全 文 ：植物生理学通讯 第 43卷 第 2期，2007年 4月 255
低温锻炼和低温胁迫期间翠南报春叶肉细胞超微结构的适应变化
周蕴薇 *
东北林业大学园林学院，哈尔滨 150040
提要：低温锻炼(10 ℃)期间翠南报春叶肉细胞线粒体增加并出现质膜内陷现象，低温胁迫(0 ℃)过程中，低温锻炼植株
的细胞超微结构表现相对稳定，叶绿体片层结构和线粒体数目都未发生明显变化。未受低温锻炼植株线粒体数目在低温
胁迫第 2天增多，第3、4天逐渐减少，并在第3天出现质膜内陷现象。多泡体和囊泡结构有时伴随着质膜内陷出现。这
种变化可能是经低温锻炼的翠南报春抗寒性提高的细胞结构基础。
关键词：翠南报春；低温胁迫；超微结构；多泡体
Adapted Changes in Mesophyll Cell Ultrastructure of Primula sieboldii E.
Morren during Cold-acclimation and Cold Stress
ZHOU Yun-Wei*
College of Landscape Architecture, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
Abstract: The plasmalemma invagination was observed and the mitochondria number increased in the meso-
phyll cells of Primula sieboldii, when the plant was acclimated at 10 ℃ for 5 d. In the cold-acclimated Primula
sieboldii leaves, mesophyll cell ultrastructure showed cold-stability. The structure of chloroplast grana and the
mitochondria number changed little at 0 ℃. In the Primula sieboldii leaves which were unacclimated, the
mitochondria number increased on the second day and decreased gradually on the third and fourth day at 0 ℃.
And plasmalemma invagination occurred after 3 d at cold stress. Sometimes, multivesicles and small vesicles
were observed accompanying with plasmalemma invagination. The changes in cell ultrastructure may be the
cellular basis for improving the cold tolerance in the cold-acclimated Primula sieboldii.
Key words: Primula sieboldii; cold stress; ultrastructure; multivesicles
收稿 2006-11-17 修定 　2007-03-19
资助 黑龙江省科技计划(G00 C17030 3)。
* E-ma i l：zhou yu nwei@h otma i l . com；T el：0 4 5 1 -
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低温对植物超微结构的影响已多有报道，这
些主要集中于叶绿体、线粒体结构和质膜变化的
研究。低温引起叶绿体膨胀，类囊体腔膨大，并
且变形，改变排列方向或弯曲；淀粉体积变小，
数量减少；进而嗜锇颗粒发生积累，基粒片层消
失，被膜破裂；线粒体膨胀，内嵴腔扩大和空
泡化，严重时内嵴破坏(Wise等 1983；简令成
1990；Lee和 Bennett1982)。关于质膜与抗寒性
关系的研究 ,早在上世纪七十年代就有报道。
Pomeroy和Siminovitch (1971)发现刺槐枝条皮层细
胞的质膜在秋冬低温锻炼时发生内陷，他们认为
这种变化可以增加细胞的透水面积；但在Niki和
Sakai (1981)在桑树枝条皮层超微结构的研究中，
虽然在秋季低温锻炼时期也观察到质膜内陷现象，
但寒冬时期则没有见到，所以他们认为质膜内陷
与抗寒力的发展无关。后来，简令成和孙龙华
(1991)在抗寒性冬小麦的低温抗寒锻炼实验中，
不仅观察到质膜内陷现象，还观察到部分膜脂从
质膜上释放出来，形成嗜锇颗粒，以及质膜与细
胞内膜相互接近和连接，形成排水渠道的现象，
认为质膜内陷在抗寒性发育中具有积极意义。
Ristic和Ashworth (1993)观察到经 4 ℃ 48 h冷驯
化的拟南芥其抗寒性提高的同时出现明显的质膜内
陷现象。这些都表明质膜内陷在植物抗寒过程中
似乎是起作用的。
翠南报春又名樱草，分布于我国东北和内蒙
古地区(傅沛云 1995)，是优良的早春野生花卉。
在哈尔滨地区，翠南报春在四月初即可萌发，表
现出较强的抗寒性。本文研究人工条件下经10 ℃
低温锻炼和0 ℃低温胁迫的翠南报春叶细胞超微结
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构变化，并观察细胞中质膜的动态变化和多泡结
构的来源，以期揭示其可能的生理意义及其在抗
寒过程中的作用。我们的结果不同于简令成和孙
龙华(1991)在抗寒性小麦中所观察到的从质膜释放
出嗜锇颗粒。现报道如下。
材料与方法
翠南报春(Primula sieboldii E. Morren)取自黑
龙江省森林植物园，根茎盆栽于人工气候箱内。
在 20 ℃下培养 15 d后，于植株长出 4片叶时进
行实验。幼苗分为 2组，一组放在 10 ℃的人工
气候箱中培养，为锻炼植株；另一组继续留在 20
℃的人工气候箱中培养，作为对照植株。5 d之
后将2组幼苗都放入0 ℃的低温生化培养箱中进行
低温处理。于低温处理后第 0、1、2、3、4 天
取样固定。培养和处理期间白天光照为 2 0
µmol·m-2·s-1，夜晚不照光。光照时间 12 h·d-1。
在第 3 片叶子的同一部位的无叶脉处取样。
将所取叶片切成 1 mm×1 mm 的方块，放入 2.5%
戊二醛固定液中固定 24 h以上。以 0.1 mol·L-1磷
酸缓冲液(pH 6.8)漂洗 2 h，随后移入 1%锇酸中
固定 2 h。用重蒸水漂洗 3次，经梯度酒精逐级
脱水(30%→50%→70%→80%→90%→100%)、
Epon 812渗透、包埋。AO型超薄切片机切片，
醋酸双氧铀和柠檬酸铅双重染色，以 T E M -
1200EX 透射电子显微镜观察、拍照。
实验结果
1 低温锻炼对翠南报春叶肉细胞超微结构的影响
从图 1可见：(1)未经低温锻炼的植株叶细胞
内叶绿体数量较多，呈梭形或长椭圆形，沿质膜
分布，中间为大液泡(图 1-a)。可以清楚地观察到
基粒片层和间质片层的结构，基粒片层和间质片
层排列整齐，还可见到少量的嗜锇颗粒(图 1-a)。
线粒体呈圆球形，数量不多，膜结构清晰完整，
线粒体内的嵴清晰可辨，数量较多(图 1-f)。
(2)植株经 10 ℃低温锻炼 5 d后，细胞结构
有较明显的变化。叶绿体膨胀，由原来的梭形或
长椭圆形变为饱满的椭圆形，有的甚至变为圆球
形，叶绿体内基粒片层肿胀，但基粒片层与间质
片层排列仍然整齐有序(图 1-b)。线粒体的数量也
有增加，膜的结构较清晰，嵴的形状变化不大(图
1-g)。有质膜内陷的现象，在细胞内和质膜的边
缘有复杂的多泡体(图 1-l)。
2 低温胁迫对常温培养翠南报春叶肉细胞超微结
构的影响
图 1显示：(1)正常温度(20 ℃)下培养的植株
经 0 ℃胁迫 1 d后，叶绿体膨胀变圆，膜结构完
整，基粒和基质片层未见明显变化，有嗜锇颗粒
存在(图 1-c)。线粒体膜结构完整，数量增多(图
1 - h)。
(2)低温胁迫 2 d后，叶绿体仍显膨胀，较
圆，叶绿体的基粒片层膨胀，变得模糊不清。线
粒体膜不清晰，数量增多(图 1-i)。在质膜和细胞
壁之间可见到多泡体。
(3)低温胁迫 3 d后，叶绿体的基粒和基质片
层结构正常。线粒体的数量变少，线粒体膜结构
模糊不清。在质膜和细胞壁之间可见到囊泡和多
泡体(图 1-m)。
(4)低温胁迫 4 d后，可见叶绿体膜结构基本
完整，基质和基粒片层清晰可辨(图 1-d)。线粒
体数量正常，膜结构模糊(图 1-j )。
3 低温胁迫对低温锻炼翠南报春叶肉细胞超微结
构的影响
图 1表明：(1)低温锻炼植株在 0 ℃胁迫 1 d
后，细胞结构未发生明显的变化，叶绿体及线粒
体结构与低温锻炼后的相似，有质膜内陷的现
象。
(2)低温胁迫 2 d后，叶绿体膜、基质和基粒
片层结构完整，未见叶绿体的基粒肿胀(图 1-e)。
线粒体数量与对照相比变化不大，膜结构和嵴的
数量与低温胁迫 1 d 的相比变化也不大(图 1 -
k)。在质膜的外围发现有囊泡和质膜内陷现象
(图 1 - n )。
(3)低温胁迫 3 d后，叶绿体膜结构完整，片
层结构清晰、整齐，线粒体膜结构、数量、嵴
的形状和数目的变化都不大。仍发现有质膜内陷
现象和囊泡的形成(图 1-o)。
(4)低温胁迫 4 d后，叶绿体基粒和基质片层
结构清晰。线粒体的结构和数目没有进一步变
化。在细胞壁和质膜之间，仍然可以见到质膜内
陷现象和囊泡的形成。
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讨　　论
低温锻炼对翠南报春叶片细胞超微结构的影
响主要表现在线粒体的增加和质膜内陷两个方面。
前人的研究表明，低温锻炼可以引起线粒体数目
增加，从而提高抗寒所需的能量供应(Lyous等
1979)。在低温胁迫过程中，低温锻炼植株的细
胞超微结构表现相对稳定，质膜内陷出现时间也
较早，叶绿体片层结构和线粒体数目都未发生明
显变化。未低温锻炼植株在低温胁迫过程中则出
现叶绿体基粒片层肿胀和线粒体数量增加等现象。
一般认为质膜是寒害或冻害损伤的最初部
位，为了抵抗低温冻害，质膜在抗寒锻炼或低温
胁迫时产生抗寒性的适应性变化(刘祖祺和张石城
1994)。有研究表明，质膜内陷能够扩大细胞质
膜表面积，相应的细胞排水总面积也增加，这有
利于低温来临时水分的迅速排除，从而避免细胞
内结冰，进而提高抗寒性 ( 简令成和孙龙华
1991)。在本文中，未经低温锻炼的植株在低温
胁迫 3 d后开始出现质膜内陷现象，低温锻炼植
株经过低温锻炼后和在胁迫的过程中，一直都有
质膜内陷的现象。据此推测，低温条件下翠南报
春质膜内陷可能是一种积极的适应行为。
关于冷害过程中多泡体和囊泡的报道很少。
Murphy和Wilson (1981)在喜荫花研究中曾报道，
5 ℃ 6 h低温处理后的植株细胞内部膜囊泡化增加
和线粒体膨胀的现象。他们所观察到的囊泡遍布
图 1 低温锻炼和低温胁迫期间翠南报春叶肉细胞超微结构的变化
Fig.1 Changes in mesophyll cell ultrastructure of P. sieboldii during cold-acclimation and cold stress
　　a：未经低温锻炼植株的完整细胞(×3 000); b：低温锻炼植株的叶绿体(×12 000); c：未经低温锻炼植株在低温胁迫 1 d后的叶绿体
(×12 000); d：未经低温锻炼植株在低温胁迫 4 d后的叶绿体(×12 000); e：低温锻炼植株在低温胁迫 2 d后的叶绿体(×12 000); f：
未经低温锻炼植株的线粒体(× 4 0 0 00 ) ; g：低温锻炼植株的线粒体(× 4 0 0 00 ) ; h：未经低温锻炼植株在低温胁迫 1 d 后的线粒体
(×40 000); i：未经低温锻炼植株在低温胁迫 2 d后的线粒体(×15 000); j：未经低温锻炼植株在低温胁迫 4 d后的线粒体(×40 000);
k：低温锻炼植株在低温胁迫 2 d后的线粒体(×40 000) ; l：低温锻炼植株的细胞质膜内陷和多泡体(×40 000) ; m：未经低温锻炼
植株在低温胁迫 3 d后的细胞质膜内陷和多泡体(×40 000); n：低温锻炼植株在低温胁迫 2 d后的质膜内陷和多泡体(×40 000); o：
低温锻炼植株在低温胁迫 3 d 后的细胞质膜内陷和囊泡( × 6 0 0 0 0 )。C h l：叶绿体；M：线粒体；c w：细胞壁。
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于细胞质中，未见到多泡体。本文中的多泡体和
囊泡在质膜内部靠近质膜的位置或质膜与细胞壁之
间(图 l-l~o)。这些囊泡与Murphy 和Wilson (1981)
的报道有所不同。我们推测多泡体和囊泡的来源
应该与质膜内陷有关，可能是质膜内物质外排的
结果。低温条件下，翠南报春叶细胞会发生质膜
内陷以扩大质膜的表面积避免细胞内结冰，同时
形成多泡体和囊泡，外排到质膜与细胞壁之间。
这些多泡体和囊泡有可能解体为内含物，因而质
外体浓度提高，这对提高植株抗寒性来说无疑是
有积极意义的。据此我们推测这种多泡体在低温
胁迫解除以后，可能还可以单独或与其它囊泡结
合重新回到质膜内，参与水分或物质代谢。
参考文献
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