用于研究C3植物, 而在C4植物中
少有应用。众所周知, C4植物与C3植物存在典型的结
构差异, 其光合作用是由叶肉细胞和维管束鞘细胞共
同完成的。因此, 研究其结构需要将叶肉细胞、维管
束鞘细胞以及两者之间的关系等参数同时量化, 较
C3植物单纯将叶肉细胞量化要更加复杂。
因此, 本文以C4植物高粱(Sorghum bicolor)为
材料, 详细介绍了该方法在C4植物解剖结构量化中
的应用, 并严格推算了该方法在应用中的精确度, 同
时补充了此方法中的很多必要细节, 以期发展并完善
植物叶片解剖结构的量化方法。
1 材料与方法
1.1 材料
以高粱(Sorghum bicolor L.)辽杂13号为实验材料。于
2012年5–9月在中国科学院植物研究所温室内进行
实验。将高粱种子播种于花盆中, 每盆2株。花盆大
小约为21 cm×21 cm, 内含基质为草炭:土(1:1, v/v)。
初期置于强光下培养 , 午间最大光强达到1 200
·技术方法·
174 植物学报 49(2) 2014
μmol·m–2·s–1。
待幼苗长出2片叶子时, 将一部分转移至遮阴棚
内(L), 午间光强约为350 μmol·m–2·s–1; 另一部分不
转移(H)。待幼苗长出6片叶子时, 挑选生长状态一致
的植株进行测定和分析。
1.2 方法
1.2.1 气体交换参数的测定
于6–8月晴朗的天气进行气体交换参数的测定。选择
刚刚充分展开的成熟叶片, 用Li-6400(LI-COR, USA)
分别在1 200 μmol·m–2·s–1和600 μmol·m–2·s–1光强下
测定净光合速率(Pn)。为确保气体交换参数测定的准
确性, 故在2个光强下测定光合速率。叶室温度控制
在25°C, 大气CO2浓度为360–390 μmol·mol–1, 相对
湿度为70%。每处理设6个重复。

1.2.2 切片制作与观察
1.2.2.1 半薄切片的制作与观察
取暗适应一夜的叶片, 在靠近叶片中部切块(3 mm×1
mm), 用0.1 μLPBS溶液(3%戊二醛, 1%多聚甲醛)前
固定, 用PBS溶液漂洗3次, 之后用<1%锇酸固定过
夜, 再用PBS溶液漂洗3次, 经系列乙醇脱水、Spur
树脂包埋, 切片(厚度为1 μm), 最后用甲苯胺蓝染
色。在光学显微镜(Nikon-E800)下进行显微观察并拍
照。

1.2.2.2 超薄切片的制作与观察
叶片充分暗适应后, 选取中部位置切成小块(1 mm×
1 mm), 用0.1 μL PBS溶液(3%戊二醛, 1%多聚甲醛,
pH 7.2)固定, 再用1%锇酸4°C处理过夜。后经丙酮系
列脱水、Spur树脂包埋, 切片(厚度为40 nm)。在电
子显微镜 (JEM 1230, JEOL)下观察 , 用数码相机
(BH-2, Olympus)拍照。

1.2.3 植物组织表面积及各参数计算
1.2.3.1 数字图像处理
用Photoshop进行数字图像处理, 根据照片上的比例
尺用测量工具测量以下参数: (1) 半薄切片中的叶肉
细胞和维管束鞘细胞的直径以及细胞周长、维管束鞘
细胞与叶肉细胞的接触面周长、叶绿体与叶肉细胞接
触面的长度; (2) 超薄切片中的叶绿体直径及周长等。
半薄切片计数35张, 超薄切片计数155张。

1.2.3.2 叶片各组织表面积及其它参数计算
根据Thain(1983)的公式计算叶肉细胞、维管束鞘细
胞和叶绿体的表面积, 细胞表面积(S)的计算公式如
下:
S = L×F×d (1)
式中, L是单位切片宽度内细胞周长的总和, F为校正
因子, d为切片厚度。校正因子F的计算方法见Thain
(1983)。
由图1可知, 高粱叶片有典型的叶肉细胞和维管
束鞘细胞。叶肉细胞围绕维管束鞘细胞呈放射状排列,
且长轴平行于切片平面, 排列整齐。维管束鞘细胞也
围绕维管束呈花环状排列, 长轴平行于切面。根据公
式(1)可分别得出叶肉细胞和维管束鞘细胞的表面积
S1和S2, 其中二者的校正因子F根据细胞的排布方向
和轴长比, 分别选用平末端圆柱体模型(F1)和长椭球
模型(F2)。
1
1 1
1 1
1 2 /
1 4 /π
+= +
b a
F
b a

(2)
( ) 12 [ / (1/ )sin ] /−= +F a b e e E (3)
这里, a、 b分别为大量统计后的平均值,
( )
( )
2
21= −
a
e
b
,
2 4 33 5(1 )
2 4 64 256
π≈ − − −e e eE 。
则宽度为w的切片内细胞总表面积(S)为:
1 2= +S S S (4)
单位叶面积内细胞表面积(S0)为:
0 = SS wd (5)
单位叶面积内叶肉细胞和维管束鞘细胞的叶绿体表
面积分别为:

其中, 1c∑L 和 2c∑L 分别为宽度为w的切片内叶肉
细胞和维管束鞘细胞的叶绿体周长之和, Fc1和Fc2分
别为2种叶绿体的校正因子。此处叶绿体选用长椭球
模型, F算法同维管束鞘细胞。叶绿体长、短轴的长度
通过对超薄切片的测量和计算得出(图2)。
巩玥等: 植物叶片解剖结构的量化及其在 C4 植物高粱中的应用 175

图1 高粱叶片半薄切片及示意图
(A) 叶片半薄切片(Bar=10 μm); (B) 用Photoshop软件处理后的叶片半薄切片示意图; a1和b1分别为叶肉细胞的短轴和长轴的长度;
a2和b2分别为维管束鞘细胞的短轴和长轴的长度; L1和L2分别为叶肉细胞和维管束鞘细胞的周长; (C) 叶片半薄切片(Bar=10 μm),
Lc1和Lc2分别为叶肉细胞和维管束鞘细胞的叶绿体周长; w为测量切片宽度。

Figure 1 Light micrographs and schematic diagrams of cross sections of Sorghum bicolor leaves
(A) Light micrograph of a cross section (Bar=10 μm); (B) The schematic diagram of the cross section; a1, the length of the minor
axis in the mesophyll cell, and b1, the length of the major axis; a2, the length of the minor axis in the bundle sheath cell, and b2,
the length of the major axis; L1 and L2 represent the perimeters of the mesophyll cell and the bundle sheath cell; (C) Light mi-
crograph of cross sections of leaves (Bar=10 μm), Lc1 and Lc2 are the perimeters of the chloroplast in the mesophyll cell and the
bundle sheath cell; w, the width of the section being measured.


Smes、Sc、CABM等重要参数的计算方法如下。
在对叶肉细胞表面积进行分析时, 常用到的参数
是Smes(单位叶面积内叶肉细胞面向外围空间的表
面积), 其计算公式为
= ×LmesSmes F
w
(6)
其中, Lmes是宽度为w的切片内叶肉细胞面向外围空
间的长度之和(图3A); w是切片宽度; F为叶肉细胞的
校正因子。
根据公式(6)可得出高粱叶片单位叶面积内叶肉
细胞面向外围空间的表面积, 其中F同公式(2), 单位
为m2•m–2。
与Smes类似, Sc表示单位叶面积内叶绿体面向
细胞外围空间的面积。
= ×LcSc F
w
(7)
其中, F同公式(3)。由于叶绿体与叶肉细胞相接触, 故
二者接触面的F相等, 因此有:
= ×LcSc Smes
Lmes
, =Sc Lc
Smes Lmes
(8)
而 Sc
Smes
则被定义为叶绿体在叶肉细胞中的覆盖度,
是衡量叶片光合能力的重要参数(Evans et al., 1994;
Miyazawa and Terashima, 2001; Terashima et al.,
2001; Kogami et al., 2001)。
对于C4植物还需要计算另一个参数CABM, 即叶
肉细胞与维管束鞘细胞的接触面积。本实验引入校正
因子, 对此面积的计算公式重新进行了推导, 如下:
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图2 高粱叶绿体的显微结构
(A) w为测量切片宽度(Bar=5 μm); (B) ac和bc分别表示叶绿体的短轴和长轴的长度(Bar=1 μm)

Figure 2 Electron micrographs of Sorghum bicolor chloroplasts
(A) w is the width of the section being measured (Bar=5 μm); (B) ac is the length of the minor axis of the chloroplast, and bc is
the length of the major axis (Bar=1 μm)


2= ×LCABM Fw (9)
这里, L是切片内维管束鞘细胞与叶肉细胞接触面的
周长(图3C红色虚线标示), F2选用维管束鞘细胞F(由
于此时圆柱末端紧贴维管束鞘细胞, 故发生了变形),
即同公式(3), w为切片宽度。
叶片单位面积内叶绿体个数的计算公式如下:
= ×nn Fc
w
(10)
其中, n′为单位宽度内切片中的叶绿体个数, Fc为叶
绿体的校正因子, 分别用Fc1和Fc2计算叶肉细胞和维
管束鞘细胞中的叶绿体个数(图3B)。
2 结果与讨论
2.1 模型选择及精确度分析
在实验中, 我们根据细胞类型选择不同模型的公式。
如用平末端圆柱体的公式计算高粱叶肉细胞, 而用长
椭球型公式计算维管束鞘细胞。这也是根据校正因子
F的使用条件进行的选择。在Thain(1983)的方法中,
根据细胞形状可将模型分为5种: 长椭球、扁椭球、
球、平末端圆柱体和半球末端圆柱体。为了量化时更
准确 , 需根据细胞半径比进行模型选择 (Thain,
1983)。除了本研究中在计算叶肉细胞和维管束鞘细
胞时分别使用不同的公式外, 在量化C3植物叶片结
构时, 也要将栅栏组织和海绵组织分别估算, 这样才
能保证结果更准确。在计算时还需注意, 5种模型的计
算公式是针对一个完整细胞(或细胞器), 当仅计算细
胞(或细胞器)某一部分表面积(如圆柱体底部)时, F需
要根据所计算部位的局部形状单独推算, 推算方法见
Thain(1983)。
本实验半薄切片计数35张, 超薄切片计数155
张。而前人在研究C3植物材料时测量的切片数仅是一
个模糊范围, 且数量相差较大。如Kogami等(2001)
巩玥等: 植物叶片解剖结构的量化及其在 C4 植物高粱中的应用 177

图3 高粱叶片横切面示意图
(A) Lmes1表示叶肉细胞面向外围空间的总长; (B) 红色线表示切片内叶绿体面向细胞外围空间的总长(Lc)(Bar=10 μm); (C) 红色虚
线表示维管束鞘与叶肉细胞接触面的周长(L), w为测量切片宽度

Figure 3 Schematic diagrams of cross sections of Sorghum bicolor leaves
(A) Lmes1 represents the total length of mesophyll cells exposed to intercellular airspace; (B) Red lines represent the total length
of chloroplasts exposed to intercellular airspace (Lc)(Bar=10 μm); (C) Red dotted lines represent the length of the contact surface
between bundle sheath and mesophyll cells (L), w is the width of the section being measured


观察虎杖(Polygonum cuspidatum)切片时每个处理
测量2–3张; 而Miyazawa和Terashima (2001)在计算
长椎栲(Castanopsis sieboldii)叶片结构时测定切片
6–18张。测定切片数目不同会导致不同的精确度。事
实上, Thain(1983)的方法默认了一个前提, 即视野内
细胞数目足够多, 可以包含细胞被连续切开的各个切
面。而一组切片所涵盖的并不一定是若干个完整的细
胞, 且不同类型细胞的大小也不相同, 这导致在测量
时的样本数量不均一。为此, 我们对样本量的大小和
误差进行了估算。
单位叶面积内的细胞表面积即等于 α
S
T
, 这里S
是一个细胞的实际表面积, T是它在切片平面上的投
影面积。用S′表示估算的表面积, α表示细胞直径, n
为切片个数, d为切片厚度, C(y)是坐标为y处的截面
的周长。
设 1( ) ( )= +C y C y y ( 2 2
α α− ≤ ≤y ),
0
( ) ( )

δαδ δ= − ∫f C y dyS ( 0 2αδ≤ ≤ ), 又设 0δ 是
使 0
( )δ α=
SC 成立的唯一值 , 则误差 Δ 不超过
0
2 | ( ) |δf
nd
(详细推导过程见附录I)。
由此可以看出, 误差与细胞的直径和切片厚度、
切片个数密切相关。由于细胞的形状不同, 函数 ( )C y
以及 ( )δf 不同, 因而精确度也会有所不同。如何仅测
量较少的细胞就能得到较高的精确度是实验中的一
个关键问题。对于椭球形或球形细胞(及叶绿体)(此时
0.23Δ ≤ a
nd
), 我们推算了3种常见的切片手段所需要
测量的切片数和精确度(表1)。
表1数据表明, 对于厚度较大的切片(如石蜡切
片), 只需观察较少数量的切片, 就能保证较高精度;
而对于半薄或超薄切片, 要保证较高精度则需观察大
量切片。超薄切片一般用来观察叶绿体结构, 因此只

178 植物学报 49(2) 2014
表1 切片数与精确度的关系
Table 1 The relationship between the number of thin sections and accuracy
Diameter (μm) Paraffin sections (6–14 μm) Semithin sections (0.5–2 μm) Ultrathin sections (50–70 nm)
Number Accuracy (%) Number Accuracy (%) Number Accuracy (%)
2–10 – – – – 153 85
23 95 92 95
12 90 46 90
10–30
8 85 31 85
46 95 207 95
23 90 104 90
30–60
16 85 69 85
77 95 368 95
39 90 184 90
>60
27 85 123 85



需计算叶绿体直径(2–10 μm)的精确度。但我们的估
算是非常保守的, 是将细胞的所有排布位置假定为相
同, 给出的最小精确度值。而实际叶片内组织的排列
并不均一, 因此任意切片都包含不同截面。所以实际
操作测量中的概率可能高于这个精度。本实验的精确
度在85%以上。
为此, 本研究对维管束鞘细胞表面积测量3、10、
35张的数据以及根据连续切片内的细胞最大直径推
算的理论值(近似于实际值)进行比较。结果见表2。
实验结果表明, 切片数目越多, 其估算值越接近
真实结果。在切片数目较小时, 估算结果与真实值的
接近程度具有很大的波动性, 计算结果有较大的随机
性, 会因切片的选择而高于或低于实际值, 从而有可
能会直接影响数据的趋势, 造成分析错误。而切片数
足够大时, 此数据的精确度则会趋于稳定, 即可靠性
较高。因此在计算叶片结构时, 切片的数目不可随意
确定, 需要按照表1进行选择。只有统计足够数目的
切片才能保证计算结果的准确和可靠。
2.2 叶片各结构参数分析
表3中的参数包括两部分 : 叶肉细胞和维管束鞘细
胞。在衡量C4植物叶片结构时二者必须共同计算, 这
是与研究C3植物叶片结构的重要差别。众所周知,
C4植物在结构上区别于C3植物的典型特征是拥有特
化的叶肉细胞——维管束鞘细胞, 它与叶肉细胞共同
完成C4植物的光合过程。叶肉细胞是光反应的主要场
所, 通过捕获光能产生还原力, 并在PEPC的参与下
进行CO2初步固定, 将生成的C4酸转移到维管束鞘
的薄壁细胞中, 释放CO2, 参与卡尔文循环, 形成碳
水化合物。因此, 综合研究两种细胞的结构特征才能
较好地揭示叶片结构与光合功能的关系。在研究C3
植物时, 无论是细胞表面积还是其它参数, 只需考虑
叶肉细胞的结构, 在计算时应用的模型公式也只有1
种(Evans et al., 1994; Miyazawa and Terashima,
2001; Hanba et al., 2002; Oguchi et al., 2003, 2005,
2008; Tosens et al., 2012)。而在计算C4植物各种参
数时, 必须要将叶肉细胞和维管束鞘细胞综合分析,
分别选择合适的模型和公式计算F值及表面积, 然后
加以整合, 如公式(2)–(5)。这也是分析C4植物叶片结
构的必要手段。
表4是依据校正因子F派生出的各种参数。除了
C3植物中常用到的Smes、Sc和CN外, 我们重新定义
了参数CABM, 这也是C4植物中非常重要的参数。
CABM表示C4植物叶肉细胞和维管束鞘细胞的接触
面积。由于碳同化过程需将叶肉细胞中的C4酸运输到
维管束鞘细胞内, 二者的接触面积直接影响C4酸的
运输速率, 因此CABM也是影响C4植物光合作用的
重要参数。前人研究C4植物时也曾提到此参数, 但只
是以切片内的简单周长代替面积 , 进行初步分析
(March et al., 2008)。为了衡量时统一, 前人在研究
中只能以各种周长之比来代替表面积大小, 这样, 用
二维的参数衡量三维空间的立体结构显然不够准确。
因此, 我们将校正因子F应用于此参数的计算, 准确
计算出两种细胞的接触面积。这样, 既方便与细胞表
面积和Smes等参数统一比较, 也能更准确地反映叶
片结构与光合功能的关系。
巩玥等: 植物叶片解剖结构的量化及其在 C4 植物高粱中的应用 179
表2 切片数目对估算面积的影响
Table 2 Effects of the number of thin sections on estimated surface areas
Estimated surface areas (μm2) and degree of accuracy (%)
3 10 35 Theoretical value
H 2 997.06±35.78 (80%) 1 716.45±26.36 (70%) 2 573.25±14.82 (95%) 2 433.50
L 1 005.35±22.98 (60%) 2 022.73±20.54 (80%) 1 556.31±17.69 (95%) 1 636.28
H: 强光下生长的叶片; L: 弱光下生长的叶片
H: Leaves grown in high light; L: Leaves grown in low light


表3 细胞及叶绿体的表面积
Table 3 The surface area of cells and chloroplasts
Sm (m2·m–2) Sbs (m2·m–2) Smc (m2·m–2) Sbsc (m2·m–2)
H 2 011.32±10.97 488.57±4.26 1 646.54±8.77 845.26±6.92
L 1 146.61±23.68 256.31±5.08 685.67±10.43 380.34±4.37
Significance ** ** ** **
表中数据为平均值±标准误(n≥35)。** P<0.01; H: 强光下生长的叶片; L: 弱光下生长的叶片; Sm: 单位叶面积内叶肉细胞表面积;
Sbs: 单位叶面积内维管束鞘细胞表面积; Smc: 单位叶面积内叶肉细胞叶绿体的表面积; Sbsc: 单位叶面积内维管束鞘细胞叶绿体
的表面积
Values are means ± SE (n≥35). ** P<0.01; H: Leaves grown in high light; L: Leaves grown in low light; Sm: Area of mesophyll
cell surface per leaf area; Sbs: Area of bundle sheath cell surface per leaf area; Smc: Area of chloroplast surface in mesophyll
cells per leaf area; Sbsc: Area of chloroplast surface in bundle sheath cells per leaf area


表4 其它参数
Table 4 Other parameters
Smes (m2·m–2) Sc (m2·m–2) CABM (m2·m–2) CN (N·cell–1)
H 31.00±0.85 9.17±0.59 3.62±0.10 5.38±0.12
L 16.68±0.46 7.36±0.34 2.66±0.14 3.91±0.14
Significance ** * * **
表中数据为平均数±标准误(n≥35)。* P<0.05; ** P<0.01; H: 强光下生长的叶片; L: 弱光下生长的叶片; Smes: 单位叶面积内叶肉
细胞面向外围空间的表面积; Sc: 单位叶面积内叶绿体面向细胞外围空间的面积; CABM: 维管束鞘细胞和叶肉细胞接触面积; CN:
每个叶肉细胞中叶绿体的个数
Values are means ± SE (n≥35). * P<0.05; ** P<0.01; H: Leaves grown in high light; L: Leaves grown in low light; Smes: Area of
mesophyll cell surface facing the intercellular air space per leaf area; Sc: Area of chloroplast surface facing the intercellular air
space per leaf area; CABM: The contact area between bundle sheath and mesophyll cells; CN: Chloroplast number per meso-
phyll cell


2.3 叶片结构量化在光合功能分析中的应用
叶片结构决定生理功能。而本方法的目的就是准确量
化植物叶片的结构, 从而揭示叶片结构与光合功能的
关系。通过表3可明显看出, 强光下叶片的叶肉细胞
表面积及叶绿体表面积均大于弱光下的叶片。这一点
也体现在很多C3植物中 (Anderson and Osmond,
1987; Murchie and Horton, 1997; Chen et al.,
2002)。本文首次准确计算C4植物叶肉细胞和维管束
鞘细胞的表面积, 证实了二者均受光强影响, 且与光
合速率变化趋势一致(图4)。同时, 本研究还发现两者
的表面积之比均在0.23左右, 且二者的叶绿体表面积
之比在不同光强下无明显差异。这说明不同光强下C4
植物叶片中的两种细胞间可能维持一种平衡, 二者协
调变化, 共同影响光合能力。这为研究C4植物两种细
胞间的关系提供了重要线索。
在实际应用中, 分析光合功能时更常用的参数
如表4所示。较之于直接计算各组织的表面积, 这些

180 植物学报 49(2) 2014


图4 不同光强下高粱叶片净光合速率的变化
H: 强光下生长的叶片; L: 弱光下生长的叶片; 大、小写字母代
表不同光强下各参数的差异显著性(P<0.05, n=6)

Figure 4 Changes in photosynthetic rate (Pn) in Sorghum
bicolor leaves under different light intensity
H: Leaves grown in high light; L: Leaves grown in low light;
Capital letters and lowercase letters represent the different
irradiance treatments on leaves, respectively (P<0.05, n=6)


参数在揭示生理功能上更具有代表性。其中, Smes
是目前最常见的用于衡量叶肉细胞表面积的参数, 它
是将Nobel等(1975)首次提出的Ames/A(切片中叶肉组
织细胞表面积与单位宽度内叶片面积之比)通过校正
因子F修正得到(Miyazawa and Terashima, 2001;
Terashima et al., 2001; Kogami et al., 2001; Oguchi
et al., 2005)。它表示叶肉细胞面向外围空间的表面
积。在叶片的光合过程中, 这个表面积直接影响CO2
在叶肉细胞中的扩散速率, 因此与光合速率密切相
关。本研究中强光下的叶片Smes较弱光下的叶片高
57%, 如此大的叶肉细胞面积为叶绿体的排布提供了
广阔的空间, 也有利于CO2的扩散和碳同化。因此,
强光下叶片光合速率也比弱光叶片高很多。这与
Oguchi等 (2003, 2005, 2008)对藜 (Chenopodium
album)和瓜皮枫(Acer rufinerve)的研究结果相吻合。
而Smes通过影响CO2在叶肉细胞中的扩散速率
来影响光合作用, 其实质是影响叶绿体中的酶与CO2
的接触。Smes较大的叶片可以为叶绿体的贴膜排布
提供更大的面积, 从而有利于CO2进入叶绿体并被固
定。因此, 叶绿体贴膜排布的面积则可以更直接影响
碳同化速率, Sc(叶绿体面向细胞外围空间的表面积)
便成为衡量叶片结构的重要参数。我们的研究结果表
明, Sc的大小与光合速率变化趋势一致(表4; 图4)。同
时, 由于叶绿体的直径≤10 μm, 根据表1准确估算其
表面积需要测量上百张超薄切片。而统计Sc时只需测
量一般的半薄切片, 操作和计算过程均较为简便。因
此, Sc可以代替叶绿体表面积成为估算叶绿体结构的
常用参数。
此外 , 作为衡量C4植物叶片结构的重要参数 ,
CABM在研究中也与光合速率的趋势一致。这表明C4
植物的光合速率受叶肉细胞与维管束鞘细胞接触面
积的影响, 并随其增大而增大。
当切片厚度较大时, 其侧面的弯曲程度增大, 在
计算单位叶面积的细胞器个数时也需要用到校正系
数。其计算方法与Smes等参数的计算方法一致。在
计算时常会用到几个公式相乘, 便于约去F。
在科技迅速发展的今天, 不断发展的新技术被用
于测定细胞大小。但无论是利用双光子激光共聚焦显
微镜, 还是计算机三维重建技术, 都是复杂且费时费
力的。植物学和生态学的实验常需要大量估算叶片结
构, 而只需制作切片和简单测量完成的方法自然成为
量化植物叶片结构的首选。此外, 本文涉及的细胞器
大小、计数方法也可以用于动物细胞实验和医学检
测。因此, 在以后的植物学乃至整个生物学研究中,
这种简单而准确的量化方法将会得到越来越多的应
用。
致谢 感谢中国科学院植物研究所植物分子生理学
重点实验室董凤琴老师在切片制作过程中的大力帮
助; 感谢张健、王鑫给予本研究的建议。
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182 植物学报 49(2) 2014
Quantification of Leaf Anatomical Structure and Its Application in
a C4 Plant, Sorghum
Yue Gong1, 2, Haimiao Chen3, Chuangdao Jiang1*, Lei Shi1
1Key Laboratory of Plant Resources, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China
2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3School of Mathematical Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
Abstract Measurement of the total leaf length, thickness of the anatomical characters in thin sections and the correction
factor F is one of the important quantitative methods in examining leaf structure. However, little attention has been paid to
the effects of cell size and thickness of thin sections on accuracy of the method, which can result in errors because of few
numbers of thin sections. To solve this problem, we examined the causes of the error produced by this method and de-
fined the relationship between accuracy and number of thin sections in this study. In addition, we defined the contact area
bet- ween bundle sheath cells and mesophyll cells to estimate the leaf anatomy of sorghum, a C4 species.
Key words photosynthesis, leaf anatomy, correction factor, C4 plant
Gong Y, Chen HM, Jiang CD, Shi L (2014). Quantification of leaf anatomical structure and its application in a C4 plant,
sorghum. Chin Bull Bot 49, 173–182.
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* Author for correspondence. E-mail: jcdao@ibcas.ac.cn
(责任编辑: 白羽红)



附录I 误差的计算过程和分类讨论
Appendix I Error calculation and classified discussion
http: //www.chinbullbotany.com/fileup/PDF/13-042-1.pdf