模拟微重力条件下植物细胞亚显微结构的研究*
作者：刘敏 王亚林 薛淮 张纯花 李社荣 蔡伟明
单位：刘敏 王亚林 薛淮 张纯花 李社荣 中国科学院遗传研究所，北京 100101；蔡伟明 中国科学院上海植生所，上海 200000
关键词：微重力；线粒体；叶绿体；细胞壁
航天医学与医学工程990511摘要：目的 研究微重力条件对植物生长发育中细胞亚显微结构的影响。方法 通过微重力仪连续改变方向来获得模拟微重力，对模拟微重力条件下生长的植物进行了细胞学、生理学实验。结果 电镜观察表明：植物细胞在模拟微重力条件下与正常重力条件生长的相比，在细胞壁、叶绿体，线粒体等方面产生变异，细胞出现了壁质分离现象，部分细胞壁扭曲、收缩变形，部分叶绿体片层结构出现了弯曲、排列疏松，内含物溢出，部分线粒体出现了边缘模糊及嵴消失的情况，同时细胞内淀粉粒明显增多。结论 模拟微重力对植物的正常生长起到了一定协迫作用，使植物细胞发生了变异。
, 百拇医药
中图分类号：Q693 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)05-0360-04
A Study on the Ultrastructure of Plant Cell under Simulated Microgravity
LIU Min, WANG Ya-lin,XUE Huai, ZHANG Chun-hua, LI She-rong
Abstract: Objective To study the effects of microgravity on plant cell ultrastructure. Method Analyzing the biological and physiological differences between the plants grown in the simulated microgravity conditions and their correspondent ground controls. Result Various variances in cell walls, chloroplasts and mitochondria were observed with electron microscope. Those ultrastructure changes included plasmolysis, twist, contraction and deformation of cell walls, culvature and loose arrangement of chloroplast lamellae, breach of mitochondria, overflow of inclusions, disappearance of cristae, and significant increase in number of starch grains per cell. Conclusion Simulated microgravity conditions exert some coerce influence on the plant growth and the changes above-mentioned were the responses in cell level.
, 百拇医药
Key words:microgravity；mitochondria;chloroplasts;cell wall
Address reprint requests to:Liu Min.Institute of Genetics, CAS Beijing 100101,China
开展空间植物学研究是当今植物学向纵深发展的重要标志之一，植物在空间生长发育是人类征服宇宙进入太空的需要，植物可作为航天员碳水化合物和氧气的来源，而太空环境中最重要因素之一就是微重力环境[1]，因此，研究微重力条件下植物的生长发育，具有重要的意义。国际上在微重力环境中生物系统的遗传、生长发育、老化等过程的研究取得了一些进展，而国内对于这方面的研究起步比较晚，并且主要集中在动物的生理生化等过程。本文对模拟微重力条件下植物细胞的亚显微结构与正常状态下植物细胞进行了比较。
方 法
, 百拇医药
材料 马铃薯、草莓、香石竹(康乃馨)、人参果的试管苗(苗龄2个月左右)。
方法 将上述4种植物的试管苗采用一瓶分成均等的两瓶的方法，使两组中试管苗的长度、茎的粗细以及生长势均等，一组用于模拟微重力实验，另一组用于对照。模拟微重力回转仪[2，3]是按重力补偿原理研制的回转装置，水平回转按Silver理论，在角速度0.209 rad/s条件下，作用于植物的总重力为零。
回转时的培养条件(对照试管苗培养条件也与此相同)：a. 转速:2 r/min；b. 时间，192 h；c. 温度:25℃±2℃；d. 光照：1500～2000 lx。
电镜样品制备采用了常规电镜制片方法(戍二醛固定液固定、丙酮脱水、环氧树脂包理等)，染色采用了柠檬酸铅染液 。
结 果
, 百拇医药
对4种植物的细胞电镜切片观察发现，模拟微重力对细胞亚显微结构产生了影响，表现在细胞形状、叶绿体片层结构、液泡大小、线粒体外形等方面，出现了不同程度的变化。
草莓的电镜切片 对照样品中细胞之间结合规则而紧密，细胞呈近似球状的正常细胞状态。而模拟微重力条件下细胞发生了较大改变[4]，细胞壁收缩呈不规则多角形，细胞之间联结松散。对照中叶绿体呈典型的椭圆形，而在模拟微重力条件下，叶绿体随细胞壁变化发生了扭曲，外壁发生突起，细胞质中某些部位出现空泡化。
叶绿体片层结构在微重力条件下发生了明显扭曲，且疏松膨化，个别叶绿体边缘遭到了破坏[5]。与对照相比，叶绿体随细胞壁的变化发生了破坏性的变化，对照细胞与模拟微重力条件下的细胞相比，叶绿体的片层结构变化表现得更为明显，对照中叶绿体类囊体片层排列紧密，结构规则，而模拟微重力条件下叶绿体片层结构明显弯曲、疏松、膨化，并且变得模糊，显示出叶绿体受到了损伤。
, 百拇医药
香石竹的电镜切片 从图1a(对照)、图1b(模拟微重力)比较结果来看，对照细胞壁连接紧密，细胞间质少，而图1b出现了质壁分离现象[6]，细胞壁弯曲，细胞结合疏松，细胞间质多，细胞质出现了凝缩现象，图2a(对照)与图2b(模拟微重力)比较来看，图2a叶绿体片层排列整齐、规则，而2b叶绿体片层结构扭曲，分离、疏松及膨化，膜边缘不清晰。这些现象与草莓叶绿体片层结构变化相似。
(a)对照(control)
(b)微重力条件下(under microgravity)
图1 香石竹细胞
Fig.1 The Carnation cells
, 百拇医药
(a)对照(control)
(b)微重力条件下(under microgravity)
图2 香石竹叶绿体
Fig.2 The chloroplast of Carnation
另外，图3a(对照)与图3b(模拟微重力)来看，图3b的淀粉粒明显多于对照的淀粉粒数目，而且细胞壁也明显弯曲。
(a)对照(control)
, 百拇医药
(b)微重力条件下(under microgravity)
图3 香石竹细胞淀粉粒
Fig.3 The starch grain of Carnation
马铃薯的电镜切片 从马铃薯对照与模拟微重力条件的照片比较来看，马铃薯与草莓、香石竹相似，其叶绿体对照组清晰、排列紧密、整齐，而模拟微重力条件下，叶绿体片层结构分离、弯曲、层次疏松、模糊。在对照与微重力的切片观察中，看出马铃薯线粒体的变化，对照样品中线粒体光滑呈球型、结构紧凑，嵴部明显，而模拟微重力条件下线粒体表面的膜不光滑、嵴不明显、结构松散。
人参果的电镜切片 比较图4a(人参果对照)与图4b(模拟微重力)发现，在图4a中液泡大而边缘清晰，叶绿体等细胞器紧贴细胞壁，而图4b中，细胞壁强烈扭曲，细胞质、细胞器杂乱混在一起，细胞结构变形、液泡不明显，呈现损伤现象。从对照与模拟微重力条件的电镜照片比较来看，结果与上述3种植物相似，对照叶绿体片层结构清晰、排列有序，整个叶绿体边缘清晰，而模拟微重力条件下，叶绿体片层结构遭到破坏，严重扭曲，排列不规则，整个叶绿体边缘不清晰，呈不规则形状，并有物质渗出现象。
, 百拇医药
(a)对照(control)
(b)微重力条件下(under microgravity)
图4 人参果细胞
Fig.4 Ginseng fruit
比较图5a(对照)与图5b(模拟微重力)，我们观察到与马铃薯相似的现象，图5a中线粒体光滑，呈球形，嵴明显，而图5b中线粒体表面粗糙，有物质渗出现象，并无序排列在细胞中。
(a)对照(control)
, 百拇医药
(b)微重力条件下(under microgravity)
图5 人参果线粒体
Fig.5 Mitochondria of Ginseng fruit
讨 论
从上述电镜图片中我们可以看出，模拟微重力条件使植物实际上是处在不正常生长的逆境条件下，所呈现出来的细胞壁，细胞器的变化是逆境条件下植物发生的逆境变化，因为植物长期处在重力条件下已形成了一系列生长发育规律，微重力条件对植物起到了协迫作用，细胞的各个结构在这种协迫作用下呈现出不适应性，有些甚至出现了细胞迅速衰老的变化。
1、上述4种试验材料，草莓、马铃薯、香石竹、人参果的细胞在微重力条件下都出现了叶绿体片层结构扭曲、断裂、边缘模糊等现象，说明了部分叶绿体受到了破坏和损伤，同时，植物的光合作用与新陈代谢受到了一定程度的影响。
, http://www.100md.com
2、淀粉粒出现增多现象，是微重力条件下细胞出现的老化现象，淀粉粒是贮藏器官，一般是在细胞老化过程中淀粉粒逐渐增多，所以我们认为，淀粉粒增多是细胞在微重力条件下表现出不适应性呈现出衰老的一种变化。
3、线粒体边缘模糊，内含物溢出以及嵴不明显，是细胞在模拟微重力下呈现出的衰变前的现象[7]，同时，也表明线粒体受到了一定程度的损伤。
4、细胞质壁分离现象也是模拟微重力条件下出现的一种现象，质壁分离现象的出现，表明了细胞结构出现了异常，细胞器发生了易位致使细胞膜收缩变型。
5、细胞壁收缩，呈现出多角形或折皱形也是微重力条件下细胞出现的变化，我们认为这是细胞在微重力条件下不适应的一种表现，表明细胞质、细胞器都发生了收缩、移动、挤压变化。同时也说明细胞壁及细胞器在重力条件下形成了一定模式，一旦失去了重力，细胞壁及细胞内含物的排列顺序也受到干扰，呈现出无序状态。
, 百拇医药
应该指出，我们所观察到的各种亚显微结构的变化不是在所有的细胞中都同时出现的，而仅在部分细胞中或细胞的某些部位出现，在微重力条件下的上述4种植物细胞中我们都观察到了共同的变异，所以说微重力条件对植物细胞的影响又是有共同的。
该模拟微重力实验时间较短。如果时间持续延长，或微重力撤去后又将植物放置重力条件下，植物细胞又将发生什么变化，以及持续长期的微重力植物是否又会建立起适应微重力条件的新的细胞模式等问题，将是我们进一步深入探讨的问题。
*基金项目：863基金资助(863-2-7-2-13)
参考文献
[1]梅曼彤.空间生命科学进展[J].空间科学学报，1996，16(Sup):148～152
[2]吴敦肃，高小彦，陈一新.水平回转对水稻幼苗叶细胞的影响[J].植物学报，1994，36(5)：364～369
, 百拇医药
[3]蔡伟明，Markus Braun, Andreas Sievers. 轮藻假根中的平衡石在回转器水平回转时的运动[J].实验生物学报，1997,30(2):147～155
[4]岳 茗，张小铀，汪恭质等.模拟失重对培养心肌细胞形态和结构的影响[J].空间科学学报，1998,18(1):75～80
[5]李社荣，刘雅楠，刘敏等.玉米空间诱变效应及其应用的研究[J].核农学报，1998，12(5)：274～280
[6]Li Sherong, Liu Min,Wang Yonxiang et al, Influence of space conditions on photosynthetic pigment contents and chloroplasts ultrastructure of maize leaves[J].航天医学与医学工程,1998, 11(6)：396～400
[7]李社荣、刘雅楠、刘 敏等.玉米空间飞行处理细胞超微结构变异的研究[J].中国空间科学技术，1998，6(1)：63～67
收稿日期：1998-12-08, 百拇医药
单位：刘敏 王亚林 薛淮 张纯花 李社荣 中国科学院遗传研究所，北京 100101；蔡伟明 中国科学院上海植生所，上海 200000
关键词：微重力；线粒体；叶绿体；细胞壁
航天医学与医学工程990511摘要：目的 研究微重力条件对植物生长发育中细胞亚显微结构的影响。方法 通过微重力仪连续改变方向来获得模拟微重力，对模拟微重力条件下生长的植物进行了细胞学、生理学实验。结果 电镜观察表明：植物细胞在模拟微重力条件下与正常重力条件生长的相比，在细胞壁、叶绿体，线粒体等方面产生变异，细胞出现了壁质分离现象，部分细胞壁扭曲、收缩变形，部分叶绿体片层结构出现了弯曲、排列疏松，内含物溢出，部分线粒体出现了边缘模糊及嵴消失的情况，同时细胞内淀粉粒明显增多。结论 模拟微重力对植物的正常生长起到了一定协迫作用，使植物细胞发生了变异。
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中图分类号：Q693 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)05-0360-04
A Study on the Ultrastructure of Plant Cell under Simulated Microgravity
LIU Min, WANG Ya-lin,XUE Huai, ZHANG Chun-hua, LI She-rong
Abstract: Objective To study the effects of microgravity on plant cell ultrastructure. Method Analyzing the biological and physiological differences between the plants grown in the simulated microgravity conditions and their correspondent ground controls. Result Various variances in cell walls, chloroplasts and mitochondria were observed with electron microscope. Those ultrastructure changes included plasmolysis, twist, contraction and deformation of cell walls, culvature and loose arrangement of chloroplast lamellae, breach of mitochondria, overflow of inclusions, disappearance of cristae, and significant increase in number of starch grains per cell. Conclusion Simulated microgravity conditions exert some coerce influence on the plant growth and the changes above-mentioned were the responses in cell level.
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Key words:microgravity；mitochondria;chloroplasts;cell wall
Address reprint requests to:Liu Min.Institute of Genetics, CAS Beijing 100101,China
开展空间植物学研究是当今植物学向纵深发展的重要标志之一，植物在空间生长发育是人类征服宇宙进入太空的需要，植物可作为航天员碳水化合物和氧气的来源，而太空环境中最重要因素之一就是微重力环境[1]，因此，研究微重力条件下植物的生长发育，具有重要的意义。国际上在微重力环境中生物系统的遗传、生长发育、老化等过程的研究取得了一些进展，而国内对于这方面的研究起步比较晚，并且主要集中在动物的生理生化等过程。本文对模拟微重力条件下植物细胞的亚显微结构与正常状态下植物细胞进行了比较。
方 法
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材料 马铃薯、草莓、香石竹(康乃馨)、人参果的试管苗(苗龄2个月左右)。
方法 将上述4种植物的试管苗采用一瓶分成均等的两瓶的方法，使两组中试管苗的长度、茎的粗细以及生长势均等，一组用于模拟微重力实验，另一组用于对照。模拟微重力回转仪[2，3]是按重力补偿原理研制的回转装置，水平回转按Silver理论，在角速度0.209 rad/s条件下，作用于植物的总重力为零。
回转时的培养条件(对照试管苗培养条件也与此相同)：a. 转速:2 r/min；b. 时间，192 h；c. 温度:25℃±2℃；d. 光照：1500～2000 lx。
电镜样品制备采用了常规电镜制片方法(戍二醛固定液固定、丙酮脱水、环氧树脂包理等)，染色采用了柠檬酸铅染液 。
结 果
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对4种植物的细胞电镜切片观察发现，模拟微重力对细胞亚显微结构产生了影响，表现在细胞形状、叶绿体片层结构、液泡大小、线粒体外形等方面，出现了不同程度的变化。
草莓的电镜切片 对照样品中细胞之间结合规则而紧密，细胞呈近似球状的正常细胞状态。而模拟微重力条件下细胞发生了较大改变[4]，细胞壁收缩呈不规则多角形，细胞之间联结松散。对照中叶绿体呈典型的椭圆形，而在模拟微重力条件下，叶绿体随细胞壁变化发生了扭曲，外壁发生突起，细胞质中某些部位出现空泡化。
叶绿体片层结构在微重力条件下发生了明显扭曲，且疏松膨化，个别叶绿体边缘遭到了破坏[5]。与对照相比，叶绿体随细胞壁的变化发生了破坏性的变化，对照细胞与模拟微重力条件下的细胞相比，叶绿体的片层结构变化表现得更为明显，对照中叶绿体类囊体片层排列紧密，结构规则，而模拟微重力条件下叶绿体片层结构明显弯曲、疏松、膨化，并且变得模糊，显示出叶绿体受到了损伤。
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香石竹的电镜切片 从图1a(对照)、图1b(模拟微重力)比较结果来看，对照细胞壁连接紧密，细胞间质少，而图1b出现了质壁分离现象[6]，细胞壁弯曲，细胞结合疏松，细胞间质多，细胞质出现了凝缩现象，图2a(对照)与图2b(模拟微重力)比较来看，图2a叶绿体片层排列整齐、规则，而2b叶绿体片层结构扭曲，分离、疏松及膨化，膜边缘不清晰。这些现象与草莓叶绿体片层结构变化相似。
(a)对照(control)
(b)微重力条件下(under microgravity)
图1 香石竹细胞
Fig.1 The Carnation cells
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(a)对照(control)
(b)微重力条件下(under microgravity)
图2 香石竹叶绿体
Fig.2 The chloroplast of Carnation
另外，图3a(对照)与图3b(模拟微重力)来看，图3b的淀粉粒明显多于对照的淀粉粒数目，而且细胞壁也明显弯曲。
(a)对照(control)
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(b)微重力条件下(under microgravity)
图3 香石竹细胞淀粉粒
Fig.3 The starch grain of Carnation
马铃薯的电镜切片 从马铃薯对照与模拟微重力条件的照片比较来看，马铃薯与草莓、香石竹相似，其叶绿体对照组清晰、排列紧密、整齐，而模拟微重力条件下，叶绿体片层结构分离、弯曲、层次疏松、模糊。在对照与微重力的切片观察中，看出马铃薯线粒体的变化，对照样品中线粒体光滑呈球型、结构紧凑，嵴部明显，而模拟微重力条件下线粒体表面的膜不光滑、嵴不明显、结构松散。
人参果的电镜切片 比较图4a(人参果对照)与图4b(模拟微重力)发现，在图4a中液泡大而边缘清晰，叶绿体等细胞器紧贴细胞壁，而图4b中，细胞壁强烈扭曲，细胞质、细胞器杂乱混在一起，细胞结构变形、液泡不明显，呈现损伤现象。从对照与模拟微重力条件的电镜照片比较来看，结果与上述3种植物相似，对照叶绿体片层结构清晰、排列有序，整个叶绿体边缘清晰，而模拟微重力条件下，叶绿体片层结构遭到破坏，严重扭曲，排列不规则，整个叶绿体边缘不清晰，呈不规则形状，并有物质渗出现象。
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(a)对照(control)
(b)微重力条件下(under microgravity)
图4 人参果细胞
Fig.4 Ginseng fruit
比较图5a(对照)与图5b(模拟微重力)，我们观察到与马铃薯相似的现象，图5a中线粒体光滑，呈球形，嵴明显，而图5b中线粒体表面粗糙，有物质渗出现象，并无序排列在细胞中。
(a)对照(control)
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(b)微重力条件下(under microgravity)
图5 人参果线粒体
Fig.5 Mitochondria of Ginseng fruit
讨 论
从上述电镜图片中我们可以看出，模拟微重力条件使植物实际上是处在不正常生长的逆境条件下，所呈现出来的细胞壁，细胞器的变化是逆境条件下植物发生的逆境变化，因为植物长期处在重力条件下已形成了一系列生长发育规律，微重力条件对植物起到了协迫作用，细胞的各个结构在这种协迫作用下呈现出不适应性，有些甚至出现了细胞迅速衰老的变化。
1、上述4种试验材料，草莓、马铃薯、香石竹、人参果的细胞在微重力条件下都出现了叶绿体片层结构扭曲、断裂、边缘模糊等现象，说明了部分叶绿体受到了破坏和损伤，同时，植物的光合作用与新陈代谢受到了一定程度的影响。
, http://www.100md.com
2、淀粉粒出现增多现象，是微重力条件下细胞出现的老化现象，淀粉粒是贮藏器官，一般是在细胞老化过程中淀粉粒逐渐增多，所以我们认为，淀粉粒增多是细胞在微重力条件下表现出不适应性呈现出衰老的一种变化。
3、线粒体边缘模糊，内含物溢出以及嵴不明显，是细胞在模拟微重力下呈现出的衰变前的现象[7]，同时，也表明线粒体受到了一定程度的损伤。
4、细胞质壁分离现象也是模拟微重力条件下出现的一种现象，质壁分离现象的出现，表明了细胞结构出现了异常，细胞器发生了易位致使细胞膜收缩变型。
5、细胞壁收缩，呈现出多角形或折皱形也是微重力条件下细胞出现的变化，我们认为这是细胞在微重力条件下不适应的一种表现，表明细胞质、细胞器都发生了收缩、移动、挤压变化。同时也说明细胞壁及细胞器在重力条件下形成了一定模式，一旦失去了重力，细胞壁及细胞内含物的排列顺序也受到干扰，呈现出无序状态。
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应该指出，我们所观察到的各种亚显微结构的变化不是在所有的细胞中都同时出现的，而仅在部分细胞中或细胞的某些部位出现，在微重力条件下的上述4种植物细胞中我们都观察到了共同的变异，所以说微重力条件对植物细胞的影响又是有共同的。
该模拟微重力实验时间较短。如果时间持续延长，或微重力撤去后又将植物放置重力条件下，植物细胞又将发生什么变化，以及持续长期的微重力植物是否又会建立起适应微重力条件的新的细胞模式等问题，将是我们进一步深入探讨的问题。
*基金项目：863基金资助(863-2-7-2-13)
参考文献
[1]梅曼彤.空间生命科学进展[J].空间科学学报，1996，16(Sup):148～152
[2]吴敦肃，高小彦，陈一新.水平回转对水稻幼苗叶细胞的影响[J].植物学报，1994，36(5)：364～369
, 百拇医药
[3]蔡伟明，Markus Braun, Andreas Sievers. 轮藻假根中的平衡石在回转器水平回转时的运动[J].实验生物学报，1997,30(2):147～155
[4]岳 茗，张小铀，汪恭质等.模拟失重对培养心肌细胞形态和结构的影响[J].空间科学学报，1998,18(1):75～80
[5]李社荣，刘雅楠，刘敏等.玉米空间诱变效应及其应用的研究[J].核农学报，1998，12(5)：274～280
[6]Li Sherong, Liu Min,Wang Yonxiang et al, Influence of space conditions on photosynthetic pigment contents and chloroplasts ultrastructure of maize leaves[J].航天医学与医学工程,1998, 11(6)：396～400
[7]李社荣、刘雅楠、刘 敏等.玉米空间飞行处理细胞超微结构变异的研究[J].中国空间科学技术，1998，6(1)：63～67
收稿日期：1998-12-08, 百拇医药