第18卷第6期
1999年12月电 子 显 微 学 报Journal of C hinese Electron Microscopy Society V ol-18, N o. 61999-12文章编号:1000-6281(1999) 06-0590-0595
缺铁对玉米根和叶细胞超微结构的影响
洪剑明 汪洪杰 邱泽生121
(首都师范大学 1生物系, 2化学系, 北京100037)
摘 要:本文利用透射电镜(T EM ) 首次对缺铁条件下玉米幼苗根尖和叶片细胞结构进行了观察。证明叶细胞较根细胞对缺铁更为敏感, 缺铁影响叶绿体片层的垛叠, 40天时叶细胞内结构解体, 甚至整个细胞空泡化。根细胞中线粒体损伤最为严重, 其次是高尔基体, 以及细胞壁和细胞质膜。这些亚细胞结构的损伤出现顺序是与这些部位对铁的需求量密切相关的。
关键词:铁胁迫; 玉米根和叶; 超微结构
分类号:Q 945; Q336 文献标识码:A
铁是植物体内重要的微量元素, 缺铁的症状在北方种植的双子叶植物苹果、大豆、黄瓜等叶片上表现极为显著, 并造成减产和品质下降。对植物铁胁迫的研究主要集中在生理生化功能上, 有关缺铁条件下叶细胞超微结构变化的报道较少[1], 而对根细胞超微结构变化的研究则更少。由于单子叶植物根部能分泌麦根酸(m ugineic acid) 类物质, 促进铁的吸收, 使这类植物在缺铁条件下适应性机理与双子叶植物不同[2], 因此北方种植的小麦、玉米在自然条件下一般不表现出显著的缺铁症状。这些原因造成了对单子叶植物铁胁迫条件下细胞超微结构变化的研究, 及其与生理特性的联系成为空白。我们在对玉米根细胞铁胁迫条件下多项生理生化功能研究的基础上[3,4], 开展了细胞超微结构的电镜观察, 发现缺铁对玉米根和叶细胞超微结构产生严重损伤, 并对损伤产生的机理进行了探讨。
材料与方法
玉米(Zea mays L. ) 掖单12种子, 萌发过程见文献[5]。清水黑暗培养3天后, 转入Ho ag land 培养液自然光照培养。每天约8h 充足日光, 处理加不含铁的Hoagland 培养液, 培养液用国产分析纯试剂, 蒸馏水配制, 根部通气培养。定期更换培养液, 观察生长状况, 测定叶绿素含量等指标, 处理30天时分别取心叶(新叶) 和二叶(玉米苗共有三片叶) , 40天时分别取心叶和根尖制片。
1. 超薄样品的制作和观察
分别取对照和处理叶片及根尖的相应部位, 重蒸水漂洗后放入2. 5%的戊二醛中真空渗透后固定6h , 磷酸缓冲液漂洗, 1%的锇酸固定过夜。以后步骤同文献[1]。
2. 叶绿素含量的测定
按常规方法进行。取0. 1g 叶片(平行3份) , 80%丙酮研磨后过滤, 定溶至5ml , 用日产岛津UV -265测定652nm 处OD 值。
3. EDTA -Fe 还原酶活性的测定
参照Welch 等人的方法。取离体根在反应缓冲液中37℃保温30min, 取反应液在UV-265上测535nm 处O D 值。
收稿日期:1998-04-02; 修订日期:1998-12-18
:[6]3+
实验结果
1. 电镜观察结果
对照的叶片细胞中, 细胞核、叶绿体、线粒体等结构完好(图版1A) 。铁胁迫30天时心叶细胞内细胞质及细胞器很少, 叶绿体发育小, 外被不清晰, 片层系统不能垛叠形成基粒, 叶绿体内有大量的嗜锇颗粒(图版1B, 1C); 30天时二叶细胞内叶绿体外被已不存在, 原有的基粒片层处于解体中, 能观察到较多的嗜锇小滴(图版1D); 40天时心叶细胞内结构已解体, 甚至完全空泡化(图版1E 、1F ) 。对照的根尖细胞线粒体、液泡、质膜和细胞壁, 以及各种较小细胞器结构完好, 线粒体内嵴丰富(图版2A ) , 高尔基体的扁平膜囊排列整齐, 边缘清晰, 周围可见其分泌的小囊泡(图版2C) 。铁胁迫处理40天的根尖细胞线粒体内嵴(内膜) 逐渐解体, 外膜部分出现损伤和内容物外泄, 细胞质膜变薄, 细胞壁疏松, 其它小型细胞器也处在解体的过程中, 细胞质结构模糊(图版2B ) ; 高尔基体膨胀, 膜囊系统部分破坏, 内含物等堆积在周围(图版2D ) 。
2. 叶绿素含量
缺铁培养
小, 株高平均为对照的1/3～2/3,长势极弱。叶片在
处理2周后心叶出现叶脉间失绿的症状, 3周时症
状加重(图片略) , 4后周长出的心叶几乎全为黄白表1 缺铁对玉米心叶叶绿素含量的影响 Tab . 1 Eff ect of iron def iciency on contents 40天后的玉米幼苗, 植株相对较矮of chlorophyll in maize young lveaves 培养条件++Fe 2叶绿素含量(mg. g -1FW ) 7天0. 6655
0. 442014天0. 76740. 437521天0. 81050. 249430天0. 91450. 1010色。经测定处理30天时, 叶绿素含量为处理1周时
的1/4,是同期对照的1/9(表1) , 说明此时叶片细胞叶绿素的合成能力已很低。
3. EDTA -Fe 3+还原酶活性变化
3+-Fe 2+玉米根在溶液培养18天前后EDT A-Fe 还原酶活性达到最大值, 其中缺铁处理的酶活性
略高于对照, 其后开始下降, 40天时缺铁处理的酶活性显著低于对照(图1)
。
图1 缺铁对玉米根ED T A-Fe 3+还原酶活性的影响。
Effect o f ir on deficiency o n ED T A -Fe 3+reductase ac tivity in maize ro ots . Fig . 1
第6期洪剑明等:缺铁对玉米根和叶细胞超微结构的影响 593图版Ⅰ 加铁培养和缺铁培养的玉米叶细胞。
1A 加铁培养40天玉米的新叶(心叶) 细胞(bar=1μm) 。1B ～1F 缺铁培养30～40天玉米的叶细胞:1B 30天的新叶细胞(ba r=1μm ); 1C 为1B 左上角叶绿体高倍像(bar=0. 4μm) ; 1D 30天的二叶细胞中叶绿体(bar=0. 5μm) ; 1E 40天时细胞内结构已解体(bar =0. 5μm ) ; 1F 40天时已经空泡化的细胞(ba r =1μm ) 。
Plate Ⅰ T he cells o f maize lea f under iro n-suf ficient and deficient co nditions.
1A Th e cells o f new leaf of 40th day ' s maize unde r iro n-sufficient co ndition. 1B ～1F The cells of leav es during 30～40da y ' s maize under ir on -deficient co nditio n :1B The cells o f new leaf at 30th day ; 1C Hig h times imag e o f a chlo ro plast f ro m left in pho to 1B; 1D The chlo ro plast in seco nd lea f 's cell a t 30th da y; 1E Th e bro ken str uc-tures in cell a t 40th day; 1F The damag ed empty cell a t 40th da y.
n :细胞核cell nucleus ; v :液泡v acuo le ; c :叶绿体chlo ro plast ; m :线粒体mitocho ndria ;
cw :细胞壁cell w all ; g l :基粒片层g ra na lamella ; sl :间质片层stro ma lamella ;
og:嗜锇颗粒osmio philic g ra nules; od :嗜锇小滴o smio philic dro plet.
分析和讨论
成熟的植物叶片细胞内叶绿体可占到细胞质体积的40%, 铁在叶片中主要存在于叶绿体内, 缺铁首先影响叶绿素和叶绿体内片层系统的形成, 这些现象同样可以在图版1B-1C 中得到验证。首先是心叶细胞内叶绿体体积变小, 在细胞内所占比例明显小于对照(图版1A , 1B ); 其次片层形成异常, 不能垛叠成基粒, 因而脂类大量积累, 出现嗜锇颗粒(图版1C); 二叶内已垛叠的基粒由于在生长过程中严重缺铁而导致片层降解, 叶绿体同时解体, 在降解的基粒附近可形成较多的嗜锇小滴(脂类滴) , 它是由片层降解后形成的(图版1D) 。在叶绿体解体时细胞质膜和细胞壁尚完好(图片略) 。由于铁在植物体内不易移动, 因此植物缺铁的最初症状是新叶叶脉间失绿, 严重时新叶完全失绿。汪洪杰[1]曾以黄瓜叶片为材料发现在缺铁处理20天时叶绿体几乎完全空泡化, 而多数线粒体较为正常, 核和高尔基体、内质网保持完好。我们以玉米叶为材料的实验却发现铁胁迫处理20天前后虽然叶片已出现脉间失绿的症状(图片略) , 但叶和根细胞内超微结构的变化并不明显, 这可能是由于玉米籽粒较大, 其内铁的储藏量较丰富, 而亚细胞结构的损伤要在缺铁达到一定程度时才表现出来。铁胁迫20天时细胞超微结构变化不明显, 与根细胞铁还原酶类活性在18天时仍处于较高水平相吻合(图1) 。该酶与植物对Fe 的还原和铁吸收密切相关[9]3+[8], 活性受铁胁迫的诱导[2], 而当植物体内过度缺铁(40天时) , 整个细胞生命活动严重受阻时, 该酶活性也迅速下降, 此时不仅叶细胞内叶绿体已解体, 而且其它结构也发生解体, 有些细胞甚至出现空泡化(图版1E 、1F ) 。
根在铁胁迫4周后先端出现棒状膨大, 根尖有明显的红点, 侧根较多。但总体上根尖细胞超微结构的损伤出现迟于叶细胞。缺铁处理40天时多数线粒体内嵴开始解体, 局部出现空泡化(图版2B , 见箭头) 。线粒体是细胞内的动力工厂, 蛋白质占干重的近70%, 百余种酶中37%是氧化还原酶类, 含铁的细胞色素和细胞色素氧化酶、还原酶及铁硫蛋白构成了呼吸电子传递链上氧化还原反应的主要载体[10], 成为线粒体内膜上的主要酶类和结构蛋白。严重缺铁时这些蛋白降解, 合成受阻, 因而内膜系统首先解体, 并导致整个细胞新陈代谢活动的能量大大减少。高尔基体是细胞内大分子运输的主要交通枢纽, 承担着蛋白质、脂类和糖的加工和运输, 它还是细胞内糖的合成场所。铁胁迫40天时, 部分高尔基体膜囊系统出现损伤和膨大, 蛋白质和糖类等物质积累或外泄, 正常的加工和运输活动受阻, 这与图版2D 中高尔基体附近有大量颗粒状物质积累相符合。此时, 根尖细胞壁和质膜也开始发生变化, 质膜变薄, 壁物质疏松(图版2B, 箭头所示) , 这与, 。,
图版Ⅱ 加铁培养和缺铁培养40天的玉米根尖细胞。
2A 加铁培养的正常细胞(bar=0. 3μm) ; 2B 缺铁培养的细胞(示线粒体、细胞膜和细胞壁) (ba r=0. 3μm); 2C 正常的高尔基体和内质网(加铁) (ba r =0. 2μm ) ; 2D 正在膨胀和解体中的高尔基体(缺铁) (bar =0. 2μm) 。
Pla te Ⅱ T he cells of maize a t fo r tieth day unde r ir on-sufficie nt a nd deficient co nditio ns.
2A The iro n -sufficient cells ; 2B T he ir on -deficient cell ; 2C The g olgi body and ER under ir on -sufficie nt co ndition ; 2D The g olgi bo dy in sw elling a nd breaking under iro n -deficient conditio n .
m :线粒体mito ch ondria; v:液泡v acuol; pm :质膜plasma membra ne; cw :细胞壁cell wa ll;
g:高尔基体g olgi body; er :内质网endo plasmic eticulum; p :高尔基小泡g olgi v esicle;
↓↓:表示正在解体的部分(po sitio n in breaking o r emptying ) 。
2A 可见正常的高尔基体能向细胞质膜和细胞壁分泌具有一定内容物的小囊泡。
综上所述, 虽然单子叶植物与双子叶植物相比, 对铁胁迫有较好的适应性, 但在严重缺铁时, 同样会引起细胞超微结构的严重损伤, 损伤发生的顺序是叶细胞先于根尖细胞, 叶绿体片层和线粒体内嵴这些结构组成和功能上需铁量较大的细胞器首先受损, 而高尔基体, 细胞质膜和细胞壁
等的损伤发生略晚。
参
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Effect of iron deficiency on the ultrastructrue
in root and leaf cell of maize
Q IU Ze -sheng HONG Jian -ming W ANG Hong -jie
(Depar tment of B io lo gy , Capital N or mal U niv e rsity , Beijing 100037, China . )
Abstract :This paper first r epo rts the observ atio n r esults on the ultra structure of cells of mzize y oung r oo ts and
Iro n-deficiency influenced the fo r matio n o f g ranas in leav es under iro n-deficient conditio n with T EM. The r esults indica ted tha t the cells o f leav es ar e mo re sensitiv e than that of r oo ts under i ron-deficient co ndition.
chlo ro plst. The o rg anelles o f cells in the leaves was broken, ev en cavity appea red in the w hole cell. In these cells of ro o ts, the mito cho ndria str uctur e was damage , and the str uc tur e of g olgi, cell w all and pla sma membra ne w er e dest roy ed. These r esults indicated that the org anelle integrity o f cell is tightly related to their iro n nutrient.
Keywords :ir on deficiency; maize ro ot a nd leaf; ult rastr uctur e