全 文 ：文章编号 :100028551 (2009) 042561205
不同含水量紫花苜蓿种子空载后当代叶片显微
和超微结构研究
冯　鹏1 　李键2 　张蕴薇2 　刘若晗3
(1. 甘肃农业大学草业学院 ,甘肃 兰州　730070 ;2. 中国农业大学草地研究所 ,北京　100193 ;
31 中国农业大学农学与生物技术学院 ,北京　100193)
摘　要 :利用“实践八号”育种卫星搭载含水量分别为 9 %、11 %、13 %、15 %、17 %的紫花苜蓿 ( Medicago
sativa L. )品种“中苜一号”种子 ,返回后对搭载组与对照组植株叶片显微、超微结构进行差异性分析。结
果表明 :显微结构各指标含水量 9 %和 11 %组表现负向变异 ,13 %、15 %、17 %组表现正向变异 ;空间搭
载对细胞海绵组织的影响明显于栅栏组织 ;不同含水量苜蓿搭载后细胞超微结构均出现不同程度的变
化 ,叶绿体结构变异明显 ,线粒体出现明显的空洞和溢裂现象 ;15 %搭载组淀粉粒较明显 ,17 %搭载组淀
粉粒个体大、数量多 ,表明空间搭载对淀粉粒的数量和个体大小的影响与搭载种子本身水分含量有关。
关键词 :紫花苜蓿 ;海绵组织 ;显微结构 ;超微结构 ;淀粉粒
MICROSTRUCTURE AND ULTRASTRUCTURE OF ALFALFA SEEDS WITH DIFFERENT
MOISTURE CONTENTS AFTER SATELLITE CARRYING
FENG Peng1 　LI Jian2 　ZHANG Yun2wei2 　LIU Ruo2han3
(1. Pratacultural College , Gansu Agricultural University ,Lanzhou , Gansu 　730070 ;
2. Institute of Grassland Science , China Agricultural University , Beijing 　100193 ;
31 College of Agriculture and Biology , China Agricultural University , Beijing 　100193)
Abstract :Seeds with different moisture contents (9 % , 11 % , 13 % , 15 % , 17 %) of Medicago sativa L. cv. Zhongmu No.
1 were boarded on the Shijian28 satellite and then the microscopic and ultrastructure were observed. The results showed that
spongy tissue and leaf palisade of plant after space flight were different to their control . The impact of on spongy cells was more
obvious than the palisade cells ; greater chloroplasts , empty and crack overflow mitochondria were observed. More starch grain
were found at the samples cultured from 15 % and 17 % moisture content treatment , which was analyzed that starch grains in
leaf cell was affected by the moisture content of seeds.
Key words :alfalfa ; palisade tissue ; microstructure ;ultrastructure ;starch grains
收稿日期 :2008212224 　接受日期 :2009203228
基金项目 :国家十一五科技支撑项目 ( 2008BADB3B04) , 国家航天育种工程 ( 2006 HT 10) , 优质专用抗逆野牛草、结缕草新品种选育
(2006BAD01A1923)
作者简介 :冯　鹏 (19802) ,男 ,内蒙古乌兰察布人 ,硕士 ,主要从事牧草育种方面研究。Tel :047124926909 ; E2mail :fenggrass @1631com
通讯作者 :张蕴薇 (19742) , 女 ,内蒙古呼伦贝尔人 ,博士 ,主要从事牧草育种方面研究。Tel :010262732255 ; E2mail :zywei @1261com　　太空辐射环境对生物效应的研究近年来备受关注[1 ,2 ] 。20 世纪 50 年代 ,美国、俄罗斯、中国和日本等国都一直进行太空条件对生物影响的研究 ,中国科技工作者已完成了 300 多项空间育种研究 ,取得了令人瞩目的成就[3 ] 。有研究表明 ,空间诱变植物种子萌发后多数能生长发育 ,且发生不同程度的变异 ,如平均株 高和单株叶片数明显减少 ,细胞结构发生变化等[4 ] ;树莓试管苗空间搭载后叶绿体片层结构发生了变化 ,叶绿体扭曲变形 ,线粒体嵴消失 ,淀粉粒增多[5 ] 。杨群等[6 ]研究发现甜椒种子经空间搭载后其蛋白质和碳水化合物含量增加。种子含水量对搭载效应有一定影响 ,可能是因为
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种子含水量改变了种子的生理状态 ,使其处于休眠向
萌动过渡时期 ,增加了空间诱变敏感性[7 ,8 ] 。张蕴薇等
研究认为 ,空间诱变影响红豆草细胞的超微结构 ,导致
一系列细胞器结构的变化[9 ] 。本研究对不同含水量紫
花苜蓿种子空间搭载后当代叶片的细胞显微及超微结
构进行分析 ,旨在探讨空间搭载对其细胞结构和功能
的影响 ,为空间诱变技术在牧草育种中的应用提供依
据。
1 　材料与方法
111 　材料
供试材料为紫花苜蓿“中苜一号”品种种子 ,由中
国农业大学草地研究所提供。
112 　方法
11211 　材料空间搭载　2006 年 6 月将精选种子分为 2
份。1 份用于卫星搭载 ,搭载前对种子进行水分预处
理 ,分别调为自然含水量 (9 %) 、11 %、13 %、15 %和
17 %。将处理后的种子封入布袋进行搭载 ,“实践八
号”育种卫星于 2006 年 9 月 9 日在酒泉卫星发射中心
升空 ,卫星在近地点 187km、远地点 463km 的近地轨道
运行 ,于 9 月 24 日返回地面。另 1 份作地面对照
(CK) ,贮存于地面温湿度相近 (20 ℃左右)的环境中。
11212 　种子含水量测定方法 　参考韩建国[10 ] 的研究
方法 ,测定供试牧草种子的原始含水量为 9 % ,分为 5
份 ,每份重量为 21500g ,将待处理的种子装入铝箔袋
中 ,按公式计算使含水量达到 9 %、11 %、13 %、15 %和
17 %时分别应加入 0、01056、01115、01176 和 01241ml
水 ,用微量注射器将所需的水量分别注入铝箔袋中 ,封
口后轻微晃动使种子与水均匀混合 ,水平置于 25 ℃恒
温培养箱中 24 h。含水量计算公式如下 :
W2 = W1 ×(100 - A) / (100 - B )
式中 : A 为种子初始含水量 ( %) ; B 为所要达到的
含水量 ( %) ; W1 为称取的种子重量 (g) ; W2 为种子加
水后重量 (g) ;所需加水量 (ml) = W2 - W1 。
11213 　显微结构　2008 年 5 月发芽试验 ,6 月移于中
国农业大学上庄试验站 ,9 月选取当代健康植株中部
叶片 ,切取主脉与其左侧第一分支脉间 1Π2 部位约
015cm2 的倒梯形。用 FAA 固定液固定 ,常规石蜡切片
程序切片 ,切片厚度 13μm ,番红 - 固绿双重染色 ,
Nikon2DIAPHOT显微镜上观察。每处理选取 3 个叶
片。各显微结构观测值均为 30 个数值的平均值[11 ] 。
11214 　超微结构　2008 年 10 月分别剪取处理和对照
相同部位的叶片 ,切成 1mm2 小块 ,置于用 011molΠL 磷
酸缓冲液 (pH 714) 配制的 215 %戊二醛溶液中进行前
固定 ,用 1 %锇酸后固定。经 011molΠL 的磷酸缓冲液
冲洗 ,30 %、50 %、70 %、80 %和 90 %丙酮系列脱水后 ,
用环氧树脂 SPURR 包埋、聚合。LKB2V 型切片机超薄
切片 , 染色 , 在 J EOL2100S 型透射电镜下观察并照
相[12 ] 。
113 　数据分析
试验数据采用 SAS 统计软件进行 t2测验 ,在 P <
0105 水平分析各个含水量组别对照与空载间的差异
显著性。
2 　结果与分析
211 　显微结构差异性分析
空间搭载对紫花苜蓿叶片显微结构的影响因搭载
的种子含水量不同而异 ,在海绵细胞和栅栏细胞厚度、
层数及排列紧密程度的空间诱变效应上 ,含水量为
9 %和 11 %组别表现为负向变异 ,即搭载组明显低于
对照 ( P < 0105) ;13 %～17 %组别表现出正向变异 ,即
搭载组明显高于地面对照 ( P < 0105) (表 1) 。叶片细
胞海棉组织和栅栏组织的空间搭载效应不同 ,空间搭
载对海绵组织的影响要明显于栅栏组织 (表 1) 。
从图 1 可以看出 ,9 %和 11 %对照组海绵组织和栅
栏组织完整程度要高于搭载组 ,13 %～17 %组则低于
搭载组 ;对照间 15 %组细胞完整程度及排列整齐程度
最低 ,表皮细胞破损最为严重 (图 1 - 7) ;搭载组间
13 %组细胞排列最为整齐 (图 1 - 6) 。
212 　超微结构差异性分析
从图 2 可以看出 ,含水量为 9 %、11 %搭载组 (图 2
- 2、4)叶片细胞叶绿体的完整程度要低于其各自对照
(图 2 - 1、3) ,线粒体基本消解完全 ,空洞、溢裂现象十
分明显。而对照组线粒体形状大小各异 ,嵴不十分明
显 ,且被叶绿体挤到细胞壁边缘 ;叶绿体膜轻度消解 ,
但基粒片层清晰可见 ,排列整齐。
含水量为 13 %、15 %的对照组细胞细胞壁不清
晰 ;海绵细胞较栅栏细胞消解严重 ,叶绿体膜大部分消
解完全 ,仅有片层可见 ,栅栏细胞液泡化程度较海绵细
胞低 (图 2 - 5、7) 。搭载组海绵细胞个体差异大 ;大部
分叶绿体都失去了原有的形状 ,叶绿体片层不十分清
晰 ,线粒体大小不一 ,个别空洞 ,但大部分完整 (图 2 -
6、8) ;15 %含水量搭载组的淀粉粒清晰可见 (图 2 - 9) 。
水分含量为 17 %对照组细胞质壁分离现象严重 ;
叶绿体消解 ,细胞内叶绿体片层聚集于一处 ,无膜 ;线
粒体结构完整 ,数目较多。搭载组海绵细胞细胞壁明
265 核　农　学　报 23 卷
显加厚 ;淀粉粒与消解的叶绿体交织在一起 ,数目多
(图 2 - 10、11) ;个别海绵细胞 ,淀粉粒几乎占据了整
个细胞。叶绿体出现消解迹象 ,个体差异性大 ,且形状
扭曲严重 ,但片层结构清晰可见 (图 2 - 12) 。
表 1 　空间搭载对不同含水量紫花苜蓿种子 SP1 代叶片显微结构的影响
Table 1 　Effect of seed moisture content during the satellite carrying on the microscopic structure of alfalfa
含水量
moisture
处理
treatment
表皮厚度
epidermal
thickness
(mm)
海绵组织 spongy tissue 栅栏组织 palisade tissue
厚度
thickness(um)
层数
No. of layer
紧密程度
close degree
厚度
thickness(um)
层数
No. of layer
紧密程度
close degree
9 % CK 0167 3115 3～4 + + 4188 3 2～3 +
SP1 0173 3149 2～4 + 4146 1～2 +
11 % CK 0162 3118 3 3～4 + 4162 2～3 +
SP1 0152 2115 3～4 + 418 1～2 +
13 % CK 0147 3148 3～4 + + 5121 2～3 +
SP1 0170 3 4104 3 3～4 + + 5162 3 2～3 +
15 % CK 0199 4188 3～4 + 6118 2～3 + +
SP1 0199 4193 3～4 + + 5173 1～3 + +
17 % CK 0179 3188 1～2 + 4125 2～3 +
SP1 0174 3196 3 1～2 + + 4144 3 2～3 +
注 : 3 表示同一指标相同含水量的地面对照和卫星搭载间差异显著 ( P < 0105) , + 、+ + 表示细胞排列紧密程度。
Note : 3 Means significance at 0105 level between the treatment and control in same water content ; + , + + means the close degree of cells.
图 1 　不同含水量苜蓿叶片的细胞显微结构
Fig. 1 　The microscopic structure of leaf from alfalfa seed treated under different moisture content
1 和 5 分别为含水量 9 %、13 %( ×400)对照组 ,3 ,7 和 9 分别为含水量 11 % ,15 % ,17 %( ×200)对照组细胞 ;
2 和 6 分别为含水量 9 % ,13 %( ×400)搭载组 ,4 ,8 和 10 分别为含水量 11 % ,15 % ,17 %( ×200)搭载组细胞。
1 and 5 are untreated cell of water content 9 % ,13 % ( ×400) , 3 ,7 and 9 are untreated cell of water content 11 % ,15 % ,17 %( ×200) ;
2 and 6 are space mutation cell of water content 9 % ,13 %( ×400) , 4 ,8 and 10 are space mutation of water content cell
11 % ,15 % ,17 %( ×200) .
365　4 期 不同含水量紫花苜蓿种子空载后当代叶片显微和超微结构研究
图 2 　不同含水量苜蓿叶片细胞的超微结构
Fig. 2 　The ultrastructure structure of leaf cell
CE:细胞 ;VA :液泡 ;CH:叶绿体 ;M:线粒体 ;S :淀粉粒
CE:Cell ; VA :Vacuole ; CH:Chloroplast ; M:Mitochondrial ; S :Starch grains
1、2 :含水量为 9 %的对照组正常细胞 ( ×5000)和搭载组液泡及叶绿体 ( ×8000) ;3、4 :含水量为 11 %的对照组叶绿体片层结构 ( ×80000)和搭载组线
粒体 ( ×120000) ;5、6 :含水量为 13 %的对照组海绵细胞 ( ×8000)和搭载组线粒体 ( ×30000) ;7、8 :含水量为 15 %的对照组线粒体 ( ×80000) 和搭载
组叶绿体 ( ×80000) ;9 :含水量为 15 %的搭载组叶绿体及淀粉粒 ( ×50000) ;10、11 :含水量为 17 %的对照组线粒体 ( ×120000) 和搭载组栅栏及海绵
细胞 ( ×2500) ;12 :含水量为 17 %的搭载组淀粉粒 ( ×10000)
1 ,2 :water content 9 % of untreated group palisade cell ( ×5000) and space mutation group vacuole and chloroplast ( ×8000) ; 3 ,4 :water content 11 % of untreated
group chloroplast lamellar structure ( ×80000) and space mutation group mitochondrial ( ×120000) ; 5 ,6 :water content 13 % of untreated group sponge cell ( ×
8000) and space mutation group chloroplast ( ×30000) ; 7 ,8 :water content 15 % of untreated group mitochondria ( ×80000) and space mutation group mitochondrial
( ×150000) ; 9 :water content 15 % of space mutation group chloroplast and starch grains ( ×50000) ; 10 ,11 :water content 17 % of untreated group mitochondria
( ×120000) and space mutation group fence and sponge cells ( ×2500) ; 12 :water content 17 % of space mutation group starch grains ( ×10000)
3 　讨论
311 　太空辐射是一个复杂的辐射组合 ,主要由太阳的
电磁辐射、太阳宇宙射线 (SCR)和银河宇宙射线 ( GCR)
等组成[7 ] 。这些辐射可以直接作用于蛋白质、核酸和
质膜双分子层 ,对生物造成损伤 ,同时它们也可以作用
于水分子、色素分子等 ,激发其成为活性自由基 ,在生
物体无法清除完全时释放出来 ,对蛋白质、核酸和质膜
双分子层、叶绿体和线粒体造成损伤[13 ,14 ] 。本试验中
465 核　农　学　报 23 卷
空间搭载对苜蓿当代植株叶片显微及超微结构产生不
同程度的影响 ,变异方向及变异程度因搭载种子含水
量不同而异。
312 　研究表明 ,空间诱变处理的玉米幼苗叶片均发生
细胞质壁分离 ,细胞壁加厚、扭曲 ,液泡增大 ,胞间连丝
增多 ,内质网数量增多 ,体积变大等变化 ,还有线粒体
数目增加 ,峭模糊不清 ,叶绿体形状由凸透镜状转变为
长形、圆形、不规则变形虫型等类型 ,细胞核也变形 ,部
分核膜模糊不清或出现缺刻等 ,内部结构也有不同程
度的变异[15 ] 。本试验结果证实了其大部分结论 ,特别
是叶绿体和线粒体结构 ,但这些变化与性状突变及遗传
间的关系尚待进一步研究。李社荣研究认为 ,玉米经空
间搭载后 ,其叶绿体中基粒数及单个基粒中类囊体数目
减少、片层结构扭曲[16] ,这与本试验结果相一致。
不同含水量的苜蓿种子经空间搭载后 ,其叶片细
胞超微结构均出现了不同程度的变化 ,尤其对叶绿体
的影响较大 ,空间搭载是否通过影响植物的叶绿体遗
传系统而改变物种特性 ,还有待更多的研究来证实。
在本试验中 ,空间搭载含水量为 9 %和 11 %的低水分
含量组别在海绵组织、栅栏组织、细胞排列紧密程度等
显微结构表现负向变异 ,13 %～17 %高水分含量组表
现正向变异 ;对照组间含水量 9 %和 11 %细胞较为完
整 ,但搭载组为 13 %～17 %组较完整。另外含水量
17 %组别 ,细胞壁不规则增厚 ,叶绿体片层扭曲 ,液泡
大 ,叶绿体变小 ,形状不规则。
313 　20 世纪 80 年代 ,Brown R A 等[17 ] 发现线粒体被
叶绿体包围或夹在叶绿体中的现象 ,他认为线粒体可
能起源于叶绿体。杜军华等[17 ] 在研究大阪山蚤缀叶
绿体超微结构时 ,发现线粒体被叶绿体镶嵌。在研究
蒲公英和乳白香青叶肉细胞时 ,何涛等[18 ] 发现 ,线粒
体直接嵌入叶绿体中。本研究在对紫花苜蓿叶肉细胞
的研究中也得到类似现象。
叶绿体中的淀粉粒是细胞碳水化合物存在的主要
形式之一 ,它水解后能释放大量的能量 ,同时 ,还可为
蛋白质的合成提供碳骨架 [19 ] 。Blumenthal2Goldschm
idt [20 ]等在地中海滨藜 (Atriplex Medi2terranean ) 叶片的
超微结构研究中 ,发现叶绿体内含有许多较大的淀粉
粒。本研究发现高水分含量紫花苜蓿叶肉细胞同样具
有数量较多 ,个体较大的淀粉粒 ,而低水分含量种子淀
粉粒则不十分明显。但空间搭载对细胞淀粉粒的积累
的影响机制及原理尚不清楚 ,有待进一步研究。
4 　结论
411 　苜蓿叶片中 ,海绵细胞和栅栏细胞的空间诱变效
应不同 ,搭载组的海绵细胞与对照差异明显 ,而栅栏细
胞搭载组与对照差异不显著。
412 　苜蓿种子水分含量不同 ,空间诱变效应亦不同 ;
植株叶片海绵细胞和栅栏细胞厚度、层数及排列紧密
程度 9 %和 11 %组 ,即低含水量种子表现负向变异 ,
13 %～17 %高水分含量组表现正向变异。
413 　细胞中淀粉粒的数量及大小与搭载种子含水量
有直接关系 ,空间搭载可能对高水分含量种子细胞淀
粉粒的积累有一定影响。
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