全 文 ：第 20 卷　第 3 期　　　　　　　木　　本　　植　　物　　研　　究 2000 年　7 月
Vol.20　No.3　　　　　　　BULLETIN OF BOTANICAL RESEARCH July , 　2000
干旱胁迫对红松幼苗针叶超微结构的影响
李　晶1　马书荣2　阎秀峰2　祖元刚2
(1.东北农业大学 , 哈尔滨　150030)
(2.东北林业大学 , 哈尔滨　150040)
摘　要　在土壤逐渐失水和 PEG溶液模拟的两种不同形式的干旱胁迫下 ,红松幼
苗针叶细胞中叶绿体和线粒体超微结构的变化呈现出显著的差异。在土壤干旱胁
迫下 ,叶绿体的片层结构发生严重的扭曲并在中央部分形成电子密度较高的黑色团
块物质 。PEG模拟的干旱胁迫下 ,叶绿体肿胀 ,空泡化明显 ,但在叶绿体的中央没
有黑色团块物质的形成。在土壤干旱胁迫后 ,线粒体的膜结构仍然完整清晰 ,基质
比胁迫前更为浓厚 ,而 PEG 溶液的干旱胁迫下 ,线粒体的数量增多 ,嵴明显减少 ,基
质变得十分稀薄。可见两种不同方式的干旱胁迫处理下 ,细胞结构的损伤机制及损
伤后产生的生理意义并不完全相同 。
关键词　红松幼苗;干旱胁迫;叶绿体;线粒体
EFFECTION OFWATER STRESS ON ULTRASTRUCTURE
IN LEAVES OF KOREAN PINE SEEDLING
LI Jing1　MA Shu-rong2　YAN Xiu-feng 2　ZU Yuan-gang2
(1.Northeast Agriculture Univ ersity , Harbin 150030)
(2.Northeast Forestry University , Harbin 150040)
Abstract　The changes of ult rastructure in leaves of Korean pine (Pinus koraiensis
Sieb.et.Zucc)are dif ferent under soil drought st ress and PEG drought st ress.Under
soil drought st ress lamella st ructure of chloroplast w renched obviously and there w as a
black area , which had high electron densi ty in the middle of chloroplast.Under PEG
drought st ress chloroplasts were sw ollen but no black area.Under soil drought st ress
the membrane of mitochondria remained clear and intact.mitochondrial matrix became
much mo re darker and thicker.While under PEG drought stress the quanti ty of mito-
chondrion increased but the numbers of mitochondria decreased and mitochondrial ma-
trix became thinner.It can be seen that under the tw o methods of drought stress the
作者简介:李晶(1970-),女 ,博士 ,从事植物生理生态学。黑龙江省杰出青年基金资助项目。收稿日期:2000-5-9
mechanism of damage and its physiological meaning maybe different too.
Key words　Korean pine(Pinus koraiensis)seedling ;drought stress;chlo roplast;mi-
tochondrion
植物在干旱胁迫下 ,细胞的超微结构会发生明显的变化 。细胞中的叶绿体和线粒体是
对干旱胁迫比较敏感 、所负担的生理功能较为重要的两个细胞器 ,因而对干旱胁迫下细胞超
微结构的研究主要集中在叶绿体和线粒体结构的变化上 。早在 70年代 ,Giles等在研究水
分胁迫对玉米叶绿体结构的影响时 ,就发现了类囊体出现肿胀和基质中的嗜饿小球增多的
现象[ 1] 。Levitt推测干旱引起的叶绿体活性下降 ,很可能是由于叶绿体膜蛋白的变性导致
了类囊体的破坏[ 2] 。此后 ,史兰波[ 3] 、韩善华[ 4] 、Ilker[ 5]分别对水分胁迫下的冬小麦 、油菜
和番茄的叶绿体结构进行了研究 ,均发现了叶绿体形态膨胀变圆 ,内部基质空间增大 ,基粒
类囊体膨胀 ,空泡化 ,进而扭曲的现象。严重时叶绿体被膜折皱 ,局部破裂 ,基质外渗 。姚雅
琴等还观察到水分胁迫下线粒体的膜变模糊 ,基质变稀 ,嵴的数量减少[ 6] 。
我们曾探讨了干旱胁迫对红松幼苗保护酶活性及脂质过氧化作用的影响 ,发现用 PEG
模拟干旱胁迫与土壤自然干旱胁迫的处理结果有所不同[ 7] 。本文将考察两种干旱胁迫方
式对红松幼苗细胞超微结构影响的差异 ,并进一步探讨其可能的生理意义 。
1　材料与方法
1.1　供试材料及培养:红松幼苗取自帽儿山实验林场 。选择生长一致 、发育正常的三年生
红松幼苗 ,盆栽于 20℃的人工气候箱内 ,定时浇水 ,将土壤含水量控制在 25%左右。
1.2　PEG 胁迫的处理:取上述条件培养的红松幼苗若干株 ,将根系洗净 ,分为两组分别将
根系部分浸入到-1.0M pa的 PEG6000溶液中进行胁迫处理 ,并在第三天取出 ,取针叶进行
固定 。
1.3　土壤干旱胁迫的处理:将上述条件培养的红松幼苗停止水分的供应 ,亦不做任何其它
处理 ,使土壤自然干旱失水 ,同样在第三天取出 ,取针叶进行固定 。
1.4　电镜样品的制备与观察:将所取针叶切成 1mm3的方块 ,在 3%戊二醛中固定 24小时
以上。磷酸缓冲液漂洗 3次后 ,用 1%饿酸固定 2小时。用去离子水漂洗 3次 ,再用酒精逐
级脱水(30%※50%※70%※80%※90%※100%)、环氧树脂 618渗透 、包埋。LKB型超薄
切片机切片 ,醋酸双氧铀和柠檬酸铅溶液染色 ,H-600型透射电子显微镜观察 、拍照 。
2　结果与分析
2.1　干旱胁迫下叶绿体结构的变化
土壤干旱胁迫下 ,红松幼苗针叶因脱水而颜色变浅 ,部分叶肉细胞已变成空腔 ,有些细
胞壁变薄 ,叶绿体结构受到了严重损伤 。类囊体有轻微的空泡化 ,片层结构扭曲 ,局部出现
膜和片层的彻底破损 。在受损叶绿体的中心有一电子密度较高的黑色团块区域(图版 Ⅰ ,
3)。在-1.0MPa PEG 溶液模拟的干旱下 ,红松幼苗的叶肉细胞受损伤程度(图版 Ⅰ , 4)不
及土壤干旱处理的严重。叶绿体发生聚集 ,形态变圆 ,类囊体膜之间略有膨胀 ,出现轻微的
囊泡现象 ,片层扭曲不明显 ,有局部膜和片层结构变模糊 ,在受损叶绿体中心没有电子密度
较高的黑色团块 。
3253 期　　　　　　　　李　晶等:干旱胁迫对红松幼苗针叶超微结构的影响
比较两种不同干旱方式的处理结果可以发现 ,在叶绿体损伤程度相似时 ,两种胁迫所导
致的叶绿体结构上的变化是有差异的。在土壤干旱胁迫下 ,叶绿体有片层严重扭曲和中央
黑色团块物质的形成 ,而 PEG模拟的干旱胁迫则没有这种情况 。土壤自然失水的干旱胁迫
是一个胁强逐渐增加的过程 ,片层的扭曲很可能是叶绿体抗解体的一种方式。而-1.0MPa
PEG溶液处理则使植株突然遭遇高渗溶液胁迫 ,叶绿体很可能在没有形成足够抵御性变化
前而解体 。土壤干旱胁迫时 ,叶绿体中央黑色团块物质的形成说明叶绿体在解体时所形成
的物质周围与中央部分有所不同 ,因而其电子密度也不相同 。在 PEG 胁迫下 ,没有看到这
种现象 ,说明两种不同形式的干旱处理 ,叶绿体损伤的机制及损伤以后产生的生理意义并不
完全相同 。
2.2　干旱胁迫下线粒体结构的变化
在干旱胁迫下 ,线粒体结构的变化与叶绿体相比 ,表现较为迟钝 。在土壤干旱胁迫后 ,
有些线粒体仍具有完整清晰的膜 ,有些膜则变得模糊 ,但基质(图版 Ⅰ , 5)都较胁迫前(图版
Ⅰ ,2)浓厚 。而 PEG溶液胁迫下 ,线粒体数量增多 ,受损伤的程度在同一细胞中并不均匀 ,
有些膜结构完整 、清晰 ,有些膜结构遭到破坏 ,变得模糊。所有线粒体嵴均减少且基质变得
更加稀薄 ,具有较低的电子密度(图版Ⅰ ,6)。可见两种不同方式的干旱胁迫处理 ,对线粒体
的影响不只是程度上的不同 ,变化趋向上也是不同的。因而可以推知在两种方式的干旱胁
迫下 ,呼吸代谢的调节方式也应有不同之处。
3　讨　论
两种不同的干旱处理方式对红松幼苗细胞超微结构的伤害具有差异性 。这一方面可能
是由于土壤干旱是循序渐进的过程 ,植物体内的反应也是连续的 、渐进的 ,而 PEG 溶液处理
是植株突然遭遇到强度较恒定的胁迫 ,植物体内的反应也不相同。另外 , PEG 溶液处理除
形成高渗环境造成植株生理缺水外 , PEG 本身也会对植物体产生一定的化学作用 ,因而在
用 PEG 模拟干旱胁迫时 ,对得出的生理数据的解释应该十分谨慎。
此外 ,在观察中还发现 ,在干旱胁迫处理方式相同 、时间也相同的同一针叶的不同细胞
或同一细胞中 ,不同叶绿体或线粒体结构受损伤的程度并不完全相同(图版 Ⅰ , 4 ～ 6),有时
甚至相差很多 ,韩善华[ 4]的研究中也有相似的结果 。相同胁迫下 ,同一细胞中不同细胞器
受伤害程度不同 ,破损的细胞器可以增加细胞基质的亲水性 ,提高细胞的保水能力 ,而结构
完好的细胞器则继续执行其正常的生理功能 。因而细胞器对逆境反应的不同步性可保证细
胞在逆境下适应性生理调节和正常生理功能的同时进行。
图　　版　　说　　明
图版Ⅰ chl.叶绿体 m.线粒体
1.干旱胁迫前的叶绿体 ×15000;2.干旱胁迫前的线粒体×50000;3.土壤干旱胁迫后的叶绿体 , 示片层扭
曲及中央的黑色团块物质。 ×12000;4.-1.0MPa PEG 干旱胁迫后的叶绿体 , 示叶绿体膨大变圆 ,局部解
体。 ×12000;5.土壤干旱胁迫后的线粒体 , 基质浓厚×40000;6.-1.0MPa PEG 干旱胁迫后的线粒体 ,示
体积变大 ,膜清晰 , 嵴减少。 ×35000。
Explanation of Plates
PlateⅠ chl.for chloroplast　m.for mitochondrion
326 木　本　植　物　研　究　　　　　　　　　　　　　　　20 卷
1.Chloroplast befo re drought stress ×15000;2.Mitochondrion befo re drought stress ×50000;3.Chloroplast af-
ter soil drought stress ×12000;4.Chlo roplast after PEG drought stress ×12000;5.Mitochondrion after soil
drought stress ×40000;6.Mitochondrion after PEG drought stress.×35000。
参　　考　　文　　献
1.Giles KL et al.Effect of Water Stress on the Ultrastructure of Leaf Cells o f Sorghum Bicolor.Plant physiol ,
1976 , 57:11～ 14
2.Levitt J.Response of plants to environmental stress(Ⅰ).New Yo rk:Academic press , 1980 , 262 ～ 273
3.史兰波 ,李云萌.水分胁迫对冬小麦幼苗几种生理指标和叶绿体超微结构的影响.植物生理学通讯 ,
1990(2):28～ 31
4.韩善华.油菜叶绿体在干旱处理过程中的超微结构变化.作物学报 , 1991 , (17):311 ～ 313
5.Ilker R.et al.Ultrastructural responses of tomato co ty ledons to chilling and the influence of membrane modi-
fications upon these responses.Pro toplasma , 1977 , 90:229～ 252
6.姚雅琴 , 汪沛洪等.水分胁迫下小麦叶肉细胞超微结构的变化与抗旱性的关系.西北植物学报 , 1993 ,
13(1):16～ 20
7.阎秀峰 , 李晶等.干旱胁迫对红松幼苗保护酶活性及脂质过氧化作用的影响.生态学报 , 1999 , 19:850～
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