全 文 ：V o l. 29, N o. 3
pp. 432—435　M ay, 2003
作　物　学　报
A CTA A GRONOM ICA S IN ICA
第 29 卷 第 3 期
2003 年 5 月　432—435 页
豌豆根瘤侵染细胞发育中造粉体的研究Ξ
韩善华　张　红
(四川师范大学细胞生物学研究室, 四川成都　610068)
摘　要　透射电镜研究表明, 在豌豆根瘤侵染细胞发育过程中, 造粉体的形态结构处在变化之中。在发育早期, 造粉体较
多, 分布在细胞壁附近。它的基质很少, 多含有呈长梭形的、电子密度非常低的淀粉粒, 并有一些电子密度较高的条带结
构。随着细胞的发育, 造粉体逐渐移至胞间隙周围, 不断变小, 切面近似椭圆形或圆形。进一步发育时, 造粉体中的淀粉粒
越来越小, 几乎都近似椭圆形或圆形。与此相反, 造粉体基质明显增多, 常含一些嗜锇颗粒, 有时还有一种特殊的泡状结
构。在衰老细胞中, 造粉体很少, 但不含淀粉粒的质体经常可见, 在造粉体附近常有较多的线粒体和内质网。还讨论了豌
豆根瘤侵染细胞中造粉体的变化规律及其与细胞发育和固氮的关系。
关键词　豌豆根瘤; 侵染细胞; 造粉体; 淀粉粒; 动态变化
中图分类号: S521　　　文献标识码: A
Study on the Am ylopla sts dur ing the D evelopm en t in the Infected Cells of Pea
Root Nodules
HAN Shan2H ua　ZHAN G Hong
(Cell B iology L aboratory , S ichuan N orm al U niversity , Cheng d u , S ichuan 610068, Ch ina)
Abstract　O bservat ion w ith transm ission electron m icro scopy show ed that the am ylop lasts in infected cells
of pea ( P isum sa tivum cv. Zhangjiachuan) roo t nodules w ere in developm ental changes. In early develop2
m ental stage the am ylop lasts locat ing near cell w alls w ere mo re, their m atrix w as very few and there on ly
w as strom a thylako id. T he am ylop last usually po ssessed a larger, very low electron2density starch grain
w h ich m ain ly w as long shu t t le and there w ere som e h igher electron2density part it ion o r w edge structu re in
it. Companying cell developm ent the am ylop lasts gradually moved to the periphery of in tercellu lar spaces
and their starch grains changed sm aller. It w as no t on ly so, bu t mo st of them also had changed in to app rox i2
m ately ellip se and round. W hen they cont inuously developed the starch grains in am ylop lasts w ere sm aller
and sm aller, a lmo st ellip se o r round. O n the con trary, the m atrix of the am ylop lasts obviously increased in
num ber. T here often w ere som e o sm ioph ilic globu li, and som etim es there also w as a k ind of vesicu lar inclu2
sion in them. In senescan t cells the am ylop lasts w ere very few but the p last ids w ithou t starch grains w ere al2
w ays seen. T h is paper st ill discussed the ru le of am ylop last changes in the infected cells of pea roo t nodules
and its relat ion to the developm ent and nit rogen fixat ion of infected cells.
Key words　Pea roo t nodule; Infected cell; Am ylop last; Starch grain; D evelopm ent change
　　造粉体是一种特殊的质体, 含有丰富的贮藏淀
粉, 其水解后能释放出大量的能量。不少学者对此进
行了研究, 如淀粉粒的分布与地心吸引力的关系、[ 1, 2 ]
淀粉粒在胚胎发育[ 3 ]和不同季节[ 4, 5 ]中的变化、淀粉
体的形状和排列结构对作物品质的影响[ 6 ]等。
豌豆不仅能给人类提供大量的淀粉和蛋白质,
还能大量固氮。这些氮除满足自己的需要外, 还将多
余的部分排入土壤, 增加土壤的含氮量, 从而促进其Ξ基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (39370394) , 部分工作是第一作者在加拿大植物研究中心完成的。
作者简介: 韩善华 (19402) , 男, 重庆市人, 教授、硕士。
Received (收稿日期) : 2001211202, A ccep ted (接受日期) : 2002207201.

他作物的生长发育。然而, 豆科根瘤的生长与固氮需
要大量的能量, 这些能量主要来自细胞贮藏淀粉[ 7 ]。
根瘤细胞主要由非侵染和侵染两种细胞组成, 前者
体积小, 数量少, 发育中几乎无变化。后者体积大, 数
量多, 是固氮的主要场所, 是根瘤的核心部分[ 8 ] , 即
狭义的根瘤细胞。虽然对豌豆根瘤已作过不少研究,
但有关其侵染细胞中造粉体的动态变化至今未见报
道, 至于这种变化与侵染细胞发育和固氮的关系更
是空缺, 故我们在对豌豆根瘤作过许多研究[ 9～ 11 ]的
基础上, 又进行了本研究。
1　材料和方法
1. 1　试验材料
豌豆种子被放在有湿滤纸的培养皿中, 在室温
下萌发 24h, 然后种在盛有　石的花盆中。植株在温
室中生长, 温度 25±1℃, 每天光照 14h, 光强 5000
～ 10000 lx。3 天后用纯培养豌豆根瘤菌 (R. leg um i2
nosa rum ) 128C53 接种, 取接种 14、21、28 和 35、42
(天)的根瘤分别作早期、即将成熟、成熟和衰老侵染
细胞的试验材料。
112　电镜样品的制备和观察
将根瘤切成小块, 放在含有 3% 戊二醛的
0105m o löL 的磷酸缓冲液 (pH 6. 8) 中固定 3h, 接着
用同种缓冲液冲洗, 再在含有 1% 锇酸的上述缓冲
液中固定 3h。乙醇系列脱水, 环氧丙烷过渡, 而后包
埋在 Epon812 环氧树脂中。整个操作过程除聚合
外, 均在室温下进行。用玻璃刀在 R eichert OM U 2
超薄切片机上切片, 厚度为 50～ 70nm , 以醋酸双氧
铀和柠檬酸铅双染色, 最后在菲利浦透射电镜下观
察和拍照。
2　结果
211　早期侵染细胞中的造粉体
在发育早期的侵染细胞中, 根瘤菌一般是一个
根瘤菌一个细菌周膜, 周膜表面光滑[ 10 ]。此时, 细胞
中含有大量的造粉体, 它们几乎都位于细胞壁附近,
在细胞中心部分很难见到。这些造粉体一般长而不
规则, 均含有淀粉粒, 通常只有 1 个, 形状多呈长梭
形。淀粉粒的电子密度很低, 有一些电子密度较高的
条带结构位于其中, 它外周部分的电子密度较中心
部分高, 由此形成一个不规则的环形区域, 但它的电
子密度明显较条带状结构低。淀粉粒体积很大 (最大
长度可达 5000nm 左右) , 占据了造粉体的大部分体
积。造粉体中只有少量基质, 它主要分布在造粉体两
端和向外突出部分。在造粉体面向细胞中央一侧附
近有丰富的细胞质, 线粒体及内质网等 (图版 I21)。
212　即将成熟侵染细胞中的造粉体
随着细胞的发育, 根瘤菌体积不断变大, 细菌周
膜越来越不光滑, 形成一些凸起和凹陷, 有时两个相
邻细菌周膜的凸起和凹陷部分甚至相互嵌合[ 10 ]。在
这些细胞中, 造粉体一般只分布在胞间隙周围。它们
中的淀粉粒较小, 其切面有的已由长梭形变为近似
椭圆或圆形, 但环形区域仍然存在。造粉体的基质相
对较多, 主要位于造粉体的外周部分, 里面有一些电
子密度很高的圆形小颗粒。这种颗粒的数量似与淀
粉粒的大小有关, 常随淀粉粒体积减小而增多, 它们
可能是质体中常见的嗜锇颗粒。在这些造粉体的附
近不仅有线粒体, 有时也有内质网等 (图版 I22)。
213　成熟侵染细胞中的造粉体
侵染细胞发育成熟后的最大特征是细菌周膜变
大, 细菌周膜与菌体之间的电子透明区加宽。由于细
菌周膜相互融合, 故一个细菌周膜中常常有两个或
两个以上的根瘤菌[ 10 ]。这类细胞中也有造粉体, 它
们的淀粉粒有的已经消失, 有的虽未消失, 但体积变
小, 其切面为不规则的链珠形 (图版 II23) , 或近似椭
圆形或圆形。它们的电子密度基本均匀, 在它们上面
很难再观察到电子密度较高的条带结构。造粉体中
的基质大大增加, 而且电子密度较高, 一般不能从中
见到清晰的类囊体。在不含淀粉粒的质体附近虽然
也有线粒体, 但体积一般较小, 有时甚至见不到它们
(图版 I24)。
造粉体中还有一种从未报道过的非常特殊的内
含物。它呈泡状, 一般位于造粉体面向细胞中央一
方, 靠近造粉体被膜。被膜附近有丰富的细胞质和线
粒体及内质网, 有时也有大小不同的小泡。这种泡状
内含物的形状各不相同, 常随造粉体不同而异。它由
双层膜包围, 内部除有大小不同, 体积很小的小泡
外, 有时也有少量的颗粒状和纤维状物质。放大倍数
较高时, 可在该造粉体中见到类囊体, 但数量很少且
发育不良, 不仅没有基粒类囊体, 基质类囊体也很
少, 而且多呈短管状和泡状 (图版 I25)。
214　衰老侵染细胞中的造粉体
在衰老细胞中, 衰老程度不同的线粒体, 内质网
和高尔基体比比皆是, 解体后的根瘤菌完全失去原
来的形状而变为一团泡膜状结构[ 12 ]。在严重衰老的
细胞中, 造粉体很少, 经常只有一个体积很小的淀粉
粒。但基质较多, 它多位于造粉体不含淀粉粒一端
(图版 II26)。在这些细胞中, 不仅根瘤菌已经彻底瓦
334　3 期 韩善华等: 豌豆根瘤侵染细胞发育中造粉体的研究

解, 而且还出现细胞质膜不完整, 液泡膜破裂, 核糖
体消失, 细胞器肿胀乃至断裂等现象。原来结构清
晰, 排列有序的细胞结构变得杂乱无章。在解体细胞
中, 很少见到造粉体, 但不含淀粉粒的质体仍然存在
(图版 II27)。不过偶尔也有造粉体, 甚至还含有体积
很大的淀粉粒。在淀粉粒的周围有少量的基质和嗜
锇颗粒, 而且造粉体形态正常, 被膜完整 (图版 II2
8)。这种现象出现的原因目前还不十分清楚, 尚需进
一步研究。
215　一个造粉体的超微结构
为了深入了解造粉体的形态结构, 我们对一个
体积较大的造粉体进行高倍放大观察并发现, 它的
附近分布着线粒体和内质网, 前者经常紧靠造粉体
被膜, 后者的某些部分几乎与造粉体被膜贴在一起。
此外, 造粉体附近也有高尔基体, 高尔基体周围有许
多分泌小泡。在造粉体邻近区域的细胞质中, 一些电
子密度较低, 质地均匀, 表面无膜的脂质体也时有存
在。造粉体的被膜为双层膜, 但它最为引人注目的则
不是这个, 而是它含有较多的淀粉粒。淀粉粒大小不
等, 形式各不相同, 彼此靠在一起位于造粉体的中央
部分。有的淀粉粒形态不规则, 有的近似多边形、椭
圆形和圆形, 有的则呈亚铃形, 有的甚至多个淀粉粒
相互融合在一起。淀粉粒的电子密度不均匀, 外周部
分较中心部分略高, 形成一个不大规则的环形区域。
相邻淀粉粒之间的距离差异较大, 由此形成一些宽
窄不等充满造粉体基质的缝隙。某些缝隙由于太窄,
里面只有很少的造粉体基质。淀粉粒邻近缝隙部分
的电子密度常介于造粉体基质和淀粉粒之间, 类似
淀粉粒上的条带。在位于较宽缝隙或大量造粉体基
质处的淀粉粒部分通常没有上述现象。造粉体中的
类囊体非常不发达, 不仅数量很少, 而且一般只有基
质类囊体, 基粒类囊体几乎不存在。造粉体中的基质
和类囊体主要分布在被膜附近, 只有很少部分存在
于淀粉粒之间。在这种造粉体中虽也有嗜锇颗粒, 但
数量通常很少 (图版 II29)。
3　讨论
3. 1　造粉体与细胞发育的关系
随着细胞的发育, 细胞体积会逐渐变大, 细胞质
和细胞器会不断增多。与此同时, 细胞中根瘤菌的数
量也会日趋增加, 体积随之变大。为了维持细胞中的
这些正常的生理活动, 无疑需要大量的能量。我们在
研究盐豆木根瘤中A T P 酶的超微结构定位时发
现, 它的活性较高并随细胞发育的增加而增加[ 13 ]。
在此情况下, 作为细胞主要能量和碳架贮藏库的造
粉体中的贮藏淀粉, 就必然要加快水解, 从而导致淀
粉粒体积越来越小。由此可见, 豌豆根瘤侵染细胞中
贮藏淀粉的消长具有一定的规律性, 淀粉粒体积由
大而小的变化绝非偶然, 这种变化很可能与细胞发
育过程中能量需求有关。
3. 2　造粉体与固氮的关系
豆科根瘤侵染细胞与一般植物细胞不同, 其最
大区别是它含有能固氮的根瘤菌。研究表明, 共生固
氮需要大量的能量, 固定一个摩尔的氮大约需要 17
个摩尔的A T P。它的固氮活性随侵染细胞发育程度
不同而不同, 细胞发育成熟时达到顶峰, 随后又逐渐
减少, 直至完全丧失[ 7 ]。为此, 细胞必须提供充足的
能量, 这些能量普遍认为是来自细胞中的贮藏淀粉。
Ho stak 等[ 14 ]发现, 在发育早期的苜蓿根瘤中, 侵染
细胞和非侵染细胞中的贮藏淀粉的含量基本一样,
但当它们发育成熟后, 二者明显不同, 前者急剧减
少, 后者变化不大, 并认为这种差异的产生可能与两
种细胞需能不同有关。我们在研究大豆根瘤时观察
到, 在早期侵染细胞中, 质体含有大量的贮藏淀粉,
它的周围分布着不少的线粒体。有的线粒体特别大,
常常将邻近含有淀粉粒的质体部分乃至全部包围起
来, 形成一种罕见的线粒体——质体紧密联合。这种
联合随质体中淀粉粒体积减小而变得松散, 当淀粉
粒完全消失后, 这种联合也就随之解体, 我们认为这
种现象可能与细胞中能量转换有关[ 15 ]。在本研究中
虽然未观察到上述现象, 但在造粉体附近分布着许
多线粒体, 并随造粉体中贮藏淀粉的减少而减少, 确
是事实。
3. 3　淀粉粒上条带结构的形成机理
在发育早期的侵染细胞中, 体积较大的淀粉粒
上常有条带结构。在长梭形淀粉粒中多为隔状, 在椭
圆形和圆形淀粉粒内通常是楔形。它们并不长期存
在, 常随淀粉粒体积的减小逐渐消失。它们只出现在
淀粉粒相互靠得很近的部分, 而不位于淀粉粒的其
他地方 (图版 II29)。我们认为, 这种结构不是淀粉粒
本身的固有结构, 很可能与相邻淀粉粒之间宽度极
小的窄缝存在有关。这种窄缝是由淀粉积累不断增
多, 淀粉粒日趋变大, 压挤相邻两个淀粉粒之间的造
粉体基质, 使二者之间的距离缩小到一定程度所致。
相反, 由于细胞需能增加, 贮藏淀粉大量水解, 于是
淀粉粒之间的距离随之加大, 最后使相邻淀粉粒明
显分开, 故上述这类条带结构也就消失了。不过在淀
粉粒表层出现的那种电子密度较高的环形区域很可
434 　　　作　　物　　学　　报 29 卷　

能不属于此, 而是淀粉酶被染色的结果, 因为它并不
像淀粉粒上的条带结构那样具有较强的选择性, 也
不随淀粉粒变小而完全消失。Sau ter 等[ 16 ]在研究叶
绿体与气温的关系时发现, 叶绿体中淀粉粒的体积
常随气温降低而变小。他们认为, 这种现象产生的主
要原因是由于细胞需能增大, 淀粉水解加剧的结果。
他们的这种观点与我们对淀粉粒不断变小的看法完
全一致。
3. 4　造粉体中泡状内含物的成因
在成熟侵染细胞中, 造粉体中有时有一种从未
报道过的特殊内含物。这种内含物可能不是来自质
体在衰败中类囊体的肿胀, 因为由此而形成的小泡
是由单层膜包围, 而且里面很少有可见成分[ 17 ]。这
种内含物由双层膜包围, 里面不仅含有大量的小泡,
有时还有颗粒状和纤维状物质, 加之在这种内含物
的附近有大量的细胞质, 内质网和小泡。因此我们认
为, 这种内含物很可能是由于造粉体被膜内陷时卷
入少量细胞质, 乃至部分细胞器, 如小液泡、多泡体
等而成。我们在研究沙冬青的叶绿体时发现, 其被膜
可以产生内陷, 且在内陷处存在大量的细胞质和一
些细胞器[ 18 ]。至于这种内含物为什么不是位于造粉
体之外而是存在于造粉体内部, 其原因可能与切片
位置有关。
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图　版　说　明
B. 根瘤菌　　ER. 内质网　G. 高尔基体　 Is. 胞间隙　L. 脂质体　M. 线粒体　S. 淀粉粒　　V. 泡状内含物　W. 细胞壁
图版É: 1. 细胞中的根瘤菌一般都是一个细菌一个细菌周膜。大量的造粉体位于细胞壁附近。×4000　2. 细胞中有的细菌周膜表面不光滑,
甚至相互融合。造粉体只存在于胞间隙周围, 淀粉粒上有条带结构 (箭头)。×6000　3. 一个不规则的链珠状淀粉粒, 淀粉粒中无明显的带状结
构。×4000　4. 有的细菌周膜含有 1 个以上的根瘤菌。淀粉粒较小, 条带结构消失。×8000　5. 一个具有由双层膜包围 (箭头)的泡状内含物
的造粉体, 造粉体中有少量的类囊体 (三角形)。×20000
图版Ê: 6. 一个根瘤菌和细胞器已经解体的细胞, 造粉体很少。×8000　7. 一个液泡膜和质膜已经破裂的解体细胞, 它没有造粉体。×8000　
8. 一个具有造粉体的解体细胞。×10000　9. 一个由多个淀粉粒组成的造粉体, 它的基质中有少量的类囊体 (三角形)。×20000
534　3 期 韩善华等: 豌豆根瘤侵染细胞发育中造粉体的研究