全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2013, 48 (6): 635–642, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2013.00635
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收稿日期: 2013-01-25; 接受日期: 2013-04-08
基金项目: 国家自然科学基金(No.30972397, No.31270497, No.31270756)
* 通讯作者。E-mail: ruminzhang@sohu.com
毛竹茎秆叶绿体超微结构及其发射荧光光谱特征
陈登举1, 高培军1, 吴兴波1, 高岩1, 温国胜1, 王玉魁3, 高荣孚1, 2, 张汝民1*
1浙江农林大学, 亚热带森林培育国家重点实验室培育基地, 临安 311300; 2北京林业大学生物科学与技术学院, 北京 100083
3国家林业局竹子研究开发中心, 杭州 310012
摘要 为了探讨毛竹(Phyllostachys pubescens)茎秆的光合特性, 以1龄和3龄毛竹为材料, 观察了茎秆和叶中叶绿体的超
微结构, 测定了光合色素含量以及发射荧光光谱。结果表明: 茎秆中叶绿体发育完整, 其类囊体垛叠程度高于叶, 并含有淀
粉粒。茎秆中叶绿素总含量、类胡萝卜素及Chl a/b含量显著低于叶(P<0.05)。茎秆发射荧光光谱在735 nm处没有明显的主
峰, 1龄和3龄毛竹茎秆光系统II与光系统I的半峰宽比值分别比叶降低了7.0%和11.3%(P<0.05), 峰高比值比叶分别增加了
6.5%和18.3%(P<0.05)。四阶导数光谱在650–800 nm波长范围内出现了6个极大值, 代表LHCII、CP43、CP47、RCI和LHCI
的发射荧光峰以及PSI和PSII的发射荧光副振峰; 其中, 茎秆中RCI和LHCI特征发射荧光峰与叶相比有不同程度的红移。表
明毛竹茎秆叶绿体通过提高Chl b的相对含量和增加类囊体垛叠以及降低LHCI含量, 来适应毛竹茎秆以红光为主的光环境,
进而协调激发能在2个光系统间的分配。
关键词 毛竹, 茎秆光合作用, 发射荧光光谱, 叶绿体超微结构
陈登举, 高培军, 吴兴波, 高岩, 温国胜, 王玉魁, 高荣孚, 张汝民 (2013). 毛竹茎秆叶绿体超微结构及其发射荧光光谱特
征. 植物学报 48, 635–642.
叶绿体是高等植物和真核藻类进行光合作用的
重要细胞器, 最早的陆生植物是从绿藻家族进化而
来, 早期维管植物的茎秆是其主要的光合作用器官
(Stewart and Rothwell, 1993)。研究发现不仅绿色茎
秆(Cannon, 1905), 而且植物体的其它绿色组织也能
够进行光合作用(Kozlowski, 1992)。许多学者试图定
量测定发生在非叶器官的光合作用对整个植株的贡
献(Cannell, 1975; Birkhold et al., 1992; Kozlowski,
1992), 但目前还很困难(Pfanz et al., 2002)。大量的
研究表明 , 茎秆光合作用在帮助植物积累有机物
(Eyles et al., 2009; Saveyn et al., 2010; Cernusak
and Hutley, 2011)、应对不良环境(Bloemen et al.,
2013)、改善茎秆内部气体组成(Hibberd and Quick,
2002)及促进新生组织形成 (Spicer and Holbrook,
2005)等方面具有重要作用。植物进行光合作用需要
获得光能。已有的研究表明, 茎秆不仅能通过光的透
射使表层得到光, 而且可通过一些组织结构向内部传
递光(以近远红光为主)(Sun et al., 2003, 2005)。在光
强和光质的影响下, 茎秆内叶绿素含量(王文杰等,
2007)和类囊体结构(Rascio et al., 1991; Sæbø et
al., 1995)与阴生植物叶十分相似。光照不足会显著影
响云杉(Picea aspoerata)叶中光合作用相关蛋白复
合物的含量(Bertamini et al., 2006)。Ivanov等(2006)
对欧洲赤松(Pinus sylvestris)茎秆绿色组织的研究得
到了相似的结果, 他们发现LHCI的含量与松针相比
明显降低。C3植物茎秆中除含有同化CO2的Rubisco
羧化酶外 , 还含有高活性的C4酶 (Berveiller and
Damesin, 2008; Kocurek and Pilarski, 2011; 王星
星等, 2012)。Hibberd和Quick(2002)在C3草本植物的
茎秆中也发现了光合C4途径。上述研究结果表明, 茎
秆与叶的光合作用可能存在不同的调控机理。
毛竹(Phyllostachys pubescens)在我国分布范
围广, 是集经济价值、生态价值和社会效益于一体的
经济林木。目前, 对毛竹叶光合特性(桂仁意等, 2010;
Wen et al., 2011)、诱导荧光动力学(应叶青等, 2009)
和PSII捕光色素蛋白复合物(LHCII)基因(高志民等,
2012)等方面的研究较多, 关于毛竹茎秆光合作用的
研究则报道较少。王星星等(2012)对毛竹茎秆叶绿体
·研究报告·
636 植物学报 48(6) 2013
分布和C4酶活性进行了研究, 发现毛竹茎秆的散生维
管束周围分布着发育完整的叶绿体, 形成类似C4植物
的花环结构, 具有较高的C4酶活性。本文通过分析叶
绿体超微结构、光合色素含量和叶绿素常温发射荧光
光谱, 探讨毛竹茎秆内光环境对其光合特性的影响,
以期为阐明植物茎秆光合作用机理提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 实验地概况
实验地设在浙江省临安市现代毛竹(Phyllostachys
pubescens Mazel ex H. de Lehaie)示范园内。该示
范园位于临安市(118°51′–119°52′E, 29°56′–30°27′
N), 属中亚热带季风气候, 温暖湿润, 四季分明。年
平均气温15.8°C, 7月温度最高, 平均气温28.1°C; 1
月温度最低, 平均气温3.4°C。极端最高气温41.9°C;
极端最低气温–13.3°C。年平均降雨量1 628.6 mm。
年平均日照时数1 939小时。无霜期234天。森林覆盖
率达76.5%。毛竹林土壤属山地红壤, 土层深度在60
cm以上。
1.2 实验材料
2012年9月15日至9月30日, 每次选取长势一致、生
长良好且无病虫害的1龄和3龄毛竹各3株, 基径约15
cm。取毛竹茎秆节间中部的外层表皮, 厚度<3 mm,
选择枝条梢部以下3–4位无病斑的叶 , 取样时间
10:00–12:00。取样后直接测定发射荧光。用于测定
光合色素和电镜观察的样品, 取下后迅速置于液氮中
保存备用。
1.3 研究方法
1.3.1 叶绿素含量测定
将10 cm2的毛竹茎和叶剪成碎块, 置于具塞的试管
中, 加入80%丙酮5 mL, 室温下遮光萃取至样品完全
变白后 , 分别在470 nm、646 nm和663 nm(TU-
1900, 北京普析通用)处测定其OD值。每个样品重复
测定3次。然后, 按照Lichtenthaler(1987)的计算公式,
分别计算叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量。

1.3.2 电镜样品的制备与观察
将1龄毛竹茎秆和叶切成0.2 mm×5 mm的长方形小
块, 置于0.2 mol·L–1磷酸缓冲液(PBS, pH 7.2)配制的
2.5%戊二醛中, 黑暗条件下室温固定24小时。然后,
用PBS缓冲液漂洗3次, 用1%锇酸再固定4小时; 将
材料用PBS缓冲液洗涤3次后, 经各级乙醇脱水; 待
全部脱水后, 包埋于环氧树脂(Epon 812)中, 包埋材
料在45°C下浸透25小时, 60°C下聚合48小时; 包埋
块经修整后切片, 切片经醋酸双氧铀和柠檬酸铅双染
色, 在H-7650型(HITACHI)电镜上观察、拍照并记录
结果。参照Goodenough和Levine(1969)的方法并稍
作改进, 对毛竹茎秆和叶的类囊体中单位基粒厚度的
片层数分别进行统计。每个样品选取5个视野, 每个
视野20个基粒。

1.3.3 发射荧光光谱测定
使用Unispec-SC型单通道光纤光谱仪(PP-System,
USA)常温测定活体状态下毛竹叶和茎秆的发射荧光
光谱。以外接发光二极管(LED)为激发光源(445 nm),
强度控制在3 000 μmol·m–2·s–1, 固定连接在Unispec-
SC分支光纤的光源输出端, 另一分支连接在光谱仪
主机的检测器端, 光纤的探头端固定在1个标准叶夹
中, 与叶呈60°角(图1)。发射波长范围600–900 nm,
发射步长为1 nm, 扫描速度为800 nm·s–1。测量前用
标准白板校对调零。每样品选择完整且无病斑的毛竹
叶和茎秆材料各10片, 每片采集数据1次。
1.4 数据处理
采集得到的数据经Multispec 5.1初步处理后 , 用
SPSS 13.0软件进行统计分析。经卷积平滑消除噪音
后任意选出8组求平均值, 归一处理后, 采用高斯函
数对发射荧光光谱进行拟合, 子峰数目和峰位置通过
四阶导数光谱确认, 经多次拟合使残差最小。用Ori-
ginPro 9.0软件绘图。
2 结果与讨论
2.1 叶绿体超微结构
在电子显微镜下观察毛竹茎秆和叶中的叶绿体时, 发
现茎秆叶绿体超微结构与叶无明显差异(图2)。二者都
具有发达的类囊体膜系统, 且类囊体膜系统均由基粒
片层和基质片层两部分组成, 基质类囊体与基粒类囊
体高度分化, 构成基粒的垛叠层数越多, 基粒数目也
陈登举等: 毛竹茎秆叶绿体超微结构及其发射荧光光谱特征 637


图1 发射荧光光谱测定示意图

Figure 1 The schematic diagram of fluorescence emission
spectrum measurement

越多, 且排列整齐。茎秆叶绿体的类囊体每微米基粒
厚度的片层数(45.6±1.2)比叶片叶绿体(39.3±0.8)高
出13.8%。茎秆中叶绿体基粒的垛叠程度(图2B)显著
高于叶片(图2D), 此外在茎秆内的叶绿体中观察到大
量的淀粉粒(图2A)。
2.2 光合色素含量
毛竹叶和茎秆之间光合色素含量存在显著差异(表1)。
相同器官不同竹龄的毛竹叶绿素含量无明显差异。随
着竹龄的增加类胡萝卜素含量升高, 3龄毛竹叶和茎
秆类胡萝卜素含量分别比1龄毛竹增加了17.6%和
10.5%。相同年龄不同器官之间光合色素含量差异显
著, 1龄和3龄毛竹叶总叶绿素含量分别比1龄和3龄毛
竹茎秆高35.2%和32.3%; 1龄和3龄毛竹茎秆Chl a/b
显著低于叶(P<0.05); 1龄和3龄茎秆的类胡萝卜素含
量分别比叶低55.9%和46.5%。
2.3 发射荧光光谱
对毛竹叶和茎秆的发射荧光光谱进行四阶导数处理。
为了消除因叶和茎秆密度的不同导致的荧光强度差
别, 分别对光谱进行归一化处理, 并对650–800 nm
波长范围内的光谱进行分析。毛竹叶和茎秆各自典型
的发射荧光光谱和四阶导数光谱如图3所示。毛竹叶




图2 毛竹茎秆和叶叶绿体的超微结构
(A), (B) 茎秆叶绿体的超微结构; (C), (D) 叶片叶绿体的超微结构。(A), (C) Bar=0.5 μm; (B), (D) Bar=0.2 μm
S: 淀粉粒; GR: 基粒片层

Figure 2 Electron micrograph of chloroplast ultrastructure from stem and leaf of Phyllostachys pubescens
(A), (B) Ultrastructure of chloroplasts from stem; (C), (D) Ultrastructure of chloroplasts from leaf. (A), (C) Bar= 0.5 μm; (B), (D)
Bar=0.2 μm
S: Starch grain; GR: Grana layer
638 植物学报 48(6) 2013
表1 毛竹茎秆和叶的色素含量(mg·chlorophyll·m–2)(平均值±标准误)
Table 1 Pigment content in stems and leaves of Phyllostachys pubescens (mg·chl·m–2)(means±SE)
Organ and age Chl a Chl b Chl T Carotenoid Chl a/b
1-year-old stem 195.0±0.27 a 90.44±0.05 a 297.43±0.22 a 48.77±0.07 a 2.16±0.08 a
3-year-old stem 205.3±0.23 a 94.01±0.07 a 311.72±0.31 a 57.34±0.08 b 2.18±0.07 a
1-year-old leaf 314.5±0.82 b 123.82±0.31 b 454.02±1.17 b 76.03±0.21 c 2.54±0.21 b
3-year-old leaf 319.4±0.25 b 125.39±0.12 b 460.71±0.37 b 84.00±0.18 d 2.55±0.18 b
不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Different letters represent significant difference (P<0.05).




图3 毛竹茎秆和叶的相对发射荧光光谱和四阶导数光谱
(A) 相对发射荧光光谱; (B) 四阶导数光谱
L1: 1龄叶; L3: 3龄叶; S1: 1龄茎秆; S3: 3龄茎秆

Figure 3 Relative fluorescence emission spectrum and
fourth-derivative spectrum from leaves and stems of Phyl-
lostachys pubescens
(A) Relative fluorescence excitation spectrum; (B) 4th deriva-
tive spectrum
L1: 1-year-old leaf; L3: 3-year-old leaf; S1: 1-year-old stem;
S3: 3-year-old stem


和茎秆的发射荧光光谱曲线呈M型, 在红光区和远红
光区各有1个主峰(图3A)。
在红光区, 叶和茎秆的四阶导数光谱基本一致
(图3B), 主峰在685 nm处。肩峰在693 nm处。远红
光区毛竹叶和茎秆的光谱差异很大, 毛竹叶的主峰均


图4 毛竹茎秆和叶发射荧光光谱的高斯拟合
(A) 1龄茎秆; (B) 3龄茎秆; (C) 1龄叶; (D) 3龄叶

Figure 4 Fluorescence emission spectra and results of
Gaussian fitness for leaves and stems of Phyllostachys pu-
bescens
(A) 1-year-old stem; (B) 3-year-old stem; (C) 1-year-old leaf;
(D) 3-year-old leaf

在735 nm处, 在725 nm和746 nm处有2个肩峰; 毛
竹茎秆的平顶主峰范围介于728–747 nm之间, 没有
明显的肩峰。在红光区, 1龄和3龄毛竹叶和茎秆的3
个峰分别在675 nm、685 nm和696 nm处。在远红光
区, 1龄和3龄毛竹叶的3个峰分别在726 nm、737 nm
和749 nm处; 1龄毛竹茎秆的3个峰分别在728 nm、
739 nm和749 nm处; 3龄毛竹茎秆的3个峰分别在
730 nm、740 nm和749 nm处。
在发射荧光光谱范围内, 解析出2个高斯光谱组
陈登举等: 毛竹茎秆叶绿体超微结构及其发射荧光光谱特征 639
表2 毛竹茎秆和叶的发射荧光光谱高斯解析结果
Table 2 The results of Gaussian decomposition of fluorescence spectra for stems and leaves of Phyllostachys pubescens
Peak 1-year-old stem 3-year-old stem 1-year-old leaf 3-year-old leaf
685 685 685 685
Center
1
2 735 734 735 734
19.57 19.80 21.24 17.91
Area
1
2 49.09 49.13 52.90 46.06
20.59 20.69 21.51 21.58
Width
1
2 47.49 47.53 46.43 44.42
0.76 0.77 0.79 0.63
Height
1
2 0.82 0.83 0.91 0.83
Area 1/Area 2 0.40 0.40 0.40 0.39
Height 1/Height 2 0.93 0.93 0.87 0.76
Width 1/Width 2 0.43 0.44 0.46 0.49



分(图4; 表2)。在红光区, 毛竹茎秆和叶的荧光峰均
在685 nm处。在远红光区, 1龄毛竹茎秆和叶的荧光
峰均位于735 nm处; 3龄毛竹茎秆和叶则位于734 nm
处。毛竹茎秆和叶的2个解析峰的面积比(Area 1/Area
2)值无显著差异。相同器官不同竹龄的2个荧光峰的
半宽比(Width 1/Width 2)值和高度比值(Height 1/
Height 2)差异不显著; 相同竹龄不同器官的Width 1/
Width 2值和Height 1/ Height 2值有显著差异。1龄和
3龄毛竹茎秆的Width 1/Width 2值分别比叶降低了
7.0%和11.3%, Height 1/Height 2值分别比叶增加了
6.5%和18.3%。
2.4 讨论
光合作用本质是光生物化学过程, 光不仅为光合作用
提供能量, 而且对植物光合作用和基因表达具有调控
作用(Eskins et al., 1989)。江明艳和潘远智(2006)、
Leong等(1985)和Bertamini等(2006)在研究叶时, 阐
述了光谱对叶绿素合成调节和基因表达的影响。茎秆
中特殊光环境对光合作用影响的研究尚处于初期阶
段, 仅对叶绿体超微结构(Rascio et al., 1991; Sæbø
et al., 1995)和光合色素含量(王文杰等, 2007)等展开
了研究。本研究结果表明, 茎秆中叶绿体发育完整,
垛叠程度比叶高(图2), 其原因可能是由于红光促进
了光系统 II(PSII)相关基因的表达 (Leong, 1985),
LHCII有助于维持类囊体膜的垛叠(Danielsson et al.,
2006)。在毛竹茎秆叶绿体中观察到大量的淀粉粒
(图2), 由于红光抑制光合产物的运输(Sæbø et al.,
1995), 导致茎秆叶绿体中大量积累淀粉(Kriedem-
ann and Buttrose, 1971; Rascio et al., 1991)。茎秆
中Chl a/b显著低于叶(表1), 茎秆内部高红光比例
(Sun et al., 2003, 2005)有利于促进Chl b的合成(江
明艳和潘远智, 2006)。Hoober等(2007)研究发现适当
的氧分压有利于维持叶绿体内Chl b的水平, 茎秆中
叶绿体氧含量很低(Mugnai and Mancuso, 2010), 毛
竹茎秆如何维持较高的Chl b水平尚需进一步研究。毛
竹茎秆在光合色素含量和叶绿体结构两个方面都与低
光环境的叶相似, 这是其适应阴生光照环境的表现。
叶绿体内不同的色素蛋白复合物发射的荧光构
成了叶绿体的发射荧光光谱(Govindjee, 1995), 这些
色素蛋白复合物具有不同的发射荧光峰位(Andreeva
et al., 2007)。光照不足会导致叶中CP47等亚基含量
降低(Bertamini et al., 2006), 毛竹茎秆红光区的发
射荧光光谱与叶基本一致(图3A)。这表明光照不足对
毛竹茎秆PSII的色素蛋白复合物组成无明显影响。远
红光区的毛竹茎秆没有明显的主峰(图3), 可能是由
于茎秆中单位光系统I(PSI)的捕光色素蛋白复合物
(LHCI)含量较低所致(Ivanov et al., 2006)。毛竹茎秆
叶绿体中PSII和PSI(图4)的发射荧光光谱Height 1/
Height 2值比叶高(表2), 其原因可能是通过增加叶绿
体基粒的垛叠程度(图2)以提高对蓝光的吸收, 降低
LHCI含量, 减少红光吸收的结果; Width 1/Width 2值
比叶低, 可能是由于提高Chl b含量(表1), PSI中低能
态的叶绿素选择吸收茎秆中丰富的长波长光质
(Cometta et al., 2000), 增大了PSI吸收光谱范围的
640 植物学报 48(6) 2013
结果。
红光区四阶导数荧光光谱的3个极大值峰分别由
LHCII、CP43和CP47发射(Andreeva et al., 2003);
远红光区726 nm和737 nm附近的极大值峰分别由光
系统 I反应中心 (RCI)和LHCI发射 (Jennings et al.,
2003), 749 nm的极大值峰是2个光系统的副振峰
(Srivastava et al., 1999; Andreeva et al., 2007)。毛
竹茎秆RCI和LHCI发射的荧光峰与叶相比有显著的
红移(图3B), 茎秆PSI发射荧光的红移可能与低能态
叶绿素光能在PSI内部传递过程中的调节作用有关
(Kochubey and Samokhval, 2000)。LHCII磷酸化后
与LHCI交联在一起(Ben-Shem et al., 2003), 经过
LHCI-730(Bassi and Simpson, 1987)传递给PSI
(Bellafiore et al., 2005)。LHCI中低能态的叶绿素
(Jensen et al., 2000; Morosinotto et al., 2003)调节
传递荧光的能态。另外, 茎秆叶绿体的光环境与阴生
叶类似, 低能态的叶绿素大量吸收红光(Rivadossi et
al., 1999), 在传递给反应中心的过程中伴随发射荧
光, 能态降低, 导致茎秆的RCI和LHCI发射荧光峰产
生了不同程度的红移(Croce et al., 1998)。
综上所述, 毛竹茎秆叶绿体可能通过以下3种方
式来协调两个光系统激发能的分配 , 以应对茎秆
内特殊的光环境影响。 (1) 增加类囊体的垛叠程度,
以提高茎秆叶绿体对蓝光的吸收, 并弥补茎秆中蓝光
不足导致的PSII激发能分配降低; (2) 毛竹茎秆通过
减少LHCI, 防止LHCI茎秆光质在以红光为主的光环
境下吸收过量光能, 导致PSI过度激发; (3) Chl b相对
含量升高和低能态叶绿素对红光选择吸收的特性, 使
PSI的光谱吸收范围增加。
致谢 在实验过程中, 浙江农林大学王星星同学帮助
完成了毛竹茎秆叶绿体超微结构的观察, 特此致谢！
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Chloroplast Ultrastructure and Emission Fluorescence Spectrum
Characteristics for Stems of Phyllostachys pubescens
Dengju Chen1, Peijun Gao1, Xingbo Wu1, Yan Gao1, Guosheng Wen1, Yukui Wang3,
Rongfu Gao1, 2, Rumin Zhang1*
1The Nurturing Station for the State Key Laboratory of Subtropical Silviculture, Zhejiang Agriculture and Forestry University,
Lin’an 311300, China; 2College of Biological Sciences and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China;
3Research Center of Bamboo, State Forestry Administration, Hangzhou 310012, China
Abstract To reveal the photosynthetic characteristics of stems of Phyllostachys pubescens, we used scanning electron
microscopy to observe the chloroplast ultrastructure of stems and leaves and detected the changes in pigment content
and emission fluorescence spectra in 1- and 3-year-old plants. The emission fluorescence spectra underwent fourth-
derivative analysis with Origin Pro 9.0. Chloroplasts of stems showed numerous lamella and abundant starch grains. The
chlorophyll, carotenoid and chlorophyll a/b content was significantly lower in stems than leaves (P<0.05). The main peak
of emission fluorescence spectrum at 735 nm in stems was absent. The semi-width ratios of PSII and PSI in 1- and
3-year-old stems were significantly reduced by 7.0% and 11.3% (P<0.05), respectively, as compared with leaves,
whereas the height ratio increased by 6.5% and 18.3% (P<0.05), respectively. Fourth-derivative spectra showed 6 fluo-
rescence peaks between 650 and 800 nm, representing LHCII, CP43, CP47, RCI, LHCI and PSII-PSI shoulder peaks,
respectively. RCI and LHCI in stems showed obvious Stokes shifts as compared with the peaks in leaves. Thus, chloro-
plasts in stems of P. pubescens may adapt to far-red light and coordinate the allocation of excitation energy between PSII
and PSI by increasing the chlorophyll b relative content and the number of lamella as well as reducing the content of
LHCI.
Key words Phyllostachys pubescens, stem photosynthesis, emission fluorescence spectrum, chloroplast ultrastructure
Chen DJ, Gao PJ, Wu XB, Gao Y, Wen GS, Wang YK, Gao RF, Zhang RM (2013). Chloroplast ultrastructure and
emission fluorescence spectrum characteristics for stems of Phyllostachys pubescens. Chin Bull Bot 48, 635–642.
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* Author for correspondence. E-mail: ruminzhang@sohu.com
(责任编辑: 孙冬花)