韭菜叶传递细胞的超微特征研究

刘佳林，巩秀美，冷 鹏，刘 林*，张桂芝*

（1.临沂大学药学院，山东 临沂 276005；2.临沂市农业科学院，山东 临沂 276005）

植物体内养分从净合成部位向净利用部位的有效转运是形成生物产量的一个关键因素，传递细胞是具有极强短途运输能力的细胞，能大幅提高养分的转运效率，研究传递细胞的结构有助于作物产量的提高。传递细胞最突出的形态特征是具有壁内突，壁内突可以增加细胞表面积，从而壁增加了细胞表面转运蛋白的数量，提高跨膜运输能力[1-2]。壁内突主要由纤维素和木质素组成[3]，纤维素形成细胞壁框架，木质素填充在框架内空隙中，赋予细胞壁机械强度。壁内突的发育与六碳糖的浓度有密切关系，发育程度因植物而异[4]，六碳糖参与壁内突发育的启动[5]。传递细胞可发生于不同的器官，负责共质体与质外体间跨膜转运。被子植物胚发育时期胚柄末端细胞成为传递细胞，从胚囊内吸收养分以满足胚发育[2,6-10]；部分植物花蜜腺中产生传递细胞，为产蜜组织转运原料[11-12]；盐生植物盐腺内产生传递细胞，对盐的分泌活动具有重要意义[1,13]；有些植物叶韧皮部有传递细胞[1-2,14-18]，负责光合产物的韧皮部装载[5]。

韧皮部传递细胞壁内突发育程度与光照强度关系密切。研究表明拟南芥和豌豆叶壁内突数量在一定范围内随着光照强度的增强而增加，在这个范围内光合作用强度也随光照强度增强而增强[19-20]，表明壁内突发育与光合作用强度密切相关。然而，在韧皮部传递细胞壁形成时期，壁内突是否发生分枝，与相邻叶肉细胞和维管薄壁细胞之间是具有共质体联系还是相互隔离，细胞器发育方面有何与传递细胞功能相适应的特征，仍然需要进一步研究。经典植物生理学理论认为葱属植物韧皮部装载途径为质外体途径[21-22]，韭菜是广泛栽培的葱属蔬菜作物，葱属韧皮部具有传递细胞，而对韭菜韧皮部超微特征了解甚少，尚不清楚其传递细胞的主要特征（如发育特征、壁内突特征、胞间连丝特征等），因此，对韭菜叶韧皮部进一步观察，以明确揭示韧皮部传递细胞壁内突在形成时期、壁内突特征如是否发生分枝、细胞器发育方面有何与传递细胞功能相适应的特征、细胞壁上有无胞间连丝将该细胞与相邻细胞进行胞质连接对明确韭菜韧皮部结构及传递细胞的功能意义重大。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试韭菜（Allium tuberosum Rottler ex Sprengle）种子源自临沂市种子公司，种植于临沂大学校园内。

1.2 仪器与设备

德国徕卡超薄切片机Ultracut R，日本JEOL；透射电子显微镜，Jeol 1220。

1.3 试验方法

采用光学显微技术和超微技术对叶韧皮部进行观察。取充分伸长的成熟叶，双面刀片徒手切片，在光学显微镜下观察叶片解剖特征。

取尚未充分伸展的幼叶以及充分伸长、叶色浓绿的成熟叶，将其中部切成小块，置于2%戊二醛溶液中初固定12 h，再于1%四氧化锇溶液中后固定4 h。梯度乙醇脱水，Epon-812 环氧树脂包埋。用超薄切片机切片，半薄切片厚度1 μm，甲苯胺蓝染色，光学显微镜下观察叶肉和维管组织，纤维素为主的初生壁呈棕色，木质素的次生壁呈蓝色[23]。超薄切片厚度70 nm，醋酸双氧铀和柠檬酸铅进行电子染色[19,22]，透射电子显微镜下观察细胞壁、胞间连丝和细胞器。

2 结果与分析

2.1 韭菜叶片的显微观察

韭菜叶与多数植物不同，叶片折叠且叶缘联合，形成闭合的扁平囊状结构。叶片由外向内依次是表皮、叶肉组织、维管束和髓（图1A、B）。叶肉分化为栅栏组织和海绵组织，栅栏组织为一层细胞，排列紧密；海绵组织位于栅栏组织内部，排列疏松（图2A、B）。髓不含叶绿体，位于扁平囊的中央（图1A、B），折角部位缺少髓（图1B、2B）。

图1 韭菜叶片徒手切片Fig.1 Leaf sections cut with blades by hand

图2 韭菜叶片显微结构Fig.2 Microstructure of leek leaf

由于叶片是折叠而成的特化结构，所以能观察到两行维管束（图1B），位于远轴侧的维管束较大，近轴侧的较小（图1B、2A），总是韧皮部向着表皮，木质部向着中央（图2A）。然而叶片折角处只有一行维管束，木质部向着近轴面，韧皮部向着远轴面（图2B）。维管束表面紧密排列着一层叶肉细胞，构成维管束鞘（图2A、图2B）。

在成熟叶的韧皮部，伴胞边缘和细胞核染色深，其他区域染色浅（图2C）。伴胞的细胞核大，直径可达8 μm，位于细胞中央（图2C）。不同部位的伴胞在大小方面略有差别，位于韧皮部外围、与木质部或维管束鞘相连的伴胞体积较大，直径可达13 μm，而位于韧皮部中央的伴胞体积较小，直径只有边缘伴胞的一半左右（图2C）。

2.2 传递细胞的超微观察

电镜下观察，幼叶中伴胞具有光滑的细胞壁（图3A），成熟叶伴胞的细胞壁有大量内突（图3B），壁内突长约2 μm，伴有很多分枝，分枝末端呈絮状（图3C、图3D）。传递细胞不同位置上壁内突的发育情况有差异，与筛管相邻区域缺少壁内突，其他区域壁内突较多。具有壁内突的伴胞是传递细胞，结果表明传递细胞的发育与叶的发育密切相关，表现为叶成熟后才产生壁内突。

图3 壁内突发育Fig.3 Cell wall ingrowth development

与尚未产生壁内突的伴胞与传递细胞对比，前者不含大液泡，但含有较多小液泡，因而细胞质较稀（图3A）；后者含有较大中央液泡，位于细胞中央，细胞质分布在细胞边缘，边缘正是壁内突分布的区域（图3B），这显示了细胞质随着壁内突的发育而发生明显变化。

传递细胞含大量线粒体，这种生产能量的细胞器占据了细胞质大约一半的空间（图4A），而且每个都含有大量管状内嵴（图4A～C）。线粒体的数量和结构特征表明传递细胞能量水平很高，与其旺盛的跨膜运输能力相适应。传递细胞内含有大量游离核糖体（图4B～D）和糙面内质网（图4C），表明传递细胞是蛋白质合成代谢活跃的场所。

图4 传递细胞的细胞质Fig.4 Cytoplasm of transfer cells

2.3 传递细胞与叶肉细胞和维管薄壁细胞间的共质体系

为了解传递细胞与周围细胞之间的联系，对负责细胞间共质体连接功能的胞间连丝进行了观察。大量观察表明，传递细胞与具有光合作用功能的维管束鞘细胞之间缺少胞间连丝。维管束鞘细胞是紧密排列在维管束表面的叶肉细胞，所以传递细胞与叶肉细胞之间没有共质体连接。传递细胞与维管薄壁细胞之间的胞间连丝随着壁内突的发育而退化，其两端沉积次生壁（图5A、图5B），发生退化的胞间连丝与叶肉细胞之间正常的胞间连丝形成鲜明对比，前者在细胞壁中的部分不再具有质膜和中央的连丝小管，两端与细胞质之间有次生壁隔开，后者在细胞壁中的部分质膜和连丝小管明显，两端与细胞质直接连接，而胞间连丝两端与内质网相连（图5C、图5D）。显然，传递细胞是相对孤立的，与叶肉细胞和维管薄壁细胞之间没有共质体联系。

图5 胞间连丝Fig.5 Plasmodesmata

3 小结与讨论

3.1 壁内突发育与叶发育相关性

观察韭菜细胞得出，幼叶伴胞缺少壁内突，成熟叶伴胞才有壁内突，显然，韭菜韧皮部传递细胞的发育与叶片发育密切相关。这种相关性与细胞壁的发育规律一致，细胞壁分为中胶层、初生壁和次生壁，中胶层在细胞分裂时产生，初生壁在细胞生长即体积增大的过程中产生，次生壁在细胞成熟后产生，即在细胞停止生长或细胞体积达到最大以后产生。初生壁主要由纤维素、半纤维素和果胶质组织，次生壁主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。壁内突由纤维素和木质素组成，属于次生壁[2-3]，因此壁内突在细胞成熟后产生。

传递细胞与筛管形成复合体，是特化的伴胞；伴胞在光合产物韧皮部装载和卸载过程中发挥重要作用。在叶片作为光合产物净消耗器官时，伴胞承担光合产物韧皮部卸载功能，即成熟叶片合成的光合产物通过韧皮部长途到未成熟叶片后由伴胞负责转运出筛管，被生长中的细胞所利用。当叶片成熟变成光合产物净输出器官时，传递细胞承担光合产物韧皮部装载功能，即将光合产物转运进入筛管，长途运输到其他器官[23]。韭菜叶片成熟后，伴胞变成传递细胞，显然，壁内突的发育能够促进光合产物韧皮部装载。大量研究表明，壁内突发育开始于溶质从质外体向共质体转运开始时[1,10,24-28]。进一步研究表明，具有叶片韧皮部传递细胞的植物，在一定光照范围内，对其成熟叶增强光照，能够增强光合作用，从而使壁内突的数量和大小都明显增加[5,19]，更进一步表明壁内突发生于成熟叶，并与光合产物装载相适应。

3.2 传递细胞是能量代谢与蛋白质代谢活跃的细胞

对韭菜成熟叶传递细胞质的观察发现，传递细胞含有大量通过有氧呼吸产生能量的线粒体，并且内嵴发达。这表明韭菜传递细胞能量代谢非常活跃。线粒体越多，细胞能量代谢越活跃。考虑到传递细胞质膜上有大量从事主动运输的转运蛋白，需要从ATP 获得能量，膜转运蛋白ATP 酶活性强[29-31]，细胞含线粒体多，能量代谢活跃，生产大量ATP，为细胞从质外体向共质体内转运光合产物提供能量[32-33]。

在韭菜传递细胞中观察到结合了核糖体的糙面内质网和大量游离核糖体，显示传递细胞蛋白质合成代谢非常活跃。因此，韭菜传递细胞是能量与蛋白质代谢非常活跃的细胞。

3.3 传递细胞是相对孤立的

对韭菜传递细胞的观察还发现，传递细胞与叶肉细胞界面上缺少胞间连丝，意味着与叶肉细胞之间没有共质体联系。观察到传递细胞与维管薄壁细胞界面上有退化的胞间连丝，这意味着两种类型细胞间本来有胞间连丝，但后来随着壁内突的出现而被破坏，细胞间的共质体连接中断。显然，传递细胞是相对孤立的细胞，与装载途径上游细胞没有细胞质联系。光合产物的韧皮部装载有共质体途径和质外体途径[23]，前者是光合产物通过胞间连丝进入伴胞，后者是光合产物通过细胞膜上的转运蛋白进入伴胞。韭菜叶传递细胞与叶肉细胞和维管薄壁细胞界面上缺少胞间连丝，叶肉细胞制造的光合产物没有进入伴胞的细胞质通道，只能进入传递细胞的细胞壁中，然后通过质外体途径进入伴胞，实现韧皮部装载。显然，韭菜传递是孤立的，决定了光合产物只能通过质外体途径完成韧皮部装载，但是尚需用其他实验手段做进一步的证实。