全 文 ：文章编号 :100028551 (2003) 062438204
X、γ辐射对雨生红球藻超微结构的影响
蒋霞敏1 　翟兴文1 　董姣娣2 　王洵2 　王建华2
(11 宁波大学生命科学与生物工程学院 ; 21 宁波市第二医院 ,浙江 宁波　315211)
摘 　要 :用雨生红球藻作为试验材料 ,从超微结构变化角度研究了 X、γ射线的致突变效应 ,结
果表明 :X、γ射线辐照能引起细胞膜受损 ,细胞的原生质球偏移 ,核仁出现电子稀疏区域 ;叶绿
体粘连成团 ,类囊体条断裂 ,电解质外渗 ;核糖体增多 ;线粒体个体增大 ,线粒体膜受损。X 射
线辐照能引起淀粉鞘出现空隙和马蹄形蛋白核形成 ,内质网变少。γ射线辐照能引起淀粉鞘
消失 ,滑面内质网增多 ,高尔基体增多增大。X、γ射线辐照引起的细胞核、线粒体、叶绿体等细
胞器的损伤 ,可能是造成突变的原因。
关键词 :X射线 ;γ射线 ;雨生红球藻 ;超微结构
EFFECT OF X2 ANDγ2IRRADIATION ON THE ULTRASTRUCTURE OF Haematococcus pluvialis
J IANG Xia2min 　ZHAI Xing2wen 　DONGJiao2di 　WANG Xun 　WANGJian2hua
(11 Faculty of Life Science and Biotechnology of Ningbo University ;
21 The Second Hospital of Ningbo , Ningbo , Zhejiang 　315211)
Abstract :Effects of X2 andγ2irradiation on the ultrastructure change of Haematococcus pluvialis has been studied.
The results show that X orγ irradiation causes different damages on different cell organelles such as the cytolemma
be lacerated ,the bioplasm excursed ,the area of thin electronin occurred in nucleus ,the chloroplast lacerated ,the
thylakoids ruptured ,the ribosome increased , the plastosome inflated and its membrane lacerated. In addition , X2
irradiation causes perforation of starch sheath , decrease of SER and inducing of lycotropal pyrenoid. γ2irradiation
causes dissolving of starch sheath ,increase of SER and inflation of golgi body. The mutation effects of X2 andγ2
irradiation on the cell are probably caused by the laceration of some cell organelles like nucleolus ,chloroplast and
plastosome.
Key words :X2irradiation ;γ2irradiation ; Haematococcus pluvialis ; ultrastructure
收稿日期 :2002212218
基金项目 :浙江省自然科学基金资助项目 (301208)
作者简介 :蒋霞敏 (1957～) ,女 ,浙江普陀人 ,副教授 ;主要从事藻类克隆与饵料生物培养研究。
X、γ射线应用于诱变育种已有悠久的历史。庞伯良等[1 ]利用γ射线和两种激光复合处理育成了水
稻矮杆突变品种 ;龚小敏等用γ射线育成了两种抗高光抑制并且生长也较快的螺旋藻品系 (Sp) AIp2
90010 和 (Sp) AIp290011[2 ] 。但对 X、γ射线的诱变机理研究却很少 ,从超微结构方面进行的研究更是寥
寥甚微 ,本文选用雨生红球藻 ( Haematococcus pluvialis) 为试验材料 ,从超微结构变化方面研究了 X、γ射
线对雨生红球藻的诱变效应 ,以期为 X、γ射线诱变育种提供理论依据。
1 　材料和方法
雨生红球藻由中国科学院水生生物研究所典型培养物保藏委员会淡水藻种库提供。所有试验藻均
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用浙江水产学院 MAV 培养基培养。
图 1 　对照组雨生红球藻的细胞结构
Fig. 1 　Ultrastructure of Haematococcus pluvialis
in control group
1 正常细胞的细胞壁和双层细胞膜×34k ;2 正常细胞的完整
结构 ,有明显的核膜和核仁 ×219k ;3 正常细胞内两个蛋白
核×219k ;4 正常细胞内成束类囊体 ×27k ;5 蛋白核及其密
闭的淀粉鞘×17k ;6～7 正常细胞的光滑内质网 ×44k ;8 沿
着细胞膜分布的线粒体 ×44k ;9 细胞核附近的正常的高尔
基体×44k(细胞壁 CW ,细胞膜 Pm ,细胞核 N ,核仁 Nu ,叶绿
体 chl ,线粒体 M ,高尔基体 G,淀粉粒 S ,蛋白核 P ,内质网
ER ,液泡 V ,核糖体 R)
1 Cell wall and 22layer cytolemma in control alga cell ×34k , 2 The
control alga cell with cell nucleus and nuclear envelope ×219k , 3
Two pyrenoids in control alga cell ×219k ,4 Linked thylakoids in
control alga cell ×27k , 5 Pyrenoid and its airtight starch sheath ×
17k ,6 - 7 Smooth endoplasmic reticulum(SER) in control alga cell
×44k , 8 Plastosome around cytolemma ×44k , 9 Golgi body by the
nucleolus in control alga cell ×44k (cell wall2CW , cytolemma2Pm ,
cell nucleus2N , nucleolus2Nu , chloroplast2chl , plastosome2M ,
Golgi body2G, starch grain2S , pyrenoid2P , endoplasmic reticulum2
ER , vacuolus2V ,ribosome2R)
112 　方法
11211 　γ射线辐照处理 　取 10ml 指数生长期的雨生红球藻 ,于消毒过的培养皿中进行γ射线辐照处理
(Fcc28000 型同中心回转式60 Co 治疗机) ,E :1125MeV ,剂量率 81CGyΠmin ,辐照 60min ,暗中过夜 ,加入营养
液稀释培养 15d 后收集制样。
11212 　X射线辐照处理 　取 10ml 指数生长期的雨生红球藻于消毒过的培养皿中进行 X射线辐照处理
(Siemens KD2 双光子直线加速器) , E :15mV ,剂量
率 3GyΠmin ,辐照 20min ,暗中过夜 ,加入营养液稀
释培养 15d 后收集制样。
11213 　TEM 制样操作 　分别取经过 X、γ射线处
理过的指数期存活藻各 20ml 离心集藻 ,011M 磷
酸缓冲液冲洗离心 ,用 215 %戊二醛固定 2h ,1 %
锇酸后固定 1h ,011M 磷酸缓冲液冲洗离心 3 次 ,
2 %醋酸铀水溶液染色 30min , 30 %、50 %、70 %、
80 %和 90 %乙醇依次脱水 15min ,100 %乙醇脱水
20min ,2 次并振荡 ,100 %丙酮脱水 20min ,2 次并
振荡 ,丙酮 :包埋剂 1 :1 渗透 ,并振荡 2h ,纯包埋剂
包埋聚合器中聚合 37 ℃224h ,45 ℃224h ,60 ℃248h ,
超薄切片后 2 %醋酸铀水溶液染色 20min ,枸橼酸
铅复染 15min ,干燥后 TECNAI10 透射电镜 80kV
高压下观察拍照。
2 　结果
211 　对照组藻细胞的结构
对照组的藻细胞具有典型的真核植物细胞的
结构 ,外围一圈较薄的细胞壁 ,双层原生质膜与细
胞壁之间隔开较大的间隙 (图 121) ,细胞核一般位
于细胞中心位置 ,有明显的核膜和单个核仁。叶
绿体周缘状 ,整个叶绿体一般由 2～5 个大液泡隔
开成两大块 (图 122 ,3) ,叶绿体直接由单层类囊体
整齐排列而成 ,也有 2～6 条类囊体集成一束 (图
124) 。数量较多的淀粉粒分布在类囊体之间 ,蛋
白核最多可见两个 ,外有一层密闭淀粉鞘包围 (图
123 ,5) ,光滑内质网和游离核糖体比较常见 ,光滑
内质网数量较多 (图 126 ,7) 。线粒体不多 ,椭圆
形 ,嵴通常只有 2～3 条 ,双层膜结构完整 ,一般分
布于原生质膜一周 (图 128) ,其它部位少见。高尔
基体结构很典型 ,由 3～7 层扁平囊构成 ,位于细
胞核附近 ,但数量很少 (图 129) 。
212 　γ射线处理组的细胞结构
经γ射线处理后 ,细胞个体大小和细胞壁变
化不大 ,质壁间仍有较大的空隙 ,细胞壁仍旧薄而
致密 ,细胞大小 10～30μm。细胞膜通透性增加 ,
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表现在双层膜仅剩下单层 ,而且单层膜也局部破损 ,导致细胞浆流入质壁空间 (图 221) ,部分细胞原生质
球偏移 (图 222) 。细胞核结构仍然比较完整 (图 223、4) ,双层核膜和单个核仁清晰可见 ,但核仁上可见有
出现电子稀疏区域的情况 (图 225) ,大多数细胞叶绿体粘成一大团 (图 223) ,上面出现电子稀疏区域 (图
222) ,类囊体聚集成束 ,每束由 3～6 条构成 ,类囊体断裂 ,内含物流出 ,粘连在正常类囊体条上并围绕其
周围成团状分布 (图 226、7) ,原生质内核糖体增多 ,且多以多聚核糖体状态存在 (图 228) ,蛋白核数量不
定 ,最多不超过 3 个 (图 229) ,蛋白核外都有淀粉鞘分布 ,但淀粉鞘不再呈封闭状态 ,而是由数个孔隙隔
开 (图 224、9) ,蛋白核圆形 ,也有马蹄形的蛋白核出现 (图 222) ,滑面内质网数量减少 ,囊腔增大呈椭圆形
(图 2210) ,上面散布着少量游离核糖体。线粒体不再只沿细胞膜分布 (图 227) ,也有挨核分布的线粒体
(图 2211) ,双层膜完整的线粒体嵴很少 ,一般只有数量不多的几条 (图 227) ,少部分线粒体膨大 ,双层膜
不完整 (图 2211、12) ,嵴的数量增加。高尔基体挨核分布 ,由 3～6 条扁平囊垛叠而成 ,但较少高尔基小
泡和液泡。
213 　X射线处理组的细胞结构
X射线照射对细胞壁影响不大 ,但原生质球不再分布在细胞正中间 ,而是向着一端偏移 ,仅挨着一
端的壁而远离另一端的壁 (图 321、2) 。双层细胞膜不再出现 ,单层膜结构也不明显 ,且出现破损导致胞
浆外流入质壁间隙 (图 323) ,细胞核的双层膜结构也遭到破坏 ,核内染色颗粒流进胞质中 ,核仁结构明
显 ,但也出现电子稀疏区域 (图 324) ,叶绿体粘成一大块 ,紧挨着细胞膜向纵深分布。类囊体一般 2～4
条形成一束或者平行分布 ,类囊体出现断裂内含物外流 ,成团分布在类囊体周围 (图 325、6) ,游离核糖体
散布在类囊体束上 ,流出内含物颗粒吸引在一起形成核糖体 (图 326) ,类囊体束不再一直成束或平行排
图 2 　γ射线辐照组的超微结构
Fig. 2 　Ultrastructure of Haematococcus pluvialis
inγ irradiation group
1 受损的细胞膜及脱落的线粒体 ;2 原生质球扁移 ;3～4 细
胞核和核仁 ;5 核仁上电子稀疏区域 ;6～7 受损叶绿体 ,类囊
体断裂 ;8 多聚核糖体增多 ;9 蛋白核和淀粉鞘 ;10 椭圆形滑
面内质网 ;11～12 膨大受损的线粒体
1 The lacerated cytolemma and plastosome falling off , 2 The
bioplasm ball of excursion , 3～4 The nucleolus and nucleus , 5
Area of thin electronin nucleus , 6～7 The rupturing thylakoids in
lacerated chloroplast , 8 Increasing polyribosome , 9 Pyrenoid and
starch sheath , 10 The elliptical SER , 11 ～ 12 The inflated
plastosome be lacerated
图 3 　X射线辐照组的超微结构
Fig. 3 　Ultrastructure of Haematococcus
pluvialis in X irradiation group
1～2 原生质球偏移 ;3 细胞膜破损 ;4 核仁出现电子稀疏区
域 ;5～6 类囊体束断裂 ,内含物外流 ;7～8 类囊体束弯曲绕
成网状 ;9 分裂增生的蛋白核 ;10 沿细胞膜分布的线粒体 ;11
膨大的线粒体 ;12 高尔基体变得发达
1～2 The bioplasm ball of excursion , 3 The lacerated cytolemma , 4
Area of thin electronin nucleus ,5～6 The rupturing thylakoids and
effusive substance , 7～8 The flexural thylakoids visual as a net , 9
The dividing pyrenoid , 10 The plastosome around cytolemma , 11
The inflated plastosome ,12 The numerous golgi body
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列 ,而是来回弯曲成网状 (图 327、8) ,蛋白核外不再有淀粉鞘包围 ,而是裸露在空囊腔中 (图 329) ,蛋白核
数量有 1 个 ,2 个 ,或 3 个 ,蛋白核直接在细胞中分裂增生形成 (图 329) ,线粒体数量增多 (图 3210) ,双层
膜结构不完整 ,也有长径增大几倍的特大线粒体出现 (图 3211) ,嵴的数量没有明显增多。高尔基体异常
发达 ,成网状分布在细胞核周围 (图 3212) ,而且高尔基小泡数量很多 ,上面还有大颗粒致密电子物出现 ,
滑面内质网与对照组比较没有大的变化 ,仍呈短棒状空腔结构 ,且数量较多。
3 　讨论
γ射线和 X射线分别是波长为 10 - 8～10 - 11 cm 和 10 - 10～10 - 5 cm 的电磁辐射 ,具有极强的穿透能力 ,
可以透过生物组织的深度分别达几毫米至数厘米。它们穿过物质时 ,不同能级的光子和原子相撞分别
产生光电效应、康普顿效应和电子对效应等 ,随后是间接的化学作用。由于微藻活体内含水量可达
95 % ,因此水成为电离辐射最丰富的靶分子。水分子在γ和 X射线作用下产生射解作用 ,通过一系列反
应产生羟自由基 (·OH)和超氧化物自由基 (HO·2 ) 和 H2O2 等活性氧[3 ] ,从而引起生物膜上磷脂含有的不
饱和脂肪酸发生脂类过氧化链式反应 ,损伤生物膜的结构 ,使生物膜通透性增加 ,电解质大量外渗[4 ] 。
研究发现 ,通过γ和 X射线辐照过的雨生红球藻细胞膜结构都受到损伤 ,双成膜结构不再完整 ,剩下的
单层膜结构也有损伤 ,导致胞浆外流入质壁空间。部分细胞内原生质球还出现偏移现象 ,这可能是受到
辐照的雨生红球藻为逃避被具有极强穿透能力的γ和 X 射线辐照损伤所采取的一种保护行为 ,而且雨
生红球藻具有较大的质壁空间的这种特殊结构也允许这种保护行为得以实现。由于线粒体的内外膜上
含有大量脂类 ,外膜含 50 % ,内膜中也有 20 % ,脂类中的大部分是磷脂[5 ] ,磷脂中不饱和脂肪酸也必然
在自由基作用下发生脂类过氧化链式反应 ,使膜结构受到损伤。本试验发现线粒体的双层膜结构受一
定程度损伤 ,变得不完整。整个线粒体有增大趋势 ,有的甚至增大好几倍 ,线粒体嵴变长变粗。
辐照后 ,雨生红球藻的叶绿体结构受到很大损伤 ,表现为整个叶绿体粘连成团 ,类囊体条断裂 ,电解
质外渗 ,说明γ和 X射线对光合细胞器带来很大损伤。观察发现经γ射线辐照的藻细胞中蛋白核上淀
粉鞘出现孔隙 ,经 X射线辐照的藻蛋白核上的淀粉鞘消失 ,而光合正常的对照组细胞却具有完整的淀
粉鞘 ,说明经辐照藻的光合作用受到影响 ,以至淀粉鞘内淀粉转化为可溶性糖。苏秀榕等[6 ] 研究发现 ,
扁藻叶绿体对 Cu、Zn、Se、Cd 等金属离子较敏感 ;唐萍等[7 ] 研究了凤眼莲根系分泌物对栅藻结构及代谢
的影响 ,发现生长受阻的栅藻叶绿体片层肿胀甚至解体。比较以上结果 ,在微藻细胞结构受到损伤时 ,
叶绿体的结构总是被破坏 ,因此可认为叶绿体对不良环境较敏感 ,衡量环境好坏可以通过检查叶绿体结
构损伤得出结论。
核糖体在细胞中的作用通常是合成蛋白质[5 ] ,与对照组细胞相比 ,经过辐照的细胞中核糖体都明显
增多 ,说明经过照射后的细胞内蛋白质合成旺盛。细胞核是细胞的遗传、代谢、生长、繁殖的控制中心。
经过γ和 X射线辐照后 ,雨生红球藻细胞核受损 ,核仁出现电子稀疏区域。细胞中叶绿体、线粒体等细
胞器结构也受损伤 ,叶绿体和线粒体都具有自主的遗传物质和合成蛋白质系统 ,属于半自主的细胞
器[5 ] 。DNA、RNA 和一些与核合成有关的酶如内切核酸酶、DNA 聚合酶等物质的受损有可能造成碱基的
改变、单链的断裂及聚合等 ,从而造成基因突变。
参考文献 :
[1 ] 　庞伯良 ,万贤国. γ射线与激光复合处理对水稻的诱变效果及其应用. 核农学报 ,1998 ,12 (1) :12～15
[2 ] 　龚小敏 ,胡鸿均. 60Co2γ射线诱变钝顶螺旋藻的研究. 武汉植物学研究 ,1996 ,14 (1) :58～66
[3 ] 　蔡旭. 植物遗传育种学 (第二版) . 北京 :科学出版社. 1988 ,536～573
[4 ] 　方允中 ,李文杰. 自由基与酶基础理论及其在生物学和医学中的应用. 北京 :科学出版社. 1989 ,240～250
[5 ] 　王运吉 ,张苓花. 细胞生物学. 北京 :中国轻工业出版社. 2000 ,58～60
[6 ] 　苏秀榕 ,刘照彬 ,迟庆宏 ,等. 从扁藻超微结构变化研究 CuZnSeCd 离子毒性效应. 水产科学 ,2000 ,19 (1) :1～9
[7 ] 　唐萍 ,吴国荣 ,陆长梅 ,等. 凤眼莲根系分泌物对栅藻结构及代谢的影响. 环境科学学报 ,2000 ,20 (3) :355～359
144Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2003 ,17 (6) :438～441
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