高浓度CO_2条件下拟南芥叶绿体结构观察

高浓度CO2条件下拟南芥叶绿体结构观察

1121*

姜明诠，徐福玲，李荣钦，孟凡娟

（1．东北林业大学生命科学学院，黑龙江哈尔滨150040；2．西藏大学农牧学院，西藏林芝860000）

摘要［目的］为今后CO2条件下植物生长发育的研究奠定基础。［方法］在高浓度和正常浓度CO2条件下，对拟南芥叶绿体超微结构和叶绿素含量等指标进行了对照研究。［结果］在高浓度CO2条件下，短期内叶绿体数量增加，体积变大，淀粉粒和脂质球增多，基粒片

叶绿素含量、相对含水量均高于对照。但是，随着时间的延长，这些促进作用均减弱甚至出现胁迫状况。［结论］高浓层和类囊体膨大，

CO，，度2在短期内会对叶绿体光合作用和植株生长总体起到促进作用但延长时间这种促进作用逐渐消失甚至有迹象会表现为抑制。作用

关键词高浓度CO2；叶绿体；超微结构中图分类号S757．2文献标识码A文章编号0517－6611（2014）13－03780－02ObservationofChloroplastStructureunderHighConcentrationCO2JIANGMing-quan，MENGFan-juanetal（CollegeofLifeScience，NortheastForestryUniversity，Harbin，Heilongjiang150040）

Abstract［Objective］TheresearchaimedtoprovidethebasisforthestudyofthedevelopmentofplantgrowthunderhighconcentrationofCO2．［Method］ThechloroplastultrastructurewasobservedandchlorophyllcontentwasdetectedinArabidopsisunderthehighandnormal

Ｒesult］Thenumbersandthevolumeofchloroplastwereincreased，thenumbersofstarchgrainsandplastoglobulusconcentrationofCO2．［

wereincreased，granalamellaandthylakoidwereswelled，andchlorophyllcontentandrelativewatercontentwereallhigherthanthenormalgroupunderhighconcentrationofCO2．Butwithtimeincreasing，allpromotingeffectswereweaken，evenastresssituationoccured．［Conclu-sion］HighconcentrationofCO2hadthepromotioneffectonthephotosynthesisandplantgrowthintheshortterm，buttheeffectdecreased，e-venshowedtheinhibitoryeffect．

KeywordsHighconcentrationofCO2；Chloroplast；Ultrastructure

拟南芥（Arabidopsisthaliana）又被称为鼠耳芥，为十字拟南芥属、一年生或二年生的细弱草本植物，与人们所花科、

熟悉的白菜、萝卜、甘蓝、花椰菜等同属一家。它无生产价值

［1－2］

1．2．21．2．3

叶绿素含量的测定。叶绿素含量采用丙酮法，利用

［8－9］

分光光度计进行测定。

叶绿体电镜样品的制备和图片的获取。分别在处理

，但拟南芥具有的诸多特点使其已成为现代生物科学

［3］

后取中部功能叶片，切成长度1．0～1．5cm、宽度约0．5cm的小块，迅速放入浓度2．5%和pH6．8的戊二醛固定液中，同时抽真空使得材料沉入固定液，在4℃下固定2h后用0．1mol/L磷酸缓冲液（pH6．8）冲洗2次，每次间隔时间为2h（470%、95%、100%的乙℃条件下进行），随后用浓度为50%、醇依次进行脱水，脱水后转移至浓度100%丙酮内，最后用Epon812包埋剂浸透包埋。利用ULTＲACUTE型超薄切片机将包埋块切成50～70nm的薄片，醋酸双氧铀－柠檬酸铅双JEM-1200EX透射电镜下观察、重染色，照相。22．1

结果与分析相对含水量

通过相应处理后，比较3组植株相对含

许多领域理想的模式物种，受到越来越多学者的重视。

［4］

目前，关于拟南芥的研究已相当深入，例如对拟南芥基因组分析较透彻，已大致确定其中69%的基因功能南芥的耐盐分子水平研究也已取得很大的成功

［5］

，对拟

。拟南芥

植的室内培养技术更加简便易行。对拟南芥研究得越透彻，物领域的诸多问题将会有更好的解决办法，而关于高浓度CO2条件下拟南芥叶绿体的超微结构变化及其变化机制的研究仍十分有限。笔者观察了在高浓度CO2条件下拟南芥以期为今后CO2条件下植物生长发育的叶绿体的超微结构，研究奠定基础。11．1

材料与方法材料选育及处理

供试拟南芥选于培育在东北林业

水量。由表1可知，叶片的饱和鲜重大小顺序为对照组＜处理4d组＜处理7d组；叶片的相对含水量大小顺序为对高浓度CO2照组＜处理7d组＜处理4d组。在试验期间，

使得拟南芥各项营养指标相对于对照组均有不同程度的提高。

表1

处理对照处理4d

处理7d

饱和鲜重g0．0380．0420．057

不同处理饱和鲜重和相对含水量

饱和鲜重标准误差0．0120．0120．006

相对含水量0．7540．8030．787

相对含水量标准误差0．1040．0130．021

大学生命科学学院温室内的拟南芥成苗。用浓度1%CO2分4、7d，每组均设3次重复。另设处理别处理拟南芥成苗0、

方法相同的对照组，分别培养在CO2培养箱和温室中。1．21．2．1

试验方法

干重、鲜重以及相对含水量的测定。选取新鲜叶片，

［6］

从叶基部剪下，测定2组叶片的干重、鲜重。每组重复3

7］。次。相对含水量的测定方法见参考文献［

国家自然科学基金（No．31160386；31170568）。

姜明诠（1991－），女，吉林白城人，硕士研究生，研究方向：植物逆境生理学。*通讯作者，副教授，博士，从事林木资源方面的研究。

04-21收稿日期2014-基金项目

作者简介

2．2叶绿素含量由表2可知，在浓度1%CO2中处理4d，

平均叶绿素含量比其他2组明显增多，而处理7d后平均叶

表2

叶绿素a

处理

平均值mg/g0．9841．0370．992

标准误差0．0280．0130．020

不同处理叶绿素含量

叶绿素b平均值mg/g0．4400．4760．450

标准误差0．0200．0110．023

绿素含量与对照组基本相同。总之，处理4d组叶绿素含量CO2的升高可能在一达最大值，此时光合作用最强。因此，定程度上促进光合作用。2．3

叶绿体电镜下观察

由图1可知，在透射电子显微镜

对照组的叶绿体排布均匀，非常整齐地单行排列在植物下，

细胞细胞壁的周围，每个细胞中叶绿体数量适中。

叶绿素总量平均值

mg/g1．4251．5131．442

标准误差0．0470．0240．

044

对照处理4d处理7d

图1

电镜下对照组叶绿体的排列图2

电镜下对照组叶绿体的整体结构图3电镜下对照组叶绿体的片层结构

3可知，由图2、对照组叶绿体形态饱满，呈长椭圆形，近梭形。叶绿体结构完整，基粒片层排列有序、清晰可见。类囊体垛叠整齐，紧密。双层平滑的被膜清晰完好。每个叶绿脂质球数量较少。体内有0～2个淀粉粒，

由图4可知，在高浓度CO2处理4d以后，叶绿体在细

胞内密度增加，但仍单行排列在植物细胞细胞壁的周围，所占细胞体积增大，叶绿体明显膨大变圆。仅有部分少量的叶6可知，绿体形态变圆且靠向细胞中央。由图5、处理4d的由正常的近梭形发育成椭圆形或近圆形。叶绿体明显增大，

叶绿体结构相对完整，对基粒片层有影响，略有膨胀，

片层结

图4电镜下处理4d

叶绿体的排列图5电镜下处理4d

叶绿体的整体结构图6电镜下处理4d叶绿体的片层结构

构稍有变长，部分有断裂现象，但仍较整齐排列。淀粉粒少量增加，脂质球数量变化不明显，有部分体积变大，叶绿体被膜略但膜结构仍完整。有膨散，

由图7可知，在高浓度CO2处理7d以后，叶绿体在细胞内的密度较处理4d仍有增加，单行排列在植物细胞细胞部分叶绿体自身结构与细胞质之间界限模糊，轮壁的周围，

廓不太清晰。有部分的近圆形叶绿体也靠向细胞中央。由9可知，处理7d的叶绿体进一步呈椭圆形或近圆形的图8、

膨大形状。基粒片层结构已肿胀、变形、排列松散，有些甚至混乱。片层结构变长、变细，明显有断裂现象，排列不扭曲、

整齐。淀粉粒数量明显增加，而且淀粉粒变长、变大，脂质球

有一部分体积变大。叶绿体被膜结构有膨数量稍有增加，

散，程度较处理4d严重。3结论与讨论

研究表明，处理4d叶片叶绿体数量增加，叶绿体形状内含物淀粉粒增多、增大。基粒片层结构有变均出现膨大，长、松散的轻微现象，类囊体有垛叠膨散的轻微现象。处理7d的叶片中叶绿体基粒片层结构出现扭曲，松散，基本解体，布满整个叶绿体的损害现象，类囊体的垛叠膨散现象严重。叶绿素含量相比于处理4d基本下降。高浓度CO2在短期内会对叶绿体光合作用和植株生长总体起到促进作用，但延长时间后这种促进作用逐渐消失甚至有迹象会表现为抑制

（下转第3790页）

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檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪

（上接第3781页）

作用。具体的深层次高浓度CO2与拟南芥叶绿体的作用机

制还有待研究

。

图7电镜下处理7d

叶绿体的结构图8电镜下处理7d

叶绿体的整体结构图9电镜下处理7d叶绿体的片层结构

研究还表明，高浓度CO2条件下试验组与对照组叶片的干重、鲜重和干鲜比均随处理时间的延长而呈现增加趋势，但增加幅度存在明显的差异，叶片相对含水量随处理时间的延长而呈现先增长再下降的趋势，叶绿素a含量、叶绿素b含量以及叶绿素总量在试验中呈现不同的变化趋势。CO2浓度的升高能增加植物光合色素含量，降低叶绿素a与叶绿CO2浓度的升高并不利于植素b的比值。但也有研究认为，

物光合色素的合成。该试验的研究结果与庄明浩等

［10］

对毛

竹叶片的研究结果类似。电镜图片表明，高浓度CO2处理拟南芥在短期内会出现叶绿体的形状变大、内含物增多、片层类囊体结构、膜结结构增长等一系列促进作用和基粒片层、

［11］

构出现松散等现象。这与惠俊爱等对丹尼斯凤梨叶片的

研究结果相似。随着处理时间的延长，叶绿体出现脂质球增基粒片层和类囊体垛叠结构出现扭曲，松散几乎填满整多，

个叶绿体，说明此时叶绿体整体的光合性能开始出现破坏。这与Thomas等参考文献

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［12］

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11（1）：6－11．

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