張超越,楊艷鴻,薛雨欣,吳 敏,蓋立萍,李海剛,王守箐,劉 林
(臨沂大學(xué)藥學(xué)院,山東 臨沂 276005)
植物葉綠體白天進(jìn)行光合作用,光合產(chǎn)物不 能及時(shí)運(yùn)出時(shí)就轉(zhuǎn)化為淀粉,以作暫時(shí)貯藏,夜間淀粉降解,降解產(chǎn)物再以蔗糖形式轉(zhuǎn)運(yùn)出葉肉細(xì)胞,進(jìn)入維管束,裝載到韌皮部篩管,向植株其他生長(zhǎng)部位運(yùn)輸,因而白天積累淀粉是葉綠體的一個(gè)典型特征[1-5]。韭菜是栽培廣泛的葉類蔬菜作物,為了解韭菜葉的光合產(chǎn)物積累特征,本研究用組織化學(xué)和透射電子顯微技術(shù)對(duì)韭菜葉綠體進(jìn)行了分析。
試驗(yàn)于2017—2018年在臨沂大學(xué)藥用植物學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。
供試韭菜品種為“壽光馬藺韭”,購(gòu)于臨沂種子公司;供試西瓜品種為“京欣”,購(gòu)于臨沂市種子公司。
儀器:JEOL 1220電子顯微鏡,奧林巴斯光學(xué)顯微鏡,Ultracut R切片機(jī)。
藥品:Embed-812樹(shù)脂,固定劑為四氧化鋨,脂染色劑為戊二醛,電子染色劑為檸檬酸鉛和醋酸鈾。
以西瓜葉作為淀粉檢測(cè)對(duì)照,鑒定韭菜葉中的淀粉。韭菜于4月上旬育苗,6月下旬定植到大田,翌年5月取樣。西瓜于3月初播種于營(yíng)養(yǎng)缽,4月移栽于大田??紤]到葉綠體白天進(jìn)行光合作用、合成淀粉[2,4],選擇晴朗天11:00取韭菜和西瓜植株新鮮幼葉和成熟葉進(jìn)行淀粉鑒定和葉綠體超微特征分析。
1.4.1 淀粉組織化學(xué)鑒定方法
碘法[6]:樣品切成0.5 mm×0.5 mm小片,用2%戊二醛固定液(0.05 mol/L磷酸緩沖液配制,pH值 6.8)固定3 h,用1%四氧化鋨固定2 h,用碘-碘化鉀溶液染色2 h,然后脫水、樹(shù)脂包埋、切片,切片用苯胺藍(lán)復(fù)染,顯微鏡下如有淀粉則顯示藍(lán)色,同時(shí)也顯示出細(xì)胞結(jié)構(gòu)。
錫夫試劑法[7]:樣品切成0.5 mm×0.5 mm小片,用2%戊二醛固定液固定3 h,用1%四氧化鋨固定2 h,洗滌后在0.5%高碘酸(0.3%硝酸配制)中浸1 h,自來(lái)水洗5 min,錫夫試劑中3 h,用偏亞硫酸氫鈉溶液洗滌3次,每次5 min,自來(lái)水洗20 min,然后脫水、樹(shù)脂包埋、切片,厚度1.0~1.5 μm,顯微鏡下觀察,如有淀粉存在則會(huì)呈現(xiàn)為紅色顆粒。切片經(jīng)苯胺藍(lán)染色,則在顯示淀粉的同時(shí)也顯示細(xì)胞結(jié)構(gòu)。
1.4.2 透射電子顯微技術(shù)
從大田韭菜和西瓜植株上分別剪下幼葉和成熟葉的部分葉片,浸入2%戊二醛固定液,回到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)切去受損傷的邊緣,修成小于 1 mm×1 mm小塊,再放入2%戊二醛固定液,固定4 h。樣品用緩沖液洗滌3次,再用1%四氧化鋨溶液固定4 h。樣品用梯度酒精脫水,以丙酮置換酒精,包埋于Embed-812樹(shù)脂中。包埋塊用鉆石刀切片,切片厚度60 nm,用5%醋酸鈾染色20 min,再用0.1%檸檬酸鉛染色2 min,JEOL1220透射電子顯微鏡下觀察韭菜和西瓜葉肉細(xì)胞、表皮細(xì)胞和維管組織細(xì)胞中的葉綠體和淀粉。
2.1.1 組織化學(xué)鑒定結(jié)果
如表1所示,用碘-碘化鉀和錫夫試劑檢測(cè)淀粉,韭菜幼葉和成熟葉都呈陰性反應(yīng),表明不含淀粉;經(jīng)錫夫試劑和苯胺藍(lán)染色后,葉肉細(xì)胞葉綠體染色深且均勻(圖1 A),表明葉綠體內(nèi)蛋白質(zhì)豐富,但不含淀粉。同樣用碘-碘化鉀和錫夫試劑檢測(cè),西瓜幼葉和成熟葉都呈陽(yáng)性反應(yīng),顯示含有淀粉。用錫夫試劑和苯胺藍(lán)染色后,葉綠體著色不均勻,淀粉粒著色較深,葉綠體其他區(qū)域染色較淺(圖1 B)。
2.1.2 電子顯微鏡鑒定結(jié)果
電鏡下觀察,如表2所示,韭菜成熟葉和幼葉葉肉細(xì)胞中的葉綠體(圖1 C)、維管薄壁細(xì)胞中的質(zhì)體(圖1 F)和表皮細(xì)胞中的質(zhì)體(圖1 G)都沒(méi)有積累淀粉。與韭菜葉綠體形成鮮明對(duì)比,西瓜不僅幼葉和成熟葉葉肉細(xì)胞的葉綠體含有淀粉(圖1 H),而且維管薄壁細(xì)胞中的質(zhì)體(圖1 I)和表皮細(xì)胞中的質(zhì)體(圖1 J)也含有淀粉。
韭菜葉綠體呈橢球形,大小約3 μm×5 μm,含大量類囊體,類囊體構(gòu)成大量基粒,每個(gè)基粒都含有很多平行堆疊的類囊體(圖1 C—E)。在生長(zhǎng)旺盛的幼葉片內(nèi),類囊體膜電子染色較淺,比基質(zhì)著色能力弱,因此呈現(xiàn)負(fù)染色(圖1 C、D);在成熟葉片內(nèi),類囊體膜染色較深,比基質(zhì)著色能力強(qiáng)(圖1 E)。葉綠體含質(zhì)體小球(質(zhì)體內(nèi)的脂滴),小球電子染色較淺。
表1 淀粉組織化學(xué)鑒定結(jié)果
表2 淀粉的電鏡觀察結(jié)果
維管薄壁細(xì)胞以輔助光合產(chǎn)物運(yùn)輸和向韌皮部裝載為主要功能,這些細(xì)胞含有體積很小的質(zhì)體,呈棒狀,大小約0.4 μm×1.2 μm,含少量類囊體,缺少典型基粒,顯然沒(méi)有分化成葉綠體(圖1 F),屬于原質(zhì)體。以保護(hù)為功能的表皮細(xì)胞中的質(zhì)體也很小,也呈棒狀,約為0.4 μm×1.2 μm,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,沒(méi)有分化成葉綠體,仍屬于原質(zhì)體。
組織化學(xué)和電鏡技術(shù)研究結(jié)果表明,韭菜幼葉和成熟葉葉肉細(xì)胞中的葉綠體不含淀粉,以輔助光合產(chǎn)物運(yùn)輸并向韌皮部篩管裝載為主要功能的維管薄壁細(xì)胞及以保護(hù)為功能的表皮細(xì)胞中未分化成葉綠體的質(zhì)體也不積累淀粉。而用同樣方法檢測(cè),西瓜幼葉和成熟葉不僅葉肉細(xì)胞中的葉綠體含有淀粉,維管組織和表皮中沒(méi)有分化成葉綠體的質(zhì)體也含有淀粉。顯然,韭菜葉綠體沒(méi)有合成淀粉的能力,這是韭菜葉綠體的一個(gè)突出細(xì)胞生物學(xué)特征。此外,韭菜幼葉和成熟葉葉綠體的類囊體膜電子染色能力不同,幼葉類囊體膜電子染色深,成熟葉類囊體膜染色淺,這是韭菜葉綠體的另一個(gè)細(xì)胞生物學(xué)特征。
在韭菜葉中檢測(cè)不到淀粉,洋蔥和大蒜葉中也沒(méi)有檢測(cè)到淀粉[8],因此不積累淀粉可能是蔥屬植物的一個(gè)共同特征,但這一推測(cè)尚需要對(duì)更多其他蔥屬植物進(jìn)行研究。
韭菜葉表皮和維管薄壁細(xì)胞中的原質(zhì)體不積累淀粉,一個(gè)有趣的問(wèn)題是根冠細(xì)胞中的質(zhì)體是否含有淀粉。根冠細(xì)胞中的淀粉體在根對(duì)重力信號(hào)感受過(guò)程中起重要作用,是維持根向地性所不可缺少的,根冠失去淀粉,根就失去向地性[9]。如果韭菜根冠細(xì)胞中不含淀粉,那么韭菜根感受重力的機(jī)制就與其他植物不同。
圖1 韭菜與西瓜葉片顯微與超微圖片
不同發(fā)育階段類囊體膜的著色能力有顯著差異,這是由膜蛋白的多少引起的,膜蛋白越多,膜的著色能力越強(qiáng)。在葉片旺盛生長(zhǎng)階段,類囊體膜系統(tǒng)正處在快速建立階段,膜結(jié)合蛋白較少,因此膜著色能力較弱。而在成熟葉片內(nèi),類囊體膜上的光合系統(tǒng)業(yè)已建立,類囊體膜結(jié)合蛋白多,所以著色能力較強(qiáng)。膜蛋白主要是參與構(gòu)成光合作用裝置的蛋白質(zhì),如光合電子傳遞鏈、ATP合酶等。因此,類囊體膜電子染色深意味著葉綠體光合作用能力較強(qiáng),染色淺則意味著光合能力較弱。