全 文 ：Vol. 30 , No. 7
pp. 719 - 722 　July , 2004
作 　物 　学 　报
ACTA AGRONOMICA SINICA
第 30 卷 第 7 期
2004 年 7 月 　719～722 页
豌豆根瘤发育中侵染细胞核的超微结构变化
韩善华　顾素芳　张　红 Ξ
(四川师范大学细胞生物学研究室 ,四川成都 610066)
摘 　要 　用透射电镜研究了豌豆根瘤发育中侵染细胞核的超微结构变化。早期发育的侵染细胞核较大 ,近似圆形或椭
圆形 ,核膜开始内陷。随着细胞的发育 ,细胞核变小 ,形状趋向扁平 ,核膜内陷增加 ,逐渐出现浓的染色质。在细胞衰老
后 ,细胞核再度减小 ,核膜内陷加剧 ,浓的染色质增多。在早期的解体细胞中 ,虽然细胞质、细胞器和类菌体已经消失 ,但
细胞核仍然清晰可见 ,只是浓的染色质进一步增多 ,常常位于核膜附近和核膜上。还讨论了侵染细胞核超微结构的特征
和对细胞衰老的稳定性。
关键词 　豌豆根瘤 ;侵染细胞 ;细胞核 ;发育 ;超微结构
中图分类号 :S643. 3
Nuclear Ultrastructural Changes of Infected Cell during the Development of Pea
Root Nodules
HAN Shan2Hua ,GU Su2Fang ,ZHANG Hong
( Cell Biology Laboratory , Sichuan Normal University , Chengdu 610066 , Sichuan , China)
Abstract 　The nuclear ultrastructural changes of infected cell were studied by using transmission electron microscopy
during the development of pea root nodules. We found that the features of nucleus in morphology were changed a lot during
the development of infected cells. At the early phase of infected cell development , the nuclei were larger and approximated
round2shaped or ellipse2shaped , a number of invagination appeared on nuclear envelopes. With cell development , the nu2
clei became smaller and flat2shaped. At the same time , invagination on nuclear envelopes was increased and the condensed
chromatin in the nuclei gradually appeared. In cell senescence , the nuclei progressively became small and more invagina2
tion on their envelopes , the condensed chromatin was also increased in infected cells. In disintegrated cells , although their
cytoplasm , organelles and bacteroids were lost , there still was an intact nucleus with a clear nuclear envelope and perinu2
clear space. However , the condensed chromatin was further increased and often located near by and on nuclear envelopes.
The features of nuclear ultrastructure in infected cells and nucleus stability during infected cell senescence were discussed
also.
Key words 　Pea root nodule ; Infected cell ; Nucleus ; Development ; Ultrastructure
　　豆科根瘤能大量固氮 ,有促进作物生长、提高产
量和改善品质的作用 ,而且豆类作物还能为人类提
供大量的蛋白质和丰富的营养 ,所以豆科根瘤的研
究一直倍受世人关注。豆科根瘤主要由侵染细胞和
非侵染细胞组成 ,前者不仅是自然界中最典型的共
生细胞之一 ,而且也是根瘤中体积最大、数量最多的
细胞 ,甚至有人认为它是根瘤固氮的唯一场所[1 ] 。
不少学者在研究根瘤时除了关心它的生理生化变
化[2 ,3 ]外 ,对其侵染细胞及其细菌的形态结构也极
感兴趣[4 ,5 ] ,但对负责直接调控细胞遗传和生理生
化活动的细胞核却研究不多。虽偶尔有所提及 ,但
很不系统 ,很不深入 ,结果也不一致 ,甚至相互矛
盾[6～8 ] 。至于它在侵染细胞发育过程中超微结构有
何变化 ,具有哪些特征 ,规律是什么 ,对细胞衰老的
稳定性有怎样的影响 ,等等 ,至今仍然知之甚少。豌
豆是一种重要的豆科作物 ,其根瘤是柱状根瘤的典
型代表 ,也是研究柱状根瘤的理想材料 ,而且其固氮
活性高 ,因此我们在研究了豌豆根瘤衰老[9 ]和小麦Ξ基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (39370394) 。
作者简介 :韩善华 (1940 - ) ,男 ,重庆市人 ,教授 ,主要从事细胞结构与功能的研究。
Received (收稿日期) :2003206226 ,Accepted (接受日期) :2003212222.

类根瘤中根瘤菌对细胞核的影响[10 ]后 ,又进一步作
了这一工作。
1 　材料和方法
植物材料的准备和电镜制样照前文方法[11 ]进
行。从张家川豌豆 ( Pisum sativum L. )根上取下根瘤
并用水洗净 ,切成小块 ,用 2. 5 %戊二醛 ,pH 7. 0 的
磷酸缓冲液固定 3 h ,用缓冲溶液彻底冲洗 ,再用
1 %锇酸后固定 3 h。乙醇系列脱水 ,环氧丙烷过渡 ,
Epon812 渗透和包埋并进行聚合。在超薄切片机上
切片 ,厚度 50～70 nm ,以铀2铅双染色。最后在J EM2
100CXⅡ型透射电镜下观察和拍照。
2 　结果
豌豆根瘤侵染细胞由豌豆根瘤菌 (细菌)侵染豌
豆根部细胞形成 ,在其发育中 ,细胞核的形态结构发
生了一系列变化 ,而且有一定的规律性。在初期侵
染的幼龄细胞中 ,细菌数量较少 ,细胞结构与侵染前
基本一样 ,没有明显的变化 ,细胞质不多 ,细胞核近
似圆形 ,通常有一个体积较大的核仁 ,核周围还有一
些大小不等的液泡 (图版 Ⅰ21) 。随着细胞的发育 ,
细菌不断增多 ,线粒体和质体逐渐移至细胞的外周
部分。细胞核多位于细胞的中央 ,体积较大 ,核膜内
陷 ,染色质染色均匀或基本均匀 ,有时有小液泡位于
其中 (图版 Ⅰ22) 。观察发现 ,这些小液泡的外面除
有一层液泡膜外 ,还有层膜结构和细胞质 ,可见它并
未真正进入细胞核 ,而是位于核膜的内陷处。随着小
液泡的相互融合 ,逐渐形成较大的中央液泡 ,其中有
形物质很少。位于这些中央液泡附近的细胞核形状
逐渐变扁平 ,核内浓的染色质开始出现 (图版 Ⅰ23) 。
当细胞进一步发育时 ,核膜内陷大大增多 ,表面显得
凹凸不平 ,常有细菌和细胞质位于核膜的内陷处。不
仅如此 ,而且浓的染色质团块有增大趋势 (图版 Ⅰ24) 。
在衰老细胞中 ,最为明显的现象是中央液泡开
始破裂 ,位于液泡膜破损处的少数细菌由此进入液
泡。虽然液泡中的大多数细菌形态正常或基本正
常 ,但它们与细胞质中的细菌并不完全一样 ,其最大
区别是它们的菌体与周膜之间的电子透明区均有程
度不同的扩大 ,有的细菌周膜甚至出现破裂。位于
中央液泡附近的细胞核体积减小 ,形状变得更加扁
平。与此同时 ,核膜内陷范围变广 ,深度加大 ,部分
核膜甚至内陷至细胞核的中心区域并形成长长的凹
槽。核膜内陷处既有较多的细胞质 ,也有较多的细
菌 (图版 Ⅰ25) 。不仅如此 ,有时在部分核膜出现内
陷的同时 ,其他部分核膜却又伸向细胞质 ,形成各种
突起。有的较长 ,有的较短 ,有的较粗 ,有的较细 ,彼
此有别 ,形态各异 (图版 Ⅰ26) 。
在衰老较重的细胞中 ,液泡膜出现大量破损。
在这些破损的液泡中 ,常有各种各样衰败程度不同
的细菌 ,而且数量很多。此外 ,还有大量的纤维状和
颗粒状物质 ,它们可能是细胞质解体后的产物。此
时的细胞核体积较小 ,形态变化较大 ,常随细胞不同
而不同。在有的细胞中 ,它甚至变得又细又长 ,不像
通常那样位于中央液泡一侧 ,而是存在于含有许多
衰败细菌和解体细胞质的两大液泡之间。虽然如
此 ,它的核膜仍然完整 ,未见核质外流现象(图版Ⅰ27) 。
当衰老细胞进一步发育时便出现解体 ,解体细
胞在形态结构方面最为引人注目之处是它的液泡已
经消失 ,核糖体无影无踪 ,绝大多数细胞器不复存
在 ,昔日井井有条的细胞结构变得一片紊乱。即使
最为醒目的细菌也面目全非 ,成为大小不等、形态各
异的泡状物或复合泡状物。奇怪的是 ,在这样一些
解体细胞中 ,它的细胞核还居然存在 ,其双层核膜清
晰 ,没有发生解体 ,核膜腔也较正常 ,未出现肿胀。
然而 ,核内染色质凝聚加重 ,明显增多的浓染色质团
块常常位于核膜附近和核膜上 (图版 Ⅰ28) 。
3 　讨论
Libbenga 等[6 ]指出 ,在早期豌豆根瘤侵染细胞
中 ,它的细胞核常发生肿胀 ,而且核膜变得不规则 ,
甚至呈裂片状。然而 ,Newcomb[8 ]却发现 ,这种裂片
状的核虽然大量出现在豌豆根瘤衰老细胞中 ,但要
在衰老之前的细胞内找到它们却十分困难 ,故认为
Libbenga 等[6 ]看到的现象可能是样品固定不充分所
致。Herrera 等[12 ]观察到 ,早期大豆根瘤侵染细胞的
核较大 ,当其发育成熟后 ,体积减小 ,核膜内陷增多 ,
形状变得十分不规则。他们认为 ,细胞核的这种变
化可能是细菌增多所致。
我们的研究不支持 Newcomb[8 ] 的看法 ,而与
Libbenga 等[6 ]的结果相似 ,但不完全相同。因为我
们不仅在衰老之前的侵染细胞中见到了大量的核膜
内陷 ,而且还发现常有细胞质、液泡或类菌体 ,甚至
侵入核膜的内陷处[11 ] 。上述研究之所以出现不同
结果 ,可能与其使用材料不同有关。我们认为 ,虽然
大豆根瘤侵染细胞核的形态结构变化是细菌增多所
致 ,但豌豆根瘤并非仅限于此。因为它与前者不同 ,
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在侵染细胞发育成熟后还要重新形成中央大液泡 ,
而细胞核又总是位于中央大液泡附近 ,因此细胞核
的超微结构除与细菌增多有关外 ,无疑还要受中央
液泡发育的影响。
Kijne [7 ]发现 ,成熟的豌豆根瘤从前至后可分为
分生区、侵染区、侵染细胞区、衰老侵染细胞区和解
体区等 5 个部分。不同部分细胞的发育程度不同 ,
由前至后逐渐趋于衰老。在衰老的侵染细胞中 ,虽
然已出现内质网断裂 ,线粒体肿胀 ,细胞液泡化和细
菌解体等现象 ,但仍然能见到形态正常、结构完整的
细胞核。Werner 等[13 ]在无效大豆根瘤的研究中指
出 ,侵染细胞中细菌解体的速度各不相同 ,明显与其
在细胞中的分布位置有关 ,位于细胞核附近的细菌
最容易衰老 ,它们首先出现解体。有趣的是 ,存在于
这些解体细菌之间的细胞核的结构并未出现异常 ,
只是体积有些减小。研究表明 ,虽然豌豆根瘤侵染
细胞的细胞质、细胞器和细菌处于同一微环境 (细
胞)中 ,但它们对细胞衰老的反应却不相同 ,细胞核
最不敏感 ,其稳定性明显超过内质网、高尔基体、核
糖体、液泡、质体和线粒体等细胞器。因为在解体细
胞中除了细胞核完好外 ,其他细胞组分均已出现不
同程度的解体。我们同时还发现 ,细胞核各种衰老
症状的出现也有先后之别 ,体积减小和核膜内陷出
现较早 ,染色质凝聚其次 ,最后才出现核膜破裂、核
质外流等现象。细胞核是细胞新陈代谢活动的调控
中心 ,它的一切变化都与这一活动有关。随着根瘤
菌的侵染 ,细胞开始体积增大 ,类菌体增多和核质之
间物质交换和信息传递加快。当其发育成熟后 ,细
胞的代谢和固氮活动则逐渐减慢 ,直至完全停止。
故负责调控这些活动的侵染细胞核出现了与在之相
适应的上述变化。这种现象并非只出现在豌豆根瘤
中 ,在水稻淀粉胚乳细胞中也有类似报道[14 ] 。
早在 1990 年 ,Clarke[15 ]就提出细胞程序性死亡
(PCD)的基本形态可能有 3 种 ,即典型的细胞凋亡
型、自体吞噬型和衰退型。随着 PCD 研究的不断深
入和发展 ,越来越多的资料表明 ,PCD 确有各种不同
的类型 ,并非都遵循细胞凋亡这一种模式[16 ] 。最
近 ,Amin 等[17 ]在研究人体乳腺癌细胞的 PCD 中就
发现 ,除了细胞凋亡型之外 ,还有一种非细胞凋亡
型。他们使用分别为 DNA 和 RNA 特异性染料的甲
基绿和派罗宁对细胞染色后发现 ,二者反应截然不
同 ,前者 DNA 染色较深 ,特别是边缘染色质更是如
此。细胞核固缩 ,细胞质染色较深。后者则不然 ,细
胞核形态正常 ,无固缩现象 ,染色均匀。细胞质染色
较浅 ,内有丰富的大液泡。后用扫描电镜观察发现 ,
虽然两种类型细胞表面的微绒毛均已消失 ,但前者
表面出现泡状化 ,细胞核体积减小 ,有凋亡小体产
生。后者表面无泡状化现象 ,也未见有凋亡小球出
现。他们认为 ,后者可能相当于 Clarke 所描述的第
Ⅲ种类型 (衰退型) 。本研究结果不像典型的细胞凋
亡型 ,也不属于 Amin 所言的非细胞凋亡型。它既具
有二者的某些特征 ,但又与二者不完全相同 ,似乎居
于二者之间。产生这种差异的主要原因除了植物和
动物细胞在结构上存在重大差别外 ,可能与生物有
机体生活的环境、细胞类型和诱导细胞程序性死亡
表达的因子等也有关系。
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图 版 说 明
B. 类菌体 　D. 解体的类菌体 　N. 细胞核 　V. 液泡或中央液泡
1. 两个含有少量类菌体早期发育的侵染细胞。×2 000
2. 一个具有小液泡正在成熟的侵染细胞的核。×3 000
3. 一个在大液泡附近发育成熟的侵染细胞的核。×5 000
4. 一个有明显核膜内陷成熟的侵染细胞的核。×5 000
5. 一个衰老的侵染细胞 ,它的核膜内陷严重 ,核呈裂片状 ,液泡中有一个细菌的周膜已经破裂 (箭头) 。×5 000
6. 一个衰老的侵染细胞 , 具有核膜内陷和突起 (箭头)的核。×15 000
7. 一个严重衰老的侵染细胞 , 它的核位于两大液泡之间 ,液泡中有解体的类菌体和细胞质。×4 000
8. 一个解体细胞 ,它有一个核膜清晰 ,核膜上和核膜附近有浓的染色质的完好的细胞核。×20 000
Explanation of Plate
B : Bacteroid ; D : Disintegrated bacteroid ; N : Cell nucleus ; V : Vacuole or central vacuole.
1. Two early developmental infected cells , they contained a small quantity of bacteroids. ×2 000
2. A maturing infected cell , its nucleus with a small vacuole. ×3 000
3. A matured infected cell , its nucleus located near a large vacuole. ×5 000
4. A matured infected cell , its nucleus with apparent invagination on nuclear envelope. ×5 000
5. A senescent infected cell ,showing a lobed nucleus with severe invagination on nuclear envelope and a bacteroids with broken2peribacteroid
membrane (arrow) in a vacuole. ×5 000
6. A senescent infected cell , showing a nucleus with invagination and protrusion (arrow) on nuclear envelope. ×15 000
7. A severe senescent infected cell , showing a nucleus between two vacuoles contained many disintegrated bacteroids and cytoplasm. ×4 000
8. A disintegrated infected cell , showing an intact nucleus with clear nuclear envelope and some condensed chromatin located on and near nu2
clear envelope. ×20 000
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