全 文 ：园 艺 学 报 2002, 29 ( 1) : 30~ 34
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期: 2001- 05- 24; 修回日期: 2001- 10- 09
基金项目: 山东省教育厅基金资助项目 ( J99I04)
CO2加富对黄瓜叶片显微和亚显微结构的影响
魏 珉 邢禹贤 王秀峰 马 红
(山东农业大学园艺学院, 泰安 271018)
摘 要: 以黄瓜为试材, 研究 CO2 加富对叶片显微和亚显微结构的影响。结果表明: CO2加富后黄瓜
叶片栅栏组织厚度、表皮厚度和叶片厚度增加, 栅栏组织占叶片总厚度的比例上升, 栅栏细胞变长, 排列
更加整齐紧密; 叶片叶绿体数目和大小、淀粉粒数目和大小、基粒及其片层数均增加, 单位叶绿体含淀粉
粒数上升, 但叶绿体超微结构未见明显伤害。上午以不同浓度 CO2 加富 3 h 效应较小, 上、下午各以 1 100
100 L L- 1 CO2加富 3 h效果显著。
关键词: 黄瓜; CO2加富; 叶片结构
中图分类号: S 642. 2 文献标识码: A 文章编号: 0513353X ( 2002) 01003005
CO2加富提高作物光合速率的同时, 叶片结构常常对高浓度 CO2 环境产生适应性变化。研究表
明, 提高 CO2 浓度引起菜豆!1∀、大豆!2, 3∀叶片厚度增加, 但机理不同。Vu等发现CO2加富大豆, 每个
叶绿体中淀粉粒数和体积仅稍有增加, 对叶绿体超微结构无明显影响!3∀。左宝玉等报道, CO2 倍增条
件下谷子和紫花苜蓿细胞内淀粉粒大小、数目均明显增加, 并影响叶绿体基粒的大小、分布和片层
数!4∀。由此可见, 不同作物种类和品种、不同试验条件下叶片结构对CO2环境适应的复杂性。本试验
以黄瓜幼苗为试材, 研究 CO2 加富后叶片显微和亚显微结构的变化, 为叶片同化功能和黄瓜增产机理
的研究奠定基础。
1 材料与方法
试验于 1999年10~ 12月在山东农业大学园艺试验站和校本部进行。10月 7日播种, 营养钵 (
10 cm) 育苗, 营养土按园土和有机肥 3#1混合, 含有机质 1. 45% , 速效 N 101. 41 mg kg- 1, 速效 P
302. 49 mg kg- 1, 速效 K 246. 00 mg kg- 1。子叶展平后 ( 10月 16 日) 分别移入 4个拱棚 (长 2. 0 m,
宽 1. 6 m, 高 1. 0 m) 内处理。处理∃ , 不加富 (对照) ; 处理 %, 上午加富, CO2 浓度 700 100 L
L- 1; 处理&, 上午加富, CO2浓度 1 100 100 L L- 1; 处理∋, 上午、下午均加富, CO2 浓度 1 100
100 L L- 1。每处理 60~ 80株, 肥源为钢瓶液体 CO2, 用GXH305型红外线 CO2 分析仪监测浓度变
化。CO2加富时间上午 8: 00 ( 8: 30) ~ 11: 00 ( 11: 30) , 下午1: 30 ( 2: 00) ~ 4: 30 ( 5: 00)。11月 16日将
拱棚转移至玻璃温室内继续处理。12月 2日每处理选择典型植株 3株, 从茎尖下数第3叶上切取小块
分别用FAA或戊二醛固定。试验期间4个拱棚的一般管理和温光条件相同。10月 16日至 11月 16日
拱棚内的最高/最低气温为 20~ 35 ( / 8~ 16 ( , 中午 11时平均光照强度 616. 2 mol m- 2 s- 1, 下午 2
时平均光照强度 465. 4 mol m- 2 s- 1; 11月 17日至 12月 2日最高/最低气温为 24~ 30 ( / 12~ 17 ( ,
中午 11时平均光照强度 306. 3 mol m- 2 s- 1, 下午 2时平均光照强度 219. 2 mol m- 2 s- 1。1999年 2
~ 3月在校本部玻璃温室进行预备试验, 仅设处理 I~ III, 结果基本同本次试验。
显微结构观测: 沿叶片中部主脉两侧切取 4~ 5 mm ) 2~ 3 mm长条, 先用 FAA固定保存, 后转入
3%戊二醛缓冲液中, 制作 GMA半薄切片。具体步骤是: 3%戊二醛缓冲液固定 6~ 12 h ∗蒸馏水清洗
2次 (每次 3 h) ∗酒精梯度脱水 ∗GMA预渗液处理 2次 ∗GMA包埋∗ 30 ( 聚合 ∗LX75型切片机切
片∗染色∗中性树胶封片。在 Olympus AHII万用显微镜 (日本制造) 下观测照相。每处理观测 20~
30个视野, 计算平均值。
亚显微结构观测: 在叶片中部主脉两侧切取大小 1~ 2 mm 见方小块, 用 4%戊二醛前固定, pH
7. 2磷酸缓冲液冲洗, 1%锇酸后固定, 梯度乙醇- 丙醇脱水, Epon812环氧树脂包埋, LKB5型超薄
切片机切片, 醋酸铀- 柠檬酸铅双重染色, JEM1200EX型透射电镜观察、测量并照相。每处理观测
20~ 30个视野, 取平均值。
2 结果与分析
2. 1 显微结构
2. 1. 1 叶片厚度 CO2 加富引起黄瓜叶片厚度增加 (表 1)。与对照相比, 上午 CO2 700 100 L L- 1
和CO2 1 100 100 L L- 1加富处理黄瓜叶片的厚度分别增加 0. 64%和 3. 46%, 全天 1 100 100 L
L- 1 CO2加富叶片厚度增加 12. 77% , 前二者与对照未达显著差异, 后者呈极显著差异, 说明与上午
以不同浓度CO2加富 3 h相比, 全天以 CO2 1 100 100 L L- 1加富 6 h效果更明显。
叶片厚度取决于叶肉和表皮的厚度, 而构成叶肉的组织除了栅栏组织外还有海绵组织。由表 1看
出, CO2加富黄瓜叶片栅栏组织和表皮厚度同时增加, 栅栏组织厚度与叶片总厚度的比值因 CO2 加富
略有上升。海绵组织厚度在不同加富浓度间差异不显著。
表 1 CO2 加富处理黄瓜叶片厚度的变化
Table 1 Changes in leaf thickness of cucumber with CO2 enrichment
CO2浓度
CO2 concentration
( L L- 1)
时 间
Time
叶片 厚度
Leaf thickness
(m)
表 皮厚 度
Epidermis
thickness (m)
栅栏组织厚度
Palisade t issue
thickness (m)
海绵组织厚度
Spongy t issue
thickness ( m)
栅栏组织厚度
/叶片厚度
PT/ LT
对照 Control 150. 58 bB 23. 24 cB 44. 65 cB 83. 90 bA 0. 30
700 100 上午 AM 151. 54 bB 25. 54 bAB 47. 31 bB 80. 13 bA 0. 31
1 100 100 上午 AM 155. 78 bB 25. 73 bAB 47. 36 bB 82. 92 bA 0. 31
1 100 100 上午+ 下午 AM+ PM 169. 54 aA 26. 84 aA 54. 56 aA 88. 35 aA 0. 32
2. 1. 2 细胞大小 表 2表明, CO2 加富使黄瓜叶片栅栏组织细胞长度增加, 但是上午 700 100 L
L
- 1和 1 100 100 L L- 1处理细胞长度分别增加 5. 5%和 5. 7% , 与对照差异不显著; 全天 CO2加富
者增加 26. 6% , 差异极显著。栅栏组织细胞宽度在不同处理间无显著差异。位于栅栏组织细胞下的
第1层海绵细胞的长度和宽度也呈现类似的变化特征。CO2 加富使叶片表皮细胞宽度 (厚度) 增加,
不同加富浓度间表皮细胞长度变化不明显。全天 1 100 100 L L- 1 CO2 加富使叶片叶肉细胞和表皮
细胞在横切面上扩展明显, 细胞体积增大。
表 2 CO2 加富对黄瓜叶片细胞大小的影响
Table 2 Effects of CO2 enrichment on the size of leaf cells in cucumber ( m)
CO2 浓度
CO2 concentration
( L L- 1)
时 间
Time
栅栏细胞
Palisade cell
长 度
Length
宽 度
Width
海绵细胞
Spongy cell
长 度
Length
宽 度
Width
上表 皮 细胞
Upper epidermis cel l
长 度
Length
宽 度
Width
下 表 皮细 胞
Lower epidermis cell
长 度
Length
宽 度
Width
对照 Control 43. 76 bB 12. 61 aA 24. 44 bB 18. 54 aA 21. 61 bB 13. 53 bB 15. 93 bAB 9. 83 bB
700 100 上午 AM 46. 16 bB 13. 09 aA 24. 45 bB 19. 05 aA 21. 23 bB 14. 93 aAB 15. 69 bA 10. 73 abAB
1 100 100 上午 AM 46. 26 bB 12. 86 aA 25. 97 bB 18. 85 aA 21. 72 bB 15. 03 aAB 15. 82 bAB 10. 99 aAB
1 100 100 上午+ 下午 AM+ PM 55. 39 aA 13. 09 aA 29. 92 aA 19. 14 aA 24. 30 aA 15. 43 aA 17. 14 aA 11. 64 aA
在叶片横切面上, 沿表皮平行方向, 统计 125 m 范围内栅栏细胞和第 1层海绵细胞的数目, 结
果见图1。1 100 100 L L- 1 CO2 加富使叶片细胞数目显著增加, 这说明 CO2加富不仅使栅栏细胞排
列更加整齐、紧密, 而且促进海绵细胞排列由无序向有序转变 (图版, A~ D)。
2. 2 亚显微结构
2. 2. 1 叶绿体和淀粉粒 由表 3可知, CO2加富条件下, 栅栏细胞内叶绿体数目增加, 体积增大。
311 期 魏 珉等: CO2加富对黄瓜叶片显微和亚显微结构的影响
上午700 100L L- 1和1 100 100L L- 1 CO2加富处理使每个细胞含叶绿体数分别比对照增加
16. 90%和 27. 46% , 全天加富增加 25. 64%; 上
午以不同浓度 CO2加富者叶绿体体积增加较小,
全天加富者增加显著, 其长度和宽度分别比对照
增加 8. 36%和 26. 49%。以上结果说明 CO2 加富
促进黄瓜叶绿体的形成和发育。
CO2加富使叶片栅栏细胞内淀粉粒数目增
多, 体积增大 (表 3, 图版, E~ H) , 说明其合
成并积累了更多的碳水化合物。对照平均每个叶
肉细胞含 9. 14个淀粉粒, 每个叶绿体不到 1个,
且体积较小; 上午 700 100 L L- 1和 1 100
100 L L- 1 CO2 加富处理使每个细胞内淀粉粒数
分别增加到 16. 22个和 23. 72个, 平均每叶绿体
含1~ 2个; 全天 CO2 加富黄瓜叶肉细胞内淀粉
粒数目进一步增加, 每个叶绿体含 2~ 3个, 且
体积显著增大。
图 1 CO2加富对黄瓜叶片栅栏、海绵细胞数目的影响
( 125 m 叶片长度)
Fig. 1 Effects of CO2 enrichment on the nubmer of palisade
and spongy cells in 125 m length of cucumber leaves
表 3 CO2 加富处理黄瓜叶片叶绿体、淀粉粒数目及大小变化
Table 3 Number and size of chloroplast and starch grain in leaves of cucumber with CO2 enrichment
CO2 浓度
CO2 concentration
( L L- 1)
时 间
Time
叶绿体数/叶肉细胞
Chloroplast number
/ cell
叶绿体 Chloroplast
长 度
Length (m)
宽 度
Width (m)
淀粉粒数/叶肉细胞
Starch grain number
/ cell
淀粉粒 Starch grain
长 度
Length ( m)
宽 度
Width (m)
对照 Control 10. 92 cB 5. 61 bA 1. 85 bA 9. 14 dB 0. 59 cC 0. 23 cC
700 100 上午 AM 12. 77 bA 6. 17 abA 1. 94 bA 16. 22 cB 1. 70 bB 0. 88 bB
1 100 100 上午 AM 13. 92 aA 5. 86 abA 1. 90 bA 23. 72 bA 1. 86 bB 0. 87 bB
1 100 100 上午+ 下午 AM+ PM 13. 72 aA 6. 64 aA 2. 34 aA 29. 00 aA 2. 76 aA 1. 54 aA
2. 2. 2 基粒和片层 CO2加富不仅影响叶绿体大小和数目, 而且影响其结构。加富处理叶片叶绿体
内基粒数目增加 (未达显著差异水平) ; 片层数增加, 基粒明显变厚, 说明类囊体垛叠程度高, 含多
个片层的基粒增多 (表 4)。基粒片层密度随 CO2加富浓度增加和时间延长而降低, 但这是由于片层
厚度的增加还是片层间隙的增大, 尚需探讨。
表 4 CO2 加富对黄瓜叶绿体基粒及其片层的影响
Table 4 Effects of CO2 enrichment on grana and lamellae of chloroplast in cucumber
CO2 浓度
CO2 concentration ( L L- 1)
时 间
Time
基粒数/叶绿体
Grana number/ chloroplast
基 粒厚 度
Grana thickness (m) 片层数/基粒Lamella number/ grana 片 层密 度Lamella number/m
对照 Control 15. 55 aA 0. 135 bB 10. 39 bB 76. 96 cC
700 100 上午 AM 15. 64 aA 0. 163 aAB 12. 06 abAB 73. 96 bB
1 100 100 上午 AM 16. 36 aA 0. 183 aA 13. 22 aA 72. 25 aA
1 100 100 上午+ 下午 AM+ PM 17. 18 aA 0. 173 aA 12. 33 aAB 71. 29 aA
3 讨论
CO2加富引起黄瓜叶片厚度增加, 这与对菜豆、大豆的研究结果相同, 但叶厚增加的原因不同。
Radoglou等试验表明, 菜豆叶片厚度增加主要由于叶肉, 尤其是海绵薄壁组织的变化所致, 栅栏组织
与海绵组织的比值并不改变, 叶肉细胞体积变大, 尤其在横切面上扩展明显, 而栅栏细胞层数、表皮
细胞密度、气孔密度和气孔指数不受影响!1∀。大豆叶片厚度增加源于栅栏细胞层的良好发育和细胞数
目的增加!3∀。在 CO2倍增环境中生长的大豆, 叶片下表面覆盖大量的星状表面角质蜡层, 叶肉因增加
32 园 艺 学 报 29 卷
了一层栅栏组织而明显变厚, 气孔密度下降!2∀。本试验中, CO2 加富黄瓜叶片增厚则是叶肉和表皮厚
度同时增加的结果, 栅栏细胞层数不变但明显伸长, 栅栏组织占叶片厚度的比例上升, 细胞排列更加
整齐紧密, 与栅栏组织相接的海绵组织细胞排列也趋于有序。由此看出, 不同作物叶片结构对提高
CO2浓度的适应性机制不同, 细胞分裂和细胞扩张均可能成为引起变化的原因。提高 CO2 浓度对不同
作物叶片叶绿体超微结构的影响也不一样。CO2加富黄瓜叶肉细胞内叶绿体、淀粉粒数目增加, 体积
增大, 基粒数和片层数增加, 但每个叶绿体所含淀粉粒数很少超过 3个, 未影响叶绿体正常的超微结
构。CO2加富番茄叶片中淀粉粒大小、数目增加, 类囊体变形也仅限于韧皮部细胞中的极少数叶绿
体!5∀。但是, CO2倍增条件下谷子和紫花苜蓿中淀粉粒大小、数目均增加, 且淀粉粒体积和数量影响
叶绿体基粒的大小、分布和片层数!4∀。
根据本研究结果, CO2加富促进黄瓜叶片和叶绿体的发育。前人研究表明, 苜蓿叶片光合速率取
决于叶肉和栅栏组织厚度!6∀; 大豆叶片叶绿体基粒片层数与光合速率正相关!7∀。基粒片层垛叠意味着
捕获光能机构的高度密集, 同时作为酶的排列支架, 有利于形成一个长的代谢传送带, 促进光能的吸
收传递和转换。因此, CO2加富条件下黄瓜叶片显微和亚显微结构的变化可能是对高浓度 CO2 的适
应, 以提高对光能和环境 CO2的吸收利用能力; 另一方面, 高 CO2浓度下黄瓜叶片的光合速率提高,
制造和积累更多的碳水化合物, 为叶片结构发育奠定了基础。对此尚需进一步探讨。虽然上午以不同
浓度 CO2 加富对黄瓜叶片结构都产生了一定影响, 但部分指标与对照并无显著差异, 而全天 CO2 加富
叶片结构变化明显, 这说明延长 CO2 加富时间作用更大。
参考文献:
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Effects of CO2 Enrichment on the Microstructure and Ultrastructure of Leaves
in Cucumber
Wei Min, Xing Yuxian, Wang Xiufeng, andMa Hong
( College of Horticulture, Shandong Agricultural University , Tai+ an 271018)
Abstract: The microstructure and ultrastructure of leaves in cucumber with CO2 enrichment were investigated.
It showed that the thickness of palisade tissue, epidermis and leaf increased simultaneously in CO2enriched leaves,
and the ratio of palisade tissue to leaf thickness went up slightly. Longer and more tight ly arranged palisade cells
were observed in leaves with CO2 enrichment. Not only the number and size of chloroplast and starch grain, but
also the number of grana and lamella increased as a result of CO2 enrichment. No obvious chloroplast deterioration
and thylakoid deformation were found in CO2enriched leaves. Enrichment at different CO2 concentrations for three
hours in morning was not very effective, but enrichment for six hours at 1 100 100 L L- 1 everyday produced
most significant effects.
Key words: Cucumber; CO2 enrichment ; Leaf structrue
331 期 魏 珉等: CO2加富对黄瓜叶片显微和亚显微结构的影响
图版说明 A~ D 叶片显微结构 ( 150) ) ; E~ H 叶片超微结构 ( 10 000 ) )。A、E, 对照; B、F, CO2 700 100 L L- 1, 上午加
富; C、G, CO 2 1 100 100 L L- 1, 上午加富; D、H, CO2 1 100 100 L L- 1, 上午+ 下午加富。
Explanation of plate A- D leaf microstructure ( 150) ) ; E- H leaf ultrastructure ( 10 000) ) . A, E, CK; B, F, CO2 700 100 L L- 1
AM; C, G, CO2 1 100 100 L L- 1 AM; D, H, CO2 1 100 100 L L- 1 AM+ PM.
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