高温胁迫对不同耐热性茄子叶肉细胞超微结构的影响

李艳艳，王俊青，李植良，孙保娟

(1.平顶山学院，河南平顶山467000;2.广东省农业科学院蔬菜研究所，广东广州510640;3.广东省蔬菜新技术研究重点实验室，广东广州510640)

茄子(Solanum melongena L.)为茄科茄属蔬菜作物，在世界各地广泛栽培。我国是世界上最大的茄子生产国，华南地区不仅是我国茄子的主要生产区，也是我国茄子的主要出口地区。广东省地处亚热带，茄子春、秋两季种植，其生长和收获正值高温季节，田间温度可达40℃以上，恶劣的天气条件成为制约茄子生长发育的重要因素。茄子生长的适宜温度为22～30℃，在温度达到35℃以上时，其生长发育的各个阶段都会表现出一定的高温伤害症状，如叶片灼伤、花器官发育不良、坐果率下降、畸形果增多等，进而导致产量和品质的下降［1－4］。高温会引起植物叶片生理代谢紊乱和细胞结构改变，对光合系统和抗氧化系统产生破坏［5］。目前，有关高温胁迫对不同耐热性茄子苗期细胞生物学方面，特别是对细胞超微结构变化的影响还鲜见报道。本研究以热敏茄子品系05－1和耐热茄子品系05－4为试验材料，通过比较不同高温胁迫时间下叶肉细胞质膜、叶绿体及线粒体结构的变化情况，旨在为从细胞学角度揭示茄子的耐热性提供一些参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究所用茄子材料是由广东省农业科学院蔬菜研究所选育的、苗期热胁迫鉴定及田间自然高温鉴定均表现为耐热的亲本自交系05－4和热敏感的亲本自交系05－1［2－3］。其中05－4为华南特色紫红长茄骨干系亲本自交系，05－1为从北方茄子类型中分离出来的自交系。

1.2 试验方法

1.2.1 植物材料的处理 各供试品种的种子经催芽后，采用穴盘育苗，待幼苗具有4～5张真叶时放入人工智能光照培养箱内培养，昼—夜温度为28℃—25℃，光—暗周期为12 h—12 h，预培养 3 d，湿度保持在70% ～80%，再进行高温(43℃)处理，光—暗周期为12 h—12 h。从茎端开始数选取处理组和对照组植株第3张真叶。将材料分为2组，1组进行高温(43℃)处理，另1组仍在原培养条件下生长作为对照，湿度保持不变。每个处理设3次重复，每个重复至少20株。

1.2.2 方法 超薄切片法参照李正理的方法［6］，分别在高温胁迫0、2、6、12 h后取材，从茎端开始数选取处理组和对照组植株第3张真叶，在其叶片中部主脉与边缘取约1 mm长×1 mm宽的小组织块，迅速固定于用磷酸缓冲液(pH值为7.2)配制的4%戊二醛中，用1%锇酸溶液进行后固定，于4℃ 固定8～12 h，用磷酸缓冲液冲洗3次，再用0.2 mol/L磷酸缓冲液(pH值为7.2)配制的1%锇酸溶液常温固定3 h，之后用磷酸缓冲液冲洗3次，用不同浓度乙醇脱水，环氧丙烷过渡，Epon812环氧树脂包埋，奥地利Reichert－Jung超薄切片机切片，醋酸双氧铀和柠檬酸铅双重染色，在日立H－600Ⅱ型透射电镜下观察和拍照。

2 结果与分析

2.1 正常生理状态下不同耐热性茄子叶片叶肉细胞超微结构

由图1－a可以看出，热敏品系05－1叶肉细胞结构正常，膜结构完整平滑、紧贴胞壁，细胞中央有大液泡，液泡周围是1薄层细胞质，细胞质内含有丰富的细胞器，叶绿体排列在细胞的周围。叶绿体呈椭圆形或或梭形，被膜清晰，类囊体片层叠垛整齐，片层结构发达，叶绿体内有小的、少量的脂质小球(图1－b、图1－c)。线粒体近圆形，多分布于2个叶绿体交界处，双层膜完整，含有丰富的峭(图1－c)。耐热品系05－4叶肉细胞结构 (图 1－d、图 1－e、图1－f)类似于05－1，但其叶绿体淀粉颗粒数量较多。

2.2 短期高温胁迫下不同耐热性茄子的叶片叶肉细胞超徽结构

经热胁迫2 h后，热敏品系叶肉细胞与对照相比部分部位发生了明显的质壁分离，质壁分离处的质膜与液泡膜处出现膜被小泡(图1－g的黑色箭头);细胞质电子密度没有对照的大;叶绿体弯曲或膨大，叶绿体被膜变得不光滑，并出现断裂(图1－h的黑色箭头)，脂质小球增多(图1－h、图1－i的白色箭头);线粒体结构完整(图1－i)。而耐热品系脂质小球增多(图1－j的白色箭头)，叶绿体弯曲或膨大，但细胞结构基本正常(图1－j、图1－k、图1－l)。

热胁迫6 h时，热敏品系叶肉细胞叶绿体继续膨大变圆，内部脂质小球增多(图1－m的白色箭头)，叶绿体被膜出现不同程度的断裂、解体，类囊片层由于叶绿体膨大而被拉长扭曲(图1－n);线粒体嵴开始变得模糊(图1－o)。耐热品系细胞也发生部分质壁分离，热胁迫降低了基质的电子密度，质膜与液泡膜处出现膜被小泡(图1－q、图1－r)，叶绿体出现弯曲或膨大。

热胁迫12 h时，热敏品系细胞收缩严重，细胞间隙扩大，细胞质中被膜小泡增多(图1－s)。由于基质大量外流，有的叶绿体内出现空洞，类囊体片层松散，结构紊乱(图1－t);线粒体嵴和内膜数量减少或双层膜模糊，并逐渐解体，有些细胞的液泡膜被破坏(图1－u)。耐热品系细胞也出现叶绿体继续膨大变圆的情况(图1－v)，叶绿体被膜出现部分断裂，类囊片层由于叶绿体膨大而被拉长，线粒体嵴开始变得模糊(图1－w、图1－x)，但细胞结构仍然完整。

3 讨论

王洪春综合分析了各种胁迫条件下植物的生理生化反应，认为质膜的生理生化和物理等特性的变化是植物抗性生理最初和最基本的反应［7］。耐热品系与热敏品系分别在热胁迫6、2 h时叶肉细胞发生质壁分离，并且质壁分离处的质膜与液泡膜处出现大量膜被小泡，这与在豇豆的组织培养细胞和小麦受到热处理时观察到液泡膜和质膜上形成的泡状物相似［8－9］，这是受到热胁迫时细胞出现的较早的结构变化，这一现象有可能作为细胞受到胁迫时的超微结构指标。推测这是脂类脱离膜而形成一些液泡化的小囊泡，从而破坏膜的结构，导致膜丧失选择透性与主动吸收的特性，使膜透性增大［10］。但是，对于小泡的形成机制有待今后的进一步研究。

叶绿体是植物细胞中对热胁迫比较敏感的细胞器。在高温胁迫下，热敏品系比耐热品系较早出现叶绿体趋于变圆并转移至细胞中间，叶绿体被膜出现不同程度的断裂、解体，类囊体片层膨胀松散。并且2个品系在热胁迫下叶绿体内都出现数量多、体积大的质体球体，这些现象与马晓娣等观察到的结果一致［9，11－13］。这是细胞遭受高温等逆境胁迫时的又一特征性变化，这与在其他逆境、黄化和衰老叶片中观察到的结果相似［14－15］。在高温胁迫下，作为一种代谢产物，质体球体的逐渐增多，预示着细胞的衰老和解体。可见，造成茄子叶片光合作用降低的一个重要原因可能就是叶片叶绿体超微结构的变化和损伤。热胁迫下2个品系叶片中叶绿体淀粉颗粒均减少甚至消失，这种现象在与豇豆(Vigna unguicula)的组织培养细胞、菜豆幼苗和番茄花期受到热处理时观察到的质体内淀粉颗粒的变化［8，13，16］一致。

此外，本试验观察到在叶肉细胞中，叶绿体对高温最敏感，叶绿体遭到破坏解体的时间早于线粒体，这与大多数研究者认为的在逆境条件下线粒体比叶绿体结构更稳定的结论相同［11，16－18］，但在小麦上也有相反的报道［7］，也许是由于小麦叶片在离体条件下受到了热胁迫。其相对稳定的线粒体结构，有利于利用贮藏同化产物进行呼吸消耗，提供能量以维系细胞最基本的生命活动，不会引起细胞迅速崩溃死亡，从而使得植物在逆境解除后得以恢复生长［18］。同时也说明，在逆境情况下，植物首先是降解自身储备的营养物质，但“能量加工厂”线粒体被破坏时，植物将无法恢复生存能力。在叶绿体中，类囊体膜在热胁迫下表现出现排列紊乱，这与关于叶绿体在高温胁迫下导致光合反应的热失活是在不耐热的类囊体膜上的观点一致［11，19］。同时，笔者观察到叶绿体被膜却比类囊体膜解体时间更早，叶绿体被膜对热胁迫更为敏感的原因有待进一步研究。热敏品系比耐热品系较早出现超微结构的变化，这也与证明了笔者前期测定耐热品系较高含量的AsA(抗坏血酸)、GSH(谷胱甘肽)和可溶性糖［20］对细胞膜的完整性和细胞正常功能的保护作用。

综合分析可知，不同耐热性品系的质膜、叶绿体及线粒体在高温胁迫过程中的超微结构变化是其耐热性差异的重要基础，可以作为茄子耐热性评价的结构指标，用于不同基因型茄子耐热资源的筛选。