全 文 ：第 17 卷 第 5 期
Vol. 17 No. 5
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2009 年 9 月
Sep. 2009
水分胁迫对 6种禾草叶绿体、线粒体超
微结构及光合作用的影响
郑敏娜1 , 李向林1* , 万里强1, 何 峰1 , 席翠玲2
( 1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所, 北京 100193; 2.兰州大学草地农业科技学院, 甘肃兰州 730020)
摘要: 利用透射电镜技术, 研究了水分胁迫下柳枝稷 ( Panicum virg atum L . )、巴哈雀稗 ( Paspalum notatum
Flugge)、毛花雀稗 ( Paspalum dilatatum Po ir )、羊茅黑麦草 ( @ Festulolium Asch. et Graebn. )、草芦 ( P halar is
arundinnacea L . )及多年生黑麦草( L olium per enne L . ) 6 种禾本科牧草叶肉细胞叶绿体和线粒体超微结构的变化,
并结合对叶绿素含量和光合速率的测定,分析了其生理功能对水分胁迫的响应,旨在为耐旱草种的选择、引种和选
育提供形态学和生理学依据。结果表明,经过 8 d 水分胁迫后, 6 种牧草的叶绿体均膨大变圆并向细胞中央移动;
叶绿体内分布有一定数量的嗜锇颗粒和少量淀粉粒, 受伤害严重的叶绿体中的基粒和被膜破损; 线粒体数目均增
加,且对水分胁迫的耐受性强于叶绿体; 光合速率的高低与叶绿体的结构变化相关。可将 6 种牧草分为 3 个不同
的抗旱等级:柳枝稷和巴哈雀稗抗旱性较强,羊茅黑麦草和草芦抗旱性中等,多年生黑麦草和毛花雀稗抗旱性较弱。
关键词:禾草; 水分胁迫;叶绿体; 线粒体;超微结构; 净光合速率
中图分类号: Q945, S543 文献标识码: A 文章编号: 1007-0435( 2009) 05-0643-07
Effect of Water Stress on Ultrastructures of Chloroplast and Mitochondria
and Photosynthesis in Six Gramineous Grass Species
ZHENG Min-na
1
, L I Xiang- lin
1*
, WAN L-i qiang
1
, He Feng
1
, XI Cu-i ling
2
( 1. Inst itute of An imal S cien ce, Chinese Academy of Agricultu ral Sciences, Beijin g 100193, China; 2. C ol lege of Pastoral
Agricultu ral Science and T echnology, Lanzhou U nivers ity, Lanzh ou, Gan su Pr ovin ce 730020, Ch ina)
Abstract: Panicum virgatum L. , Paspalum notatum Flugge, Paspalum di latatum Poir , @ Festulolium
Asch et Graebn. , Phalar is arundinnacea L. and L ol ium perenne L. ar e important forage g rasses but their
product ivity are of ten limited by the summer dr ought st ress in most areas of China. There are research ev-i
dences showing these six species differ in their g row ing t raits and product ion perfo rmance under drought
st ress; how ever r esearch is lacking to understand the r esponse o f ult rast ructure o f mesophy ll cells to w ater
st ress in dif ferent plant species, w hich is highly relevant to the mechanism of plant drought tolerance. In
order to prov ide mo rpholo gical and physio logical indicat ions for select ion, introduct ion and breeding of the
species, the effect o f w ater st ress on the ult rast ructure and physiolog ical function o f chloroplast and m ito-
chondria in mesophy ll cells in the six grass species w ere studied under pot cultur e conditions using t rans-
m ission electr on micr oscope ( TEM ) and measurement of the chlorophy ll content and net photosynthetic
rate, respect iv ely . T he results show ed that , after 8 d w ater str ess, the chloroplasts sw elled, became
round, and moved tow ards the center of the cell. Some plastog lobulis and starch grains w ere found inside
the chloroplasts. Grana and envelope in severely affected chlo roplasts w ere disrupted. T he m ito chondria
had bet ter tolerance to w ater st ress than chloroplasts and the number of m itochondria increased under w a-
ter st ress. T he net photosynthet ic rate w as closely related to the change in chloroplast st ructure. T he six
grass species w ere classif ied into three g roups w ith dif ferent to lerance to w ater st ress: P. vir gatum and
Pa. notatum as the high to ler ant , @ Festulol ium and Ph. arundinnacea as the medium to ler ant , and Pa.
dilatatum and L . p erenne as the poo r tolerant.
Key words: Gramineous grass; Water st ress; Chloroplast ; M itochondr ia; Ult rast ructure; Net photosyn-
thetic rate
收稿日期: 2009-02-18;修回日期: 2009- 06-08
基金项目:科研院所基本科研业务费专项基金创新团队 ( 2009td-2 ) ; 国家科技支撑计划 ( 2006BAD16B07) ; 农业部行业科技项目 ( ny-
hyzx 07-022) ;国家科技支撑计划( 2008BADB3B01)
作者简介:郑敏娜( 1983- ) ,女,甘肃通渭人,硕士研究生, 研究方向为草地生态学, E-mail: zhengminna@ 126. com; * 通讯作者 Author for
cor resp on dence, E- mail: lixl@ iascaas. net . cn
草 地 学 报 第 17卷
柳枝稷 ( Panicum v ir gatum L. )、巴哈雀稗
( Paspalum notatum Flugge)、毛花雀稗( Paspalum
di latatum Po ir )、羊茅黑麦草( @ Festulol ium Asch.
et Graebn. )、草芦 ( Phalar i s arundinnacea L. ) 及
多年生黑麦草( L ol ium per enne L. ) 6 种禾本科牧
草,既可放牧利用、刈割调制干草,亦可作为水土保
持植物,均属南方地区重要牧草。但在亚热带大部
分地区易受到季节性干旱的制约。
叶片是植物进化过程中对环境变化比较敏感、
可塑性较强的器官,也是植物进行生理代谢活动的
主要场所。叶肉细胞的超微结构特点决定光合能力
的大小,其中叶绿体和线粒体是植物光合作用、能量
流动最为重要的细胞器, 也是对环境反应最敏感的
细胞器 [ 1]。叶绿体和线粒体的形态结构、大小、数目
和分布常因植物所处的环境条件不同而发生相应变
化[ 2] , 尤其在逆境胁迫下其结构和生理功能的变化
更为显著[ 3] , 在一定程度上可作为表征植物对逆境
条件耐受性的依据。目前, 有关禾本科草种的干旱
胁迫抗性研究多集中于田间生长表现和生理生化等
指标的测定[ 4~ 8] ,而对于干旱条件下禾本科牧草叶
片的亚细胞结构变化报道较少,特别是有关柳枝稷、
毛花雀稗、巴哈雀稗、羊茅黑麦草和草芦的叶肉细胞
亚显微结构所发生变化的研究尚未见报道。本研究
以上述 6种草种为试验材料, 对水分胁迫条件下叶
片超微结构变化和光合生理进行了观测和研究, 以
期为这些牧草的品种选育、推广和应用提供生理生
态学方面的科学依据。
1 材料与方法
1. 1 试验材料
供试材料为柳枝稷、巴哈雀稗、毛花雀稗、羊茅
黑麦草、草芦及多年生黑麦草,均由贵州草业研究所
科研基地提供。
1. 2 试验处理
试验在贵州草业研究所科研基地 (独山县)进
行,地理位置为北纬 36b10c, 东经 107b28c, 海拔 970
m。据试验站气象资料, 年均温 15 e , 极端高温
34 e ,最高月均温 27. 6 e , 最低月均温 2. 1 e , 年降
雨量 1346. 3 mm,干湿季节明显,土壤为黄壤土。
2007年 3月小区播种, 田间试验小区为完全随
机设计排列, 小区面积为 3 m @ 2 m, 行距 0. 5 m。
于 2008年 5月从小区中筛选生长健壮而一致的植
株移栽到直径 25 cm、深 16 cm、盆底有排水孔的花
盆中, 每盆栽植10~ 15株,每盆装土4. 7 kg,土壤为
草炭土(土 B草炭= 3 B 1) , 并施入腐熟的有机肥。
移栽后各试验材料采用相同的管理方法, 在室外生
长 75 d 。每个材料设 3次重复,完全随机排列。水
分胁迫试验开始前一天,采用称重法浇水,使每盆材
料的土壤含水量保持在 30%~ 35%。
于 2008年 7 月 18 日开始水分胁迫试验,设对
照组( CK)和处理组( T )。CK 组每天正常浇水, 通
过称重法浇水, 使土壤含水量始终保持在 30% ~
35%; T 组连续停水, 至第 8 d 时土壤含水量降至
7% ~ 12%。试验期间将花盆放置在温室中。水分
胁迫 8 d后取样测定观察各项指标。
1. 3 观察及测定
1. 3. 1 叶片超微结构观察 取处理组和对照组样
本植物的第 3片功能叶,沿叶脉取 2 mm @ 2 mm 叶
样,迅速投入 3%戊二醛( 0. 1 mol # L - 1PBS, Ph7. 2
配制)内固定,抽气直到材料下沉, 于 4 e 下固定 24
h,用 0. 1 mo l # L-1PBS 漂洗 3 次, 而后用 1%锇酸
固定4 h, 去离子水漂洗 3次,乙醇系列脱水,再经丙
酮过渡, Epon812环氧树脂包埋, LKB5型切片机切
片,经醋酸双氧铀和柠檬酸铅染色, 于 HIT ACHI-
H7500型投射电镜下观察和拍照。
1. 3. 2 土壤含水量测定 用直径1 cm 的自制取样
器取每盆原状土样 10 g 左右, 测定土壤含水量, 采
用烘干法测定, 105 e 下连续烘干 8 h, 计算以烘干
土为基础的重量百分数。土壤含水量用下式计算:
土壤含水量( %) = (土壤湿物质量- 土壤干物
质量) /土壤湿物质量@ 100%
1. 3. 3 叶绿素含量测定 取处理组和对照组的样
本鲜叶各 0. 2 g, 将叶片切成小块放入试管中,加入
95%乙醇5 mL,塞紧管塞,置黑暗处提取24 h, 待叶
样由绿色变为白色, 摇匀, 分别在 470 nm、649 nm、
665 nm 下测定光密度值。叶绿素含量由下式计算:
叶绿素含量( mg/ g) = 色素的浓度( mg / mL) @
提取液体积( mL) @ 稀释倍数/样品重( g)
1. 3. 4 净光合速率( Pn)测定 于水分胁迫后第
8 d 的 9: 00- 10: 30(天气晴朗无风) , 采用 L-i 6400
( x t ) 型便携式光合测定仪测定处理组和对照组 6
种禾草叶片的净光合速率。测定时光照强度为 500
~ 700 LmoL # m- 2 # s- 1 , CO2 浓度为 300 ~ 380
Lmo l #m - 2 # s- 1 , 每个处理材料测定 3株, 每株取
第 3~ 4叶序处的功能叶,每个叶片重复记录 5组数
644
第 5期 郑敏娜等:水分胁迫对 6种禾草叶绿体、线粒体超微结构及光合作用的影响
据,然后计算平均值。
1. 4 数据处理
测定的数据采用 Excel 软件制表, 用 SAS 8. 0
软件进行 ANOVA 方差分析,差异显著性运用 LSD
检验法进行多重比较。
2 结果与分析
2. 1 未受水分胁迫处理的叶片超微结构观察
正常水分条件下, 6种禾草叶片的超微结构基
本一致。叶肉细胞中叶绿体结构良好, 呈梭形或长
椭圆形,整齐单行排列在细胞壁周围,膜与壁结合紧
密(图 1-1~ 6)。基粒片层和基质片层清晰可见, 排
列整齐, 且方向基本与叶绿体长轴平行 (图 1-1 ~
6)。垛叠类囊体丰富, 整齐, 体小。叶绿体膜平滑,
且清晰完整 (图 1-1~ 6) ,呈现出较完整的膜系统。
6种禾草叶片的叶绿体上均分布有一定数量的嗜锇
小体,多呈圆形或椭圆形(图 1-1~ 6)。6 种禾草叶
片各叶绿体上也分布有不同数量的淀粉粒, 且大小
不均,呈水泡不规则形状, 淀粉粒边缘清晰, 以多年
生黑麦草上淀粉粒数目最多(图 1-5) , 以毛花雀稗
上淀粉粒数目最少(图 1-2)。线粒体多呈比较规则
的球形和椭圆形散布在细胞质中, 具双层膜, 且膜结
构保持比较完整程度,未见明显的破裂现象出现(图
2-1~ 6)。各草种的细胞中线粒体数目各不相同, 有
时可同时看到 3~ 7个线粒体,以巴哈雀稗细胞中线
粒体数目最多 (图 2-4)。线粒体内部结构完整, 嵴
清晰可见,呈随机排列(图 2-1~ 3)。
2. 2 水分胁迫下叶片叶绿体超微结构的变化
水分胁迫条件下,各供试材料叶片的叶绿体结
构受到不同程度的影响(图 1-7~ 12)。叶绿体形状
开始发生变化, 由原来的梭形或椭圆形变成球形(图
1-7~ 10和 12) , 呈现出向细胞中央移动的趋势, 部
分伤害较重的细胞中出现质壁分离,外膜变得模糊
(图 1-8、10和11) ;叶绿体片层系统排列方向发生改
变, 产生扭曲, 类囊体膨胀, 质间片层空间变小。受
伤害较轻的叶绿体上,基粒稍有紊乱,但仍可较清晰
地观察到一定排列顺序的片层结构(图 1-9和 12)。
伤害较重的叶绿体上,有些没有类囊体,有些则小而
模糊,间质片层几乎消失(图 1-8、10和 11) ; 嗜锇颗
粒数量增加,体积变大,且有些嗜锇颗粒呈现相互聚
集的趋势(图 1-7和 8) ; 特别是多年生黑麦草细胞
中,随着叶绿体内外膜的解体,嗜锇颗粒释放到细胞
基质中(图 1-11) ; 叶绿体上的淀粉粒数量均减少,
大部分淀粉粒边缘糊化(图 1-8、10和 11) ,部分淀粉
粒消失(图 1-7) , 仅柳枝稷细胞中淀粉粒较清晰可见
(图1-9)。
2. 3 水分胁迫下叶片线粒体超微结构的变化
水分胁迫条件下, 各材料线粒体结构也发生了
不同程度的变化, 主要表现为线粒体数目增多, 嵴变
大且排列紊乱,大部分线粒体未见明显的破裂现象
出现,细胞质浅(图 2-7、9、10和 11)。但是,同时也
观察到部分线粒体内的嵴出现一定程度的断裂, 变
得模糊(图 2-7和 12) ,部分线粒体内外膜膨胀或破
裂,内含物流出, 嵴分化或消失(图2-7和 8)。另外,
线粒体上还出现了少量的嗜锇颗粒(图 2-7、8、10和
11)。
2. 4 水分胁迫下叶片叶绿素含量的变化
叶绿素普遍存在于植物体内的重要器官叶绿体
中,叶绿素含量的高低直接决定植物光合作用的强
弱。在胁迫条件下, 高的叶绿素含量能够维持光合
作用的进行, 有利于增强植物的抗旱性。从叶绿素
含量的分析结果(表 1)可知,在水分胁迫下, 6种禾
草叶片的叶绿素含量均降低;除巴哈雀稗外,其余各
草种处理组的值和对照组的值间差异显著 ( P <
0. 05)。其中,毛花雀稗和多年生黑麦草处理组叶绿
素含量较对照组分别低 33. 7%和 32. 3% ;但巴哈雀
稗叶绿素含量变化幅度较小, 只比对照低 1. 97%,
且与毛花雀稗和多年生黑麦草种间差异显著 ( P<
0. 05)。这说明水分胁迫处理后巴哈雀稗仍保持较
高的叶绿素含量, 抗旱性较其他草种强。
2. 5 水分胁迫下叶片净光合速率( Pn)的变化
水分胁迫会导致叶绿体光合机构的破坏,引起
光合 CO2 同化效率的降低, 使叶片光合速率降低。
从净光合速率的变化结果可知(图 4) ,正常水分条
件下, 6份供试材料中多年生黑麦草的 Pn 值最大,
为 27. 3 Lmol # m- 2 # s- 1 , 各材料间差异显著( P<
0. 05)。水分胁迫处理条件下, 多年生黑麦草的 Pn
值下降率也最快, 下降了 45. 7% , 表明其对水分胁
迫最为敏感; 巴哈雀稗的 Pn下降率最小, 为 5. 7%;
羊茅黑麦草、柳枝稷和草芦的下降率依次分别为
21. 1%、25. 0%和 45. 2% ,它们在水分胁迫条件下
差异显著( P< 0. 05)。同时,方差分析表明, 各草种
645
草 地 学 报 第 17卷
图 1 未受水分胁迫和受水分胁迫处理的植株叶绿体结构
F ig. 1 P lant chlo roplast str uctures w ith and w ithout w ater str ess tr eat ment
1-6号图是未受水分胁迫的(依次为 @ 20000, @ 15000, @ 15000, @ 10000, @ 10000, @ 12000) ; 7-12 号图是受到水分胁迫的 (依次为 @
8000, @ 8000, @ 12000, @ 8000, @ 15000, @ 15000)。2组图片代表的材料依次为羊茅黑麦草、毛花雀稗、柳枝稷、草芦、多年生黑麦草和巴哈雀
稗。C h-l 叶绿体; M-线粒体; G-l 基粒片层; P-嗜锇颗粒; CW-细胞壁; N-细胞核; SG-淀粉粒
Plate 1- 6 are th e th os e w ithout water st ress( @ 20000, @ 15000, @ 15000, @ 10000, @ 10000 and @ 12000, respect ively) an d plate 7-12 are
th ose w ith w ater st ress ( @ 8000, @ 8000, @ 12000, @ 8000, @ 15000, and @ 15000, respect ively) . Each gr ou p of the tw o plates represents
th e plant m ater ial of @ Festulol ium, P a. d i latatum, P . v i rg atum L. , P h. ar und innacea, L . pe renne L. and Pa notatum, r esp ect iv e ly ; Chl :
C hloroplast , M : M i tochondrion, Gl , Grana lamel la, P: Plastoglobu lis, CW: Cel l w all, N : Nucleus, SG: S tarch grain
646
第 5期 郑敏娜等:水分胁迫对 6种禾草叶绿体、线粒体超微结构及光合作用的影响
图 2 未受水分胁迫和受水分胁迫处理的植株线粒体结构
F ig . 2 Plant mitochondr ia structures w ith and w ithout water stress treatment
1-6号图是未受水分胁迫的 (依次为 @ 20000, @ 20000, @ 15000, @ 15000, @ 15000, @ 12000) ; 7-12 号图是受到水分胁迫的(依次为 @
20000, @ 12000, @ 15000, @ 20000, @ 25000, @ 20000)。2组图片代表的材料依次为多年生黑麦草、毛花雀稗、羊茅黑麦草、巴哈雀稗、柳枝稷
和草芦。Ch-l叶绿体; M-线粒体; G-l 基粒片层; P-嗜锇颗粒; CW-细胞壁; N-细胞核; C-线粒体上的脊; SG-淀粉粒
Plate 1- 6 are the those w ith out w ater s t ress ( @ 20000, @ 20000, @ 15000, @ 15000, @ 15000, and @ 12000, respectively) and plate 7- 12
are th ose w ith w ater s t res s ( @ 20000, @ 12000, @ 15000, @ 20000, @ 25000, and @ 20000, resp ect ively) . Each group of the tw o plates repre-
sents the plant m aterial of L . p er enne, P a. d ilatatum, @ F estu lol ium, Pa. notatum, P. v i rg atum, and Ph. ar und innacea, respect ively; Chl :
C hloroplast , M : M i tochondria, Gl: Grana lam ella, P: Plastoglobulis , CW : Cell w al l, N: Nucleu s, C: Cristae, SG: Starch grain
647
草 地 学 报 第 17卷
表 1 水分胁迫对叶片叶绿素含量的影响( mg/ g)
Table 1 Effect o f wat er stress on leaf chlo rophyll content, mg # g- 1
组别
Group
柳枝稷
P . v i rg atum.
巴哈雀稗
P a. notatum
毛花雀稗
Pa. di latatum
羊茅黑麦草
@ Festulol ium
草芦
Ph. aru ndinnacea
多年生黑麦草
L . p er enne
对照( CK)
Non- st res sed
2. 66 ? 0. 02Bb 2. 36 ? 0. 01Aa 2. 61 ? 0. 01Bb 2. 35 ? 0. 06Ab 2. 86 ? 0. 02Cb 2. 42 ? 0. 02Ab
受胁迫( T)
Water st ressed
2. 29 ? 0. 05Ca 2. 32 ? 0. 03Ca 1. 76 ? 0. 06Aa 1. 99 ? 0. 01Ba 2. 23 ? 0. 07Ca 1. 64 ? 0. 06Aa
注: 表中数据为均值 ? SE,不同的大写字母表示相同处理条件下不同材料间差异显著( P < 0. 05) ,不同小写字母表示同一材料在不同处
理条件下差异显著( P < 0. 05) ,下同
Note: Data are m ean ? SE; m eans w ith diff er ent capital let ters are signif icant ly dif f erent ( LSD 0. 05) among species with in the same group of
t r eatm ent , w hile dif feren t sm all let ters are signif icant ly diff erent ( LSD0. 05 ) b etw een t r eatm ent for the same species, the some as b elow
表 2 水分胁迫对叶片净光合速率的影响(Lmol # m- 2 # s- 1 )
Table 2 Effect o f wat er stress on leaf net pho tosynthetic rat e, Lmol # m- 2 # s- 1
组别
Group
柳枝稷
P . v i rg atum.
巴哈雀稗
P a. notatum
毛花雀稗
Pa. di latatum
羊茅黑麦草
@ Festulol ium
草芦
Ph. aru ndinnacea
多年生黑麦草
L . p er enne
对照( CK)
Non-st ress ed
22. 49 ? 0. 14Cb 18. 35 ? 0. 16Ab 25. 28 ? 0. 18Db 20. 03 ? 0. 27Cb 20. 03 ? 0. 17Bb 27. 03 ? 0. 21Eb
受胁迫( T )
Water
st res sed
16. 86 ? 0. 03 Da 17. 31 ? 0. 10Ea 14. 28 ? 0. 06Ba 17. 75 ? 0. 07F a 11. 11 ? 0. 08Aa 14. 81 ? 0. 06Ca
在连续干旱胁迫处理下叶绿素含量均显著低于( P
< 0. 05)对照,说明水分胁迫处理对各草种的净光合
速率影响均较大,使光合作用受阻。
3 讨论
水分胁迫可以对植物产生多方面的影响, 如脯
氨酸含量增加, 脂质过氧化作用增强, 膜透性增加
等[ 9~ 12]。同时, 细胞的超微结构也会发生明显变
化,其中, 叶绿体和线粒体对胁迫比较敏感且所负功
能较为重要的 2 个细胞器 [ 13]。试验结果表明, 6 种
供试材料的叶肉细胞对水分胁迫最敏感的细胞器都
是叶绿体,其次是线粒体。水分胁迫对这 6种供试
禾草叶肉细胞结构影响的研究报道甚少, 但有关其
他植物如小麦、油菜、玉米等作物有不少研究报
道[ 14~ 16]。本试验结果表明,在受伤害较轻的柳枝稷
和巴哈雀稗,叶绿体变形并向细胞中央移动, 类囊体
片层膨胀;受伤害较重的羊茅黑麦草和草芦, 其基粒
和基质类囊体结构膨胀, 分不清边缘,片层排列不整
齐,部分严重的叶绿体膜断裂;伤害严重的多年生黑
麦草和毛花雀稗,叶绿体中片层结构紊乱扭曲,嗜锇
颗粒增加聚集, 部分叶绿体被膜破裂, 甚至解体, 内
含物外流。这与上述其他作物的研究报道基本一
致。叶绿体是植物细胞产生活性氧的一个重要细胞
器,正常情况下其处于动态平衡状态[ 17] ,受到胁迫
后会造成 H 2O 2 积累, 通过一系列反应后启动膜质
过氧化,破坏膜脂和膜蛋白[ 18] ,同时, 水分胁迫降低
植物的光合磷酸化过程,继而加剧了膜结构的破坏。
嗜锇体(脂质球体)通常被认为是类囊体降解以及脂
质类的降解物聚集的结果,其出现是细胞膜结构和
色素瓦解积累的产物[ 19] ,而脂质球的产生还可以提
高细胞质浓度、降低渗透势。本试验结果也表明,随
着水分胁迫的进行,淀粉粒边缘逐渐变得模糊, 颜色
由深变浅,淀粉粒数目减少,这说明植物对胁迫采取
了积极的防御措施,促进淀粉粒降解,合成更多的有
机质参与渗透调节。这与叶宝兴等的研究结果相一
致[ 2 0]。此外,水分胁迫以后各草种的受伤害程度不
一致,说明不同种类的牧草对水分胁迫的耐受性存
在一定差异。
线粒体作为细胞内另外一个重要的细胞器,它
的一系列变化也反映出植物对逆境的适应。本试验
结果表明, 6种材料的相似表现为线粒体数目增加,
其结构变化晚于叶绿体。同时, 也观察到柳枝稷和
巴哈雀稗受伤害较轻, 大部分线粒体结构保持完整;
羊茅黑麦草和草芦受伤害较重, 线粒体膜和嵴模糊,
细胞质浅;多年生黑麦草和毛花雀稗受伤害严重,线
粒体膜膨胀或破裂,部分有内含物流出。逆境胁迫
后,线粒体数目的增多可能是其一种临时性适应机
制,以保证胁迫过程中短期能量的正常供应。线粒
体在叶片衰老过程中消失较晚, 这可能与叶片的呼
吸作用有关,因为叶片衰老后仍需要线粒体提供能
量来转移营养物质 [ 21]。此外,在线粒体的变化上各
草种也表现出耐受性不同。总之, 细胞器对逆境反
应的不同步性可保证细胞在逆境下适应生理调节和
648
第 5期 郑敏娜等:水分胁迫对 6种禾草叶绿体、线粒体超微结构及光合作用的影响
正常生理功能同时进行, 也可将这种细胞器作为细
胞水平上评价其抗旱性的重要参考指标。
光合作用是植物生长和产量形成的基础, 叶绿
体又是光合作用的主要部位, 光合作用的实现依赖
于叶绿素对光能的吸收, 水分逆境又影响到叶绿素
的合成,因此研究水分胁迫下叶绿体与光合指标变
化关系具有十分重要的意义。有研究者指出, 叶绿
素含量与光合之间一般呈正相关[ 22] 。土壤水分胁
迫对叶绿素含量和光合速率都有一定影响 [ 23]。在
本试验中,各材料的叶绿素含量和净光合速率都降
低。水分胁迫可导致植物叶片失水,影响叶绿素的
生物合成,且使已合成的叶绿素分解, 在一定范围
内,叶绿素含量高低直接影响叶片光合能力。通常
认为,干旱对光合作用的抑制是通过气孔限制和非
气孔限制共同作用实现的 [ 24] , 气孔限制是指水分胁
迫使气孔导度下降, CO 2 进入叶片受阻致使光合作
用下降;非气孔限制是指光合器官活性的下降,包括
了叶绿素解体、叶绿体结构遭到破坏和基粒类囊体
膨胀和扭曲等。总之, 土壤水分胁迫对禾本科牧草
叶片光合作用的影响与其胁迫时间、胁迫程度都有
关系,植物的光合作用对土壤胁迫具有一定的适应
时期和适应范围,超过这种期限和范围,其光合机构
就受到不可恢复的破坏。
4 结论
水分胁迫下 6种牧草叶肉细胞叶绿体和线粒体
结构的受损程度与各牧草抗旱性强弱相对应, 即在
胁迫条件下抗旱性强的品种细胞器受伤害较轻, 抗
旱性弱的品种细胞器受伤害较重。由供试材料的细
胞超微结构和光合指标的变化情况, 可将 6种供试
材料分为抗旱性较强、中等、较弱 3个等级, 即柳枝
稷和巴哈雀稗抗旱性较强, 羊茅黑麦草和草芦抗旱
性中等,多年生黑麦草和毛花雀稗抗旱性较弱。
参考文献
[ 1] E ndres s A G, Sjoloud R D. U lt rast ructural cytology of callus
cultures of S tr ep anth us tor tu osus as affect by temperature [ J] .
Am . J . Bot . , 1976, 63( 9) : 1213-1224
[ 2] 翟中和,王喜忠,丁明孝.细胞生物学[ M ] .北京:高等教育出版
社, 2000. 207-245.
[ 3] Vain B, Pardha P, Saradhi P M. Alter nat ion in chloroplast
s t ructure and thylakoid m embr ane composion due to vivo heat
t reatm ent in rice seedlings : correlat ion w ith the funct ion chan-
ges [ J] . Plant Physiology, 2001, 158: 583- 592
[ 4] 王玉刚,阿不来提,齐曼.两狗牙根品种对干旱胁迫反应的差异
[ J] .草业学报, 2006, 15( 4) : 58-64
[ 5] 何亚丽,曹卫星,刘友良.冷季型草坪草耐热性研究综述[ J] . 草
业学报, 2000, 9( 2) : 58-63
[ 6] 王代军,温洋.温度胁迫下几种冷季型草坪草抗性机制的研究
[ J] .草业学报, 1998, 7( 1) : 75-80
[ 7] 李艳秋,尹伟伦,夏新莉.干旱胁迫下四种冷季型草坪草的生理
反应[ J] .草地学报, 2007, 15( 2) : 164-167
[ 8] 刘金荣,谢晓蓉.冷季型草坪草在河西走廊生态适应性的综合
评价[ J] .草地学报, 2004, 12( 1) : 79-82
[ 9] 卢少云,陈斯平,陈斯曼,等.暖季型草坪草脯氨酸含量和抗氧
化酶活性氧对干旱的反应[ J] .园艺学报, 2003, 30( 3) : 23-26
[ 10] 张力君,易津,贾光宏, 等. 九种禾草对干旱胁迫的生理反应
[ J] .内蒙古农业大学学报(自然科学版) , 2000, 21( 4) : 14-18
[ 11] 李德全,郭清福,张以勤.冬小麦抗旱生理特性的研究[ J] .作物
学报, 1993, 19( 2) : 125-132
[ 12] 任文伟,钱吉,郑师章.不同地理种群羊草在聚乙二醇胁迫下含
水量和脯氨酸含量的比较[ J] .生态学报, 2000, 20( 2) : 349-352
[ 13] 任丽花,黄敏敏,江枝和,等.干旱胁迫对圆叶决明叶片超微结
构的影响[ J] .中国草地学报, 2008, 30( 1) : 30-34
[ 14] 姚雅琴,汪沛洪,胡东维,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[ J ] .西北植物学报, 1993, 13( 1) : 16-
20
[ 15] 韩善华.油菜叶绿体在干旱处理过程中的超微结构变化[ J] . 作
物学报, 1991, 17( 4) : 17-23
[ 16] 于海秋,徐克章,武志海,等.土壤干旱对玉米叶片膜透性及叶
绿体超微结构的影响[ J ] .吉林农业大学学报, 2002, 24( 3) : 17-
23
[ 17] Asada K. T he w ater – w ater cycle in chloroplast s : scavengin g
of act ive ox ygen an d diss ipat ion of ex ces s p hoton s [ J ] . Annu .
Rev. Plant Ph ysiol. Plant Mol. Biol . , 1999, 50: 601-639
[ 18] 蒋明义,杨文英,徐江.渗透胁迫下水稻幼苗中叶绿体降解的活
性氧损伤作用.植物学报, 1994, 36( 4) : 289-295
[ 19] But ler R D, Sim on E W . Ul trast ru ctural aspects of senescence
in plants. In: St rehler R L. ed. Advan ces on Geron tological
Resear ch. London: Academic Pres s, 1971, 3: 73-129
[ 20] 叶宝兴,束怀瑞,李德全.聚乙烯对平邑甜茶叶片气孔器超微结
构的影响[ J] .植物生态学报, 2002, 26( 2) : 239-242
[ 21] Craw ford S A, W ildens S. U lt rast ructural aspects of dam age
to leaves of E ucalyp tus camald ulensis by th e psyllidcardiasp in
aretator [ J] . M icron. , 1996, 27: 359- 366
[ 22] 刘真琦,刘振业,马达鹏,等.水稻叶绿素含量及其与光合速率
关系的研究( M ) .作物学报, 1984, 10( 1) : 57-64
[ 23] 李树华,许兴,何军,等.水分胁迫对牛心朴子光合生理特性影
响的研究[ J] .西北植物学报, 2004, 24( 1) : 100-104
[ 24] 覃鹏,杨志稳,孔治有,等.干旱对烟草旺长期光合作用的影响
[ J] .亚热带植物科学, 2004, 33( 2) : 5-7
(责任编辑 刘敏轩 李 扬)
649