全 文 ：第 19 卷 第 3 期
Vol. 19 No. 3
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2011 年 5 月
M ay. 2011
NaCl胁迫对盐生植物碱蒿超微结构的影响
范 华1 , 董宽虎2 , 侯燕平1, 方志红2
( 1. 山西农业大学电镜室, 山西 太谷 030801; 2. 山西农业大学动物科技学院, 山西 太谷 030801)
摘要:为研究盐胁迫对盐生植物碱蒿( A r temisia anethif olia)超微结构的影响,用透射电子显微镜对 NaCl胁迫下碱
蒿的叶片和茎进行了观察与研究。结果表明:未胁迫的碱蒿叶片及茎细胞中各细胞器结构完整。200 mmo l L - 1
的 NaCl胁迫, 引起碱蒿超微结构的变化,叶片中部分叶绿体结构正常,部分被破坏的叶绿体肿胀变形, 类囊体模糊
不清;线粒体数增多, 嵴减少甚至模糊;液泡中出现内含物, 叶肉细胞中出现传递细胞。碱蒿茎中叶绿体与叶片类
似,另外,茎中含有较多大的淀粉粒;线粒体数增多; 细胞质中有晶体存在;其液泡中有内含物。这些结果表明虽然
盐胁迫对植物超微结构有严重的破坏作用,但盐生植物碱蒿存在适应盐胁迫的结构特征。
关键词:盐生植物; 碱蒿; N aCl胁迫; 叶肉细胞;茎细胞;超微结构
中图分类号: Q942. 4; Q247 文献标识码: A 文章编号: 10070435( 2011) 03048205
Effect of NaCl Stress on Ultrastructure of Halophytes Artemisia anethif olia
FA N Hua1 , DON G Kuanhu2 , H OU Yanping1 , FANG Zhihong2
( 1. C enter of Elect ron Microscopy, Shanxi Agricul tu ral Un iversi ty, T aigu, Shanxi Province 030801, Chin a;
2. College of Animal Science and Veterinary Medicine, S han xi Agricultural University, Taigu, Shanxi Provin ce 030801, China)
Abstract: T he ult rastr uctures of halophytes Ar temisia anethi f olia leaf and stem w ere studied using t rans
mission electr on microscope. Results show ed that various org anelles of mesophy ll and stem maintained
morpholog ical integ rity under normal condit ion, w hile their ultrastr ucture changed under 200mmol/ L NaCl
st ress. In mesophy ll cells, one part of chloroplasts remained no rmal. The dest ro yed part of chlo roplast
sw elled and thy lako ids w er e blurred. T he numbers of m ito chondria increased but w ith crista reducing.
There w ere few vacuolar inclusions and transfer cells in leaf t issue. T he chloroplast w as similar to the mes
ophyll cells in stem cells but w ith mor e and bigger starch g rains. T he numbers of mitochondrion w ere also
increased. There w ere cry stals in cytoplasm and contents in vacuo le. T hese results indicated that salt
st ress cause severe damages to the ult rastructure of Ar temisia anethif ol ia, but halophy tes had some str uc
tural char acteristics that adapt to salt str ess.
Key words: Halophytes; A r tem isia anethif olia; NaCl str ess; M esophy ll cell s; Stem cell; Ult rastr ucture
近年来,由于草原的过度放牧、盲目开发利用,
导致草原盐渍化,严重地影响了畜牧业生产的发展。
因此,如何防止草原退化和治理退化草原就成为当
前草原科学研究中的重要课题。盐生植物是在含有
3. 3 bar(等于 70 mmo l L - 1单价盐)的生境中生长
的自然植物区系 [ 1] ,不仅可以吸收盐碱土壤中的盐
分,减少土壤蒸发,阻止盐分积累[ 2] , 而且可以增加
土壤有机质含量, 改善土壤肥力 [ 3] , 因此通过生物
手段,即利用盐生植物进行土壤改良,进一步加强对
盐渍土的治理和综合开发利用, 是治理草原退化和
植被恢复较好的途径之一。据统计,全世界盐生植
物的种类已超过 1560 种, 我国的盐生植物资源丰
富,种类达 424种,约占世界盐生植物总数的1/ 4[ 4]。
加强对盐生植物形态结构以及耐盐机理的研究, 发
掘并有效利用盐生植物资源,改善植物的生长条件,
对农业的健康、可持续发展意义重大。
碱蒿( A r tem isia anethi f ol ia )系菊科蒿属( Ar
t emisia)一年或两年生草本植物, 是一种耐盐碱性很
强的牧草,主要分布在 pH 为 9. 92~ 10. 4土壤环境
中。目前对碱蒿的研究多集中在盐胁迫下一些生理
生化指标的影响 [ 5~ 9] , 而对盐胁迫下碱蒿超微结构
的研究较少。本研究采用透射电子显微镜对盐胁迫
下碱蒿叶片及茎的超微结构进行了系统观察,为探究
盐生植物耐盐机理、充分认识和利用盐生植物、治
收稿日期: 20110222;修回日期: 20110410
基金项目: 十一五国家科技支撑计划课题( 2007BAD56B01) ( 2008BADB3B01)资助
作者简介:范华( 1970 ) ,女,山西平遥人,讲师,博士研究生,主要从事植物显微超微结构研究, Email: jeanafan@ 163. com
第 3期 范华等: NaCl胁迫对盐生植物碱蒿超微结构的影响
理退化草原提供科学依据。
1 材料与方法
1. 1 材料来源及培养
碱蒿种子为 2008年 10月采自山西省右玉县威
远镇后所堡(海拔 1 329 m, N395926. 2, E11219
19. 8)盐碱化草地的野生种, 2009年 5月在山西农
业大学动物科技学院草业科学系的日光温室中播
种。将碱蒿种子播于装有珍珠岩和蛭石( 1 1)的塑
料盆内(上口直径 25 cm、高 20 cm ) ,温室昼夜温度
为( 25 2) / ( 20 2) ,相对湿度为 60% ~ 80% ,
出苗后,用 Hoag land完全营养液浇灌培养, 每盆定
苗 35株(中间将间苗 2 次, 5 周后, 以 200 mmol
L
- 1
N aCl 溶液进行胁迫, 一周后采集碱蒿的茎和
叶,切成适当的小段备用,同时取未胁迫碱蒿茎叶作
为对照)。
1. 2 透射电镜样品制备
将样品迅速置于 3%戊二醛固定液中, 固定液
用 0. 1 mo l L - 1 , pH7. 2 磷酸盐缓冲液( PBS) 配
制,真空泵抽气使材料下沉, 然后在 0~ 4 固定 4
d。用相同的 PBS缓冲液清洗 3次,每次 15 min, 再
用 1%四氧化锇后固定 2 h, 用 PBS 缓冲液洗涤 3
次, 每次 15 m in, 之后以 30%, 50%, 70% , 80% ,
90% , 95% 乙醇逐级脱水, 每级 15 m in, 最后用
100%乙醇脱水 2 次, 每次 20 m in, EPON812 环氧
树脂浸透、包埋、聚合,莱卡 EMU C6 超薄切片机切
片、经醋酸铀 30 m in、柠檬酸铅 10 m in 双重染色, 日
本 JEM- 1 400型透射电子显微镜下进行观察。
2 结果与分析
2. 1 碱蒿叶绿体的超微结构
未胁迫下, 碱蒿叶肉细胞中叶绿体呈长梭状, 类
囊体成分含量较多, 叶绿体被膜和类囊体结构清晰,
基粒与基质片层基本与叶绿体长轴方向一致, 内含
不规则淀粉粒(图版1) ,或不含淀粉粒(图版2) ; 茎
细胞中叶绿体被膜清晰完整, 基质成分较多, 类囊体
含量较少但结构清晰,基粒与基质片层整齐一致, 内
含形状规则的大淀粉粒(图版3) ,或不含淀粉粒(图
版4)。
NaCl胁迫下,碱蒿叶片中部分细胞叶绿体形状
正常,为椭圆梭形, 多数贴壁分布(图版5) , 类囊体
腔增大,类囊体排列较整齐,但基粒片层垛叠的数目
较少且高度较低, 所含淀粉体少, 体积较小 (图版
6) ,大部分细胞叶绿体结构发生明显变化,形态膨胀
变圆,基质空间增大,内、外膜模糊不清,基粒类囊体
结构模糊, 基质类囊体消失, 几乎没有淀粉体存在
(图版7) ; 茎细胞中叶绿体膨大变形, 呈椭圆球形,
双层被膜消失,基粒片层模糊, 基质片层消失,淀粉
粒较小或未见(图版8和 9) , 个别叶绿体形状异常,
体积明显增大, 但片层结构清晰, 垛叠整齐 (图版
10)。
2. 2 碱蒿线粒体的超微结构
未胁迫下,碱蒿叶肉细胞中线粒体呈球形或椭
圆形,在细胞质中分布较少, 被膜完整, 嵴清晰(图
版11) ;茎细胞中线粒体分布也较少, 被膜清晰 (图
版12)。NaCl胁迫下, 碱蒿叶片中线粒体数量增
加,微有液泡化, 内外膜模糊, 大多数嵴模糊(图版
13) ;茎细胞中线粒体数量增加, 被膜稍模糊,嵴较清
晰(图版14)。
2. 3 碱蒿细胞核的超微结构
未胁迫下,碱蒿叶肉细胞(图版15)与茎细胞中
(图版16)细胞核明显可见, 双层核膜清晰, 内部的
染色质分布均匀。NaCl胁迫下,碱蒿叶肉细胞中细
胞核结构正常,内外双层膜清晰, 常染色质松散, 异
染色质紧密(图版17) ;茎细胞中细胞核结构与叶肉
细胞中的类似(图版18)。
2. 4 碱蒿液泡的超微结构
未胁迫下,碱蒿叶肉细胞具有一个巨大的中央
液泡,占据细胞体积 90%以上, 液泡膜完整, 内含一
些吞噬泡(图版19) ; 茎细胞中液泡膜完整, 液泡充
盈呈膨胀状态(图版20) , 液泡中有同心圆状的膜片
层结构(图版21)。NaCl胁迫下, 碱蒿叶肉细胞的
液泡中有内含物存在(图版22) ;茎细胞中液泡成分
较多,液泡中有纤维状物质和膜状内含物,其形状近
似圆形或椭圆形(图版23)。
2. 5 碱蒿细胞壁的超微结构
未胁迫下,碱蒿叶肉细胞与茎细胞中细胞壁层
次清晰(图版24和 25)。NaCl胁迫下, 碱蒿叶肉细
胞中细胞壁层次清晰(图版26) ,个别茎细胞中细胞
壁上有沉淀颗粒(图版27)。
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2. 6 其他结构
未胁迫下, 碱蒿茎细胞细胞质中有结晶体存在
(图版28)。N aCl胁迫下,叶片与茎中有传递细胞,
即细胞壁向内生长,产生分支,相互交联, 形成一种
错综复杂的迷宫状结构, 传递细胞中有许多线粒
体(图版29、30、31) ;茎细胞内也有一些结晶体结构
(图版32)。
3 讨论与结论
NaCl胁迫对碱蒿超微结构产生的影响是多方
面的,其中对于叶绿体的伤害表现最为明显。在中
高强度的 NaCl胁迫下, 叶肉细胞中部分叶绿体中
类囊体形态结构基本正常,而多数叶绿体中类囊体
膨大变形,片层结构模糊不清, 垛叠数量减少,甚至
消失,这表明叶绿体对逆境反应的不同步性,可以保
证细胞在逆境下适应生理调节和正常生理功能的同
时进行[ 10] 。盐胁迫下叶绿体超微结构的变化,是一
种胁迫破坏,引起叶绿体光合功能效率的降低, 降低
了叶绿体吸收光能的利用率,防止和减轻光氧化,从
而有利于减少和消除光能过剩的危害, 因此叶绿体
的上述变化可以被认为是对逆境适应的一种重要机
制,即通过这些改变调整叶绿体对光能的吸收量,以
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第 3期 范华等: NaCl胁迫对盐生植物碱蒿超微结构的影响
图版说明 Explanation of Plate
注: cp:叶绿体; M :线粒体; W:细胞壁; N : 细胞核; NO:核仁; V :液泡; S: 淀粉粒; S L:基质片层; G :基粒片层; PD:胞间连丝; TC: 传递细
胞; * :盐结晶体
1、2:未胁迫叶肉细胞中的叶绿体; 3、4:未胁迫茎细胞中的叶绿体; 5~ 7: NaCl 胁迫下叶肉细胞中的叶绿体; 8 ~ 10: NaCl胁迫下茎细胞中
的叶绿体; 11:未胁迫叶肉细胞中的线粒体; 12:未胁迫茎细胞中的线粒体; 13: NaC l胁迫下叶肉细胞中的线粒体; 14: NaCl 胁迫下茎细胞中的
线粒体; 15:未胁迫叶肉细胞中的细胞核; 16:未胁迫茎细胞中的细胞核; 17: NaCl 胁迫下叶肉细胞中的细胞核; 18: NaCl 胁迫下茎细胞中的细
胞核; 19:未胁迫叶肉细胞中的液泡; 20、21:未胁迫茎细胞中的液泡; 22: NaCl胁迫下叶肉细胞中的液泡; 23: NaCl胁迫下茎细胞中的液泡; 24:
未胁迫叶肉细胞中的细胞壁; 25:未胁迫茎细胞中的细胞壁; 26: NaCl胁迫下叶肉细胞中的细胞壁; 27: NaCl 胁迫下茎细胞中的细胞壁; 28: 未
胁迫茎细胞质中的晶体; 29、30: NaCl胁迫下叶肉细胞中的传递细胞; 31: NaCl胁迫下茎细胞中的传递细胞; 32: NaCl胁迫下茎细胞中的盐晶体
Note: cp: chloroplas t; M : m itochondria; W: cell w al l; N : cel l nucleu s; NO: nu cleolus; V: vacuole; S: starch grain; SL: st roma lamel la; G: gra
num lam ella; PD: plasm od esmata; TC: t ransfer cell; * : crystal of cytoplasm
1, 2: Ch loroplast s of norm al mesophyll cells ; 3, 4: C hloroplast s of normal stem cells ; 5 ~ 7: Ch loroplast s of mesophyll cells un der NaCl
st res s; 8~ 10: Chloroplast s of stem cel ls under NaCl st ress; 11: M itochondria of normal mesophyll cells ; 12: M itoch ond ria of n orm al s tem cells ;
13: M itochondria of m esoph yll cells under NaCl st ress; 14: M itochondria of s tem cells under NaCl s t ress ; 15: Cell n ucleus of normal mesophyll
cel ls; 16: Cell nucleus of norm al stem cells; 17: Cell n ucleus of m esoph yll cell s un der NaCl st res s; 18: Cell nucleus of stem cel ls u nder NaCl
st res s; 19: Vacuoles of normal mesophyl l cell s; 20, 21: Vacu oles of normal s tem cell s; 22: Vacuoles of mesophyll cells under NaCl s t ress ; 23: Vac
u oles of stem cel ls under NaCl st ress; 24: C ell w alls of normal m esoph yll cells ; 25: Cell w alls of normal stem cells ; 26: Cell w alls of mesophyll
cel ls under NaCl st ress; 27: Cell w alls of stem cell s un der NaCl st res s; 28: Crystal of cytoplasm of normal stem cel ls; 29, 30: T ran sfer cell of m es
oph yll cel ls under NaCl st ress; 31: T ran sfer cel l of stem cells un der NaCl s t ress ; 32: Crystal of cytoplasm of stem cells und er NaCl st ress
避免吸收光能过剩的危害[ 11]。碱蒿茎细胞叶绿体
情况基本类似于叶,与叶不同的是茎细胞中有个体
较大的淀粉粒存在,这可能是由于盐胁迫影响了细
胞的能量供应, 导致光合产物淀粉粒数目增加,体积
增大,结果一方面缓解能量短缺,保证细胞的正常生
命活动,另一方面提高渗透压,有利于水分的吸收和
保持,这是一种盐生环境对叶绿体的伤害,当它与正
常功能相一致时也可作为一种抗盐标志 [ 12, 13]。
线粒体对 NaCl胁迫的反应与叶绿体比较相对
稳定。在盐胁迫下, 线粒体的数量增加, 内嵴减少,
这种线粒体群体数量的增加被认为是对个体结构上
内嵴的减少和功能降低的一种补偿, 同时线粒体与
叶绿体分布上靠近, 可能更有利于二者在代谢物质
( CO 2 , H 2O和 O 2 )上的相互利用[ 14, 15]。
NaCl胁迫下细胞质中出现较大液泡,液泡内有
小泡、膜片等内含物。液泡是成熟植物细胞里最大
的细胞器,含有酸性水解酶, 具有溶酶体的性质, 同
时还具有吞噬作用。液泡的增多增大, 不仅有利于
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收集破坏了的膜系统片段以及富集 Na+ 和 Cl , 使
盐分区域化,还可以富集盐胁迫所诱导细胞器解体
释放出的蛋白酶和有毒物质, 减轻对植物细胞结构
及代谢途径的破坏作用。另外, 液泡内含物的大量
出现可能与碱蒿具有高度的抗盐性有关。
碱蒿在盐未胁迫时细胞质中有晶体状物质存
在,属于微体的一种,即过氧化物酶体, 多为颗粒状,
单层膜包被, 它在羟基乙酸酶促反应过程中起作
用[ 16]。盐胁迫时细胞质中有盐结晶体存在,为网格
状,无膜包被,这可能是由于 NaCl胁迫改变了质膜
的某种分子结构及特征, 从而引起质膜的离子和溶
质渗漏,导致盐类物质进入胞质中, 究竟是脂双层、
膜蛋白、膜脂和膜蛋白相互作用关系的改变, 还是膜
流动性的变化及质膜结构完整性的破坏, 至今还未
有定论。但是这些含晶体细胞的存在可能是植物降
低有害物质浓度的有效方式, 从而改变细胞的渗透
压,提高吸水性和持水力 [ 17]。
碱蒿叶有传递细胞存在。传递细胞不是一种新
的细胞类型, 是植物体的某些器官组织中一定部位
的细胞为适应提高跨膜的物质运输所做的细胞壁修
饰[ 18~ 20]。碱蒿属于泌盐盐生植物,叶肉细胞与茎表
皮上分布有大量的盐囊泡 [ 21] , 属于植物体表面分泌
系统的传递细胞,通过它扩增了细胞壁和质膜表面
积,增强了盐分的收集和盐分的分泌作用。在传递
细胞中含有丰富的线粒体,且线粒体内嵴很多,可为
跨膜物质运输提供更多的能量。
总之, NaCl胁迫下碱蒿细胞超微结构的变化一
方面反映了盐分的破坏作用, 即对叶绿体的被膜、类
囊体结构、线粒体被膜、嵴等的破坏作用, 但另一方
面也反映出作为一种盐生植物, 碱蒿具有抗盐结构
特性,即茎叶细胞中线粒体数量的增加、叶中传递细
胞的增加以及液泡中大量内含物的出现等。
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(责任编辑 刘云霞)
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