全 文 ：植物生理学通讯 第42卷 第5期，2006年10月 933
观察植物根的内皮层细胞壁内表面细微结构的表面物理技术
徐建华1,* 李冰石2 张建华3 刘鹏1 董宇辉1 孙家林4
1 中国科学院高能物理研究所，北京 100049；2 中国科学院化学研究所，北京 100080；3 香港浸会大学生物系，香港；
4 清华大学物理系，北京 100084
Surface-physical Technique for the Observation of Fine Structure of the Inner-
wall Surface of Plant Root Endodermis
XU Jian-Hua1,*, LI Bing-Shi2, ZHANG Jian-Hua3, LIU Peng1, DONG Yu-Hui1, SUN Jia-Lin4
1Institute of High Energy Physics, Chinese Acadamy of Sciences, Beijing 100049, China; 2Institute of Chemistry, Chinese Acadamy
of Sciences, Beijing 100080, China; 3Department of Biology, Hong Kong Baptist University, Hong Kong, China; 4Department
of Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China
提要 采用传统的生物学方法与物理学中表面技术相结合的技术，探讨了植物根内皮层的营养运输机制的直接证据问题。
关键词 植物根；内皮层；表面物理技术；原子力显微镜
收稿 2006-05-09 修定 　2006-08-29
资助 国家自然科学基金(10174043)。
*E-mail: xujianhua@ihep.ac.cn, Tel: 010-88235978
植物根除具有机械支持功能之外，还有一种
作用，即从土壤中吸收水分和无机盐，向上输送
到茎和叶以供植物生长发育的需要。根吸收水分
后通过根表皮、皮层和中柱鞘，最后到达木质
部。在研究植物根生理功能过程中，位于根皮层
内侧、靠近中柱鞘的内皮层结构是人们长久以来
较为注视的问题(Nagashi 等 1974；徐建华等
2002)。尤其是初生根中的凯氏带结构和功能，更
是困扰人们的难题。迄今生物学中的传统技术，
如切片和酶解等方法一直没有大的突破和进展。
上世纪近 90 年代出现的小檗碱 - 苯胺蓝对染法
(Brundrett等1988；徐建华等2004)在一定程度上
提高了观察内皮层凯氏带存在与否以及所在具体位
置的灵敏度和精确度，其可视性有所增强，但对
深入研究内皮层的结构和生理功能依然受技术上的
制 约 。
近年来，物理学领域以原子力显微镜(atomic
force microscope, ATM)扫描为代表的表面物理技
术蓬勃发展，这些技术在生物学领域中的应用也
日益受到关注，从而也极大地促进了生物学研究
的深入和发展(白春礼1992；邢树平等2000)。本
文尝试用原子力显微镜观察植物根内皮层细胞壁的
内表面结构以了解其纳米尺度范围内的细微结构，
这对于探讨植物根的水分和溶质运输机制来说，
可能有些帮助。为确保实验的准确性，我们也同
时以传统的扫描电子显微镜(scanning electronic
microsopy, SEM)和小檗碱-苯胺蓝对染技术与之作
了对比。
材料与方法
1 材料
培养玉米(Zea mays L.)和小麦(Triticum aestivum
L.)幼苗时，将玉米和小麦种子浸泡在 10% NaCl
溶液内进行表面消毒15 min，流水冲洗6 h后移
到铺有几层纱布的培养皿中，放于培养箱中萌发
4 d，箱中温度为 25~27℃，光照时间 10 h·d-1，
光照强度为 400 mmol·m-2·s-1。根长约为 20 mm
时，抽取其内皮层的中柱用于实验(Priestley和
North 1922)。抽取出来的中柱表面就是实验所要
观察的内皮层细胞壁的内表面。培养用溶液为
Hoagland 培养液。
2 方法
(1)染色：0.1%小檗碱染色1 h后用蒸馏水冲
洗，再置于0.05%苯胺蓝中0.5 h 并再次用蒸馏
水冲洗几次，然后浸入等比例的甘油和 0 . 5 %
FeCl3溶液中5 min；最后用0.1% FeCl3 固定后用
荧光显微镜(Olympus BX-50型)观察，挑选所需样
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品并照相。
(2)原子力显微镜(AFM)扫描：将经荧光显微
镜观察后挑选出来的细胞内残余物较少的内皮层中
柱固定在样品台上。实验所用 AFM 为 Nanoscope
Ⅲ型扫描探针显微镜(digital instrument santa babara,
Digital Instruments Inc.)。微悬臂长200 nm，力
常数 0.12 N·m-1。AFM 有 3 种不同的常用模式，
即接触式(contact mode)、轻敲式(tapping mode)和
非接触式(noncontact mode)。接触模式中针尖始
终同样品接触，在样品表面上滑动，通常产生稳
定、高分辨率的图像，因此我们选择在接触模式
下收集，数据采集为 Height 式。AFM 将图像转
化为Tiff格式文件并移到Macintosh 7200(90)计算
机中，纹孔的直径采用NIH Image 1.59/1.68软件
测 量 。
(3)扫描电子显微镜(SEM)观察：将经荧光显
微镜观察后挑选出来的细胞内残余物较少的内皮层
中柱系列脱水，并经临界点干燥后喷金，用
Hitachi 800扫描电子显微镜观察照相。
结果与讨论
1 玉米根内皮层表面结构的 SEM 和 AFM 观察
从图 1 可见，SEM 和 A F M 观察到的玉米根
内皮层纹孔只是大小有些差别，前者纹孔的直径
略小于后者。用 S E M 观察时，样品需脱水和干
燥，其表面喷金后样品会导电；脱水和干燥的样
品会收缩，且喷金后纹孔口径会变小。喷金后的
样品再置于 AFM 下扫描时，金粉即呈颗粒状(每
个颗粒直径约为10 nm)，如果样品表面喷金厚度
只有 3 层颗粒大小的话，测得的纹孔大小至少比
实际尺度小30 nm (图 2)。而以 AFM 扫描的不必
作处理，基本上是在生理条件下测试，所以其结
果更真实可靠。
另外，用 SEM 和 AFM 在较大区域内扫描玉
米根的内皮层表面所观察到的结果基本上一致，
即有些内皮层细胞内壁表面呈波浪起伏状，次生
壁加厚不均匀，有绳索状突起，并呈规律性的斜
状排列。
图1 玉米根内皮层细胞壁表面的SEM 和 AFM 观察比较
　 　a 和 b 分别是用 SEM 和 AFM 扫描到的玉米根内皮层个体纹孔，b 中 AFM 的扫描范围为 3 mm×3 mm；c 和 d 分别是用 SEM 和
AFM 扫描到的玉米根内皮层细胞壁内的表面结构，c 中放大倍数为 3 000，d 中 AFM 的扫描范围为 3 mm×3 mm。
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图2 玉米和小麦根内皮层细胞壁表面的SEM观察
a 和 b 为小麦根纹孔内复杂的细胞壁次生结构；c 和 d 分别为玉米和小麦根内的纹孔分布。
图3 小檗碱-苯胺蓝对染后的玉米和小麦根内皮层中柱的表面观察
　　a 和 b 分别为玉米和小麦根内皮层中柱。黄色表面区域表示无细胞残余物，可用于观察；蓝色表面区域表示有残余物，观
察表面结构时应避开这些“不干净”的区域。
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2 玉米和小麦根纹孔的分布和细微结构的比较
玉米根上的纹孔分布有一定的规律，常是多
个纹孔成簇分布(图2-c); 小麦根上的纹孔则多是零
散分布(图2-d)。但小麦根的纹孔内的细胞壁次生
结构非常复杂(图 2-a、b)。
通常，在根中物质由外向内的运输过程中，
直接面对水分和溶质的是内皮层细胞壁内切向壁的
内表面，即内皮层中柱的外表面。以往人们多用
内皮层中柱研究此种细胞壁的输水速率、离子运
输等，或者用酶解后分析其化学物质组成(Zeier和
Schreiber 1997；Peterson等1981a；Steudle和
Peterson 1998)，而本文直接用SEM 和AFM 研究
其表面的精细结构。但用 AFM 的探针扫描其表面
时，人们可能会对这项技术的可靠性产生疑虑，
即扫描到的表面区域是否含有胞内残余物质。为
此，我们又采用了常用于观察内皮层次生加厚的
小檗碱-苯胺蓝对染法(Brundrett等1988；徐建华
等 2004)。对染后在紫外激发光下，中柱样品表
面即呈现不同颜色，黄色区域为所要观察的内皮
层加厚部分，蓝色区域则是内皮层细胞中未撕干
净的残余物质(图3)，选取残余物质极少的内皮层
中柱用于观察即可确保 AFM 扫描到无残余物质的
细胞壁表面。
有关内皮层径向加厚壁的精细结构，Peterson
及其同事们已做过许多工作(Peterson 等 1981a，
b；Peterson和Steudle 1993)，多采用传统的组织
切片 - 透射电镜观察等方法。他们得到的结果表
明，玉米等禾谷类植物根内皮层细胞壁的结构大
体相似：从第二阶段起，木栓层、纤维素不均
匀增厚，有大量纹孔，纹孔内含胞间连丝。但
由于解剖法的局限性，采用此法常常观察不到完
整的表面结构。我们则将几种技术方法结合起
来，如取中柱中所要观察的样品表面，用小檗碱-
苯胺蓝对染选择所需的无残余物的表面。传统的
表面技术 SEM 与新的物理表面技术 AFM 相互印
证，取长补短，得到的结果与前人的研究基本上
一致，且获取的信息量更直接、详细而真实可
靠。
参考文献
白春礼(1992). 扫描隧道显微术及其应用. 上海: 科学技术出版社
徐建华, 孙家林, 郭继华(2002). 植物根的内皮层结构与生理功
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徐建华, 陶冶, 黄艳, 孙家林(2004). 植物根内皮层凯氏带染色的
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邢树平, 李冰石, 王琛, 胡玉熹, 林金星(2000). 雪松和水杉花粉
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