南瓜叶片中的胞间连丝类型与分布

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）

胞间连丝是植物调节生长、发育所不可缺少的细胞器[1]。植物细胞被细胞壁包围，胞间连丝横跨细胞壁，提供了细胞间的分子交流通道，将植物体细胞的原生质体连接在一起而形成共质体，使植物体各部分在生长、发育和对环境因子响应过程中相互协调[1]。透射电镜观察胞间连丝基本结构，胞间连丝是横穿细胞壁的管道，管道由质膜围成，平均直径约50 nm；管道中央是一条由内质网特化而成、直径约10 nm 的细管，称连丝小管，连丝小管与细胞中的内质网连成一体[2-3]。胞间连丝可分为中央洞区和两末端颈区，中央洞区直径较大，末端颈区直径较小。颈区细胞壁向管道延伸，形成颈箍；有时胼胝质在颈区积累，能调节胞间连丝的通透性[3]。按照是否发生分支以及生成时期，胞间连丝可分为简单胞间连丝、分支胞间连丝和次生胞间连丝，简单胞间连丝没有分支，分支胞间连丝有一个或多个分支，次生胞间连丝是细胞成熟后才开始产生的细胞壁[3]。研究植物叶片内的胞间连丝类型和分布对植物分类和鉴定有一定意义。此外，叶片中的胞间连丝与韧皮部装载关系密切，影响植物对装载机制的选择。韧皮部装载是叶肉细胞合成的蔗糖进入韧皮部伴胞的过程，是光合产物向其他器官转移的关键步骤[4]。蔗糖进入韧皮部伴胞的途径分为共质体途径和质外体途径，前者的前提是伴胞细胞壁上有高密度胞间连丝，蔗糖经过胞间连丝进入伴胞[4-5]，后者则不需要胞间连丝，蔗糖通过蔗糖泵进入伴胞。因此，了解伴胞壁上的胞间连丝有助于了解韧皮部装载途径。

南瓜是常见的药食两用植物，而关于南瓜叶片胞间连丝的研究极少见，胞间连丝的数量和类型与光合产物的运输关系密切，光合产物运输又与南瓜产量有密切的联系，因此，采用透射电子显微技术对南瓜叶片韧皮部胞间连丝进行观察，研究结果能为南瓜育种工作提供超微水平上的参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试南瓜（Cucurbitamoschata(Duch.ex Lam.)Duch.ex Poiret）种子源自临沂市种子公司，种植于临沂大学校园内。2020年和2021年每年7月从生长良好的植株上取样。

1.2 仪器与设备

超薄切片机，LEICA ULTRACUT R，德国徕卡公司；透射电子显微镜，JEM-2100，日本电子株式会社。

1.3 方法

取充分扩展的成熟叶，将叶片切成小块，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片显微结构[6]。超薄切片厚度70 nm，醋酸双饼铀和柠檬酸铅进行电子染色[7]，透射电子显微镜下观察胞间连丝。

2 结果与分析

2.1 南瓜叶片的基本结构

如图1所示，南瓜叶片由表皮、叶肉和叶脉组成。上表皮细胞较下表皮细胞略大，叶肉分化为2 层细胞的栅栏组织和海绵组织，栅栏组织厚约80 μm，海绵组织厚约40 μm；小叶脉仅含维管束，维管束由4～5 个细胞线状排列的木质部和球形韧皮部组成，头部中央是筛管，伴胞围绕着筛管。维管束基本位于栅栏组织中。围绕维管束的叶肉细胞构成维管束鞘，与木质部相连的维管束鞘细胞是栅栏细胞，与韧皮相连的维管束鞘细胞是海绵细胞，木质部侧面的维管束鞘细胞末端与韧皮部伴胞相连。

图1 南瓜叶片横切面Fig.1 Transverse section of pumpkin leaf blade

2.2 不同界面胞间连丝的类型与分布

如图2A所示，表皮细胞（壁左侧）与叶肉细胞（壁右侧）界面上的壁厚约0.3 μm，壁上存在胞间连丝，表皮细胞侧的胞间连丝数较少，叶肉细胞侧胞间连丝较多，但叶肉细胞侧的胞间连丝都与表皮侧的胞间连丝相连，因此表皮与叶肉界面上的胞连丝为分支胞间连丝。胞间连丝末端伸出细胞壁外，壁外的部分较细（细长箭头），为胞间连丝的颈部，而壁内部分略粗（粗箭头），为胞间连丝的中央洞部。表皮细胞侧的颈部较叶肉细胞侧的颈部略粗。叶肉是进行光合作用的同化组织，叶肉细胞壁较薄，只有0.1 μm 左右，跨越细胞壁的胞间连丝相对较短，没有分支，均为简单胞间连丝（图2B）。

图2 南瓜叶片表皮细胞-叶肉细胞界面及叶肉细胞-叶肉细胞界面上的胞间连丝Fig.2 Plasmodesmata in the interfaces between epidermis and mesophyll and mesophyll and mesophyll

维管束是承担运输作用的复合组织，分为木质部和韧皮部，小叶脉的韧皮部常只含有筛管和伴胞，伴胞体积相对较大，细胞质浓，特化为中间细胞。叶肉细胞紧密地排列在维管束周围，这些叶肉细胞称为维管束鞘细胞（图3A）。伴胞与筛管界面上存在胞间连丝或孔道（图3C～D），在伴胞一侧有大量分支的胞间连丝（图3D、E），筛管一侧是孔道，大量胞间连丝汇集后与孔道相连，形成胞间连丝- 孔道复合体（图3D、E）。

图3 维管束以及伴胞与筛管界面上的胞间连丝Fig.3 Phloem and plasmodesmata in the interface between companion cells and sieve elements

在伴胞与叶肉细胞界面上有大量胞间连丝（图4），胞间连丝通常在伴胞一侧发生分支（图4B），属于分支胞间连丝。胞间连丝并不是均匀分布在细胞上，而是聚集在若干区域，区域直径为1.5～3 μm，区域内胞间连丝密度较高，可达122 个/μm2。可见胞间连丝的结构，质膜围成筒，筒中央有连丝小管（图4B、D）。胞间连丝末端可见有内质网与其相连（图4A）。

图4 伴胞与叶肉细胞界面上的胞间连丝Fig.4 Plasmodesmata in the interface between companion the companion cell and the mesophyll cell

3 讨论与结论

3.1 不同细胞界面上胞间连丝类型的差异为认识南瓜叶提供了新视角

南瓜叶片含有不同类型的细胞，不同类型细胞界面上的胞间连丝类型不同。本研究表明，南瓜叶片不同界面上有不同类型的胞间连丝，表皮细胞与叶肉细胞界面、叶肉细胞与伴胞界面以及伴胞与筛管界面上都有分支胞间连丝，以伴胞与筛管界面上的胞间连丝分支最多，其次是表皮细胞与叶肉细胞界面及叶肉细胞与伴胞界面上的胞间连丝。在叶肉与伴胞界面上，不仅有分支胞间连丝，也有简单胞间连丝。在叶肉细胞与叶肉细胞界面上，则只有简单胞间连丝。显然，胞间连丝的类型与界面的类型有关。值得注意的是，在伴胞与筛管界面上，由伴胞产生的细胞壁上才有胞间连丝，分支发生在细胞壁较靠外的位置。在筛管产生的细胞壁上，胞间连丝失去了根本性结构特征，缺少连丝小管，成为仅由质围成的孔道，并且没有分支。筛管侧胞间连丝变化成孔道的过程可能与筛管的发育有关，筛管分子产生后不久就发生细胞质退化，丢失细胞核、核糖体等细胞器[8]，这些细胞器可能参与胞间连丝结构的维持，一旦失去这些细胞器，细胞便可能失去维持胞间连丝完整结构的能力。不同植物叶片胞间连丝类型及其分布特点是否相同，还有待进一步观察。南瓜叶片内不同界面上胞间连丝发育模式不同，这一特征为从超微水平上认识南瓜叶片提供了新视角。

3.2 叶肉细胞与伴胞界面上高密度胞间连丝表明南瓜韧皮部装载涉及共质体途径

研究为认识南瓜韧皮部装载提供了超微水平上的参考。本研究结果表明，南瓜叶肉细胞与伴胞界面上胞间连丝极为丰富，不是均匀分布于细胞壁上，而是聚集在某些区域，区域内多达120 个/μm2。如此丰富的胞间连丝构成了叶肉与伴胞间巨大的共质通道系统，从而为细胞间运输提供了便利。叶肉细胞与伴胞间的运输主要是光合产物的运输，从叶肉到伴胞的光合产物运输称为韧皮部装载，是叶肉细胞生产的光合产物以及由其衍生的其他营养物质如氨基酸、糖醇等向叶外运输的起点[4-5]。蔗糖进入韧皮部的机制有三种[9]，其中两种涉及共质体途径，另一种涉及质外体途径[10-11]。涉及共质体途径的第一种机制是在叶肉细胞与伴胞之间的界面上有高密度的胞间连丝，两种细胞之间存在蔗糖浓度梯度，叶肉细胞中蔗糖浓度高，伴胞中蔗糖浓度低，这一浓度梯度是运输动力，驱动蔗糖通过胞间连丝向伴胞运输，实现蔗糖的韧皮部装载[12-13]。涉及共质体途径的另一种机制是叶肉细胞与伴胞界面上有高密度胞间连丝，蔗糖从叶肉细胞通过胞间连丝扩散进入伴胞，在伴胞内转化成水苏糖、棉籽糖等寡糖，从而维持叶肉细胞与伴胞之间蔗糖浓度梯度，寡糖进入筛管而不能返回叶肉细胞，这一机制称为多聚体陷阱[14]。涉及质外体途径的机制则不同，叶肉细胞与伴胞界面上没有或极少有胞间连丝，蔗糖通过膜转运蛋白离开叶肉细胞原生质体而进入细胞壁中的微空间，再由伴胞质膜上蔗糖泵将其泵入伴胞，蔗糖泵的工作需要质子动力势提供能量[15]。有研究表明，葫芦科植物韧皮部汁液含有高浓度棉子糖，以寡糖而不是蔗糖运输光合产物[16]，而本研究表明南瓜叶肉细胞与伴胞界面上有大量胞间连丝，综合本研究结果和文献资料表明，南瓜韧皮部装载机制为多聚体陷阱。韧皮部胞间连丝的分布密度可为南瓜育种工作提供超微水平上的参考。