大豆超微結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展及展望

霍曉明 王永力

（1黑龍江墾豐種業(yè)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090 2、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150031）

電子顯微鏡極高的分辨率和直觀性是任何其它實(shí)驗(yàn)技術(shù)不可替代的，如新型掃描隧道顯微鏡分辨率橫向可達(dá)0.1-0.2nm，縱向達(dá)0.001nm，可直接觀察生物大分子，如DNA、RNA和蛋白質(zhì)的原子布陣，和某些生物結(jié)構(gòu)，如細(xì)胞膜、細(xì)胞壁等的原子排列。目前，電子顯微鏡技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到大豆研究的各個(gè)方面，如大豆生長發(fā)育機(jī)理的研究、大豆抗病機(jī)制的研究、不良環(huán)境對大豆影響的研究以及大豆遺傳進(jìn)化和分類等方面的研究。

1 大豆超微結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

1.1 大豆子葉超微結(jié)構(gòu)的研究

子葉是大豆重要的貯存器官，為種子萌發(fā)提供能量和營養(yǎng)物質(zhì)，對大豆種子萌發(fā)和成苗起決定性作用。子葉出土后轉(zhuǎn)為同化器官，具有光合作用功能，為幼苗早期生長發(fā)育提供部分營養(yǎng)物質(zhì)，以補(bǔ)充因蛋白質(zhì)被消化而帶來的營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏[1]。種子萌發(fā)經(jīng)歷了從異養(yǎng)到自養(yǎng)的復(fù)雜的生理代謝變化。因此，一直以來人們對大豆生長發(fā)育機(jī)理的研究大多集中于子葉萌發(fā)這一關(guān)鍵時(shí)期。前人已經(jīng)對大豆子葉細(xì)胞的形成發(fā)育、物質(zhì)變化進(jìn)行了比較詳盡的報(bào)道[2]，子葉萌發(fā)時(shí)蛋白體降解過程完全是其形成積累途徑的逆轉(zhuǎn)[3]。應(yīng)用電鏡酶細(xì)胞化學(xué)方法可觀察到大豆子葉蛋白體有內(nèi)部均勻消化、內(nèi)部非均勻消化和邊緣消化三種方式，而且每種消化方式與子葉蛋白體內(nèi)酸性磷酸酶活性分布具有一致性。酸性磷酸酶是大豆蛋白體中一種酸性水解酶，參與種子萌發(fā)和幼苗早期生長過程中的磷代謝，隨著萌發(fā)進(jìn)程，其活性顯著增加。子葉蛋白體中，酸性磷酸酶分布呈現(xiàn)均勻、成簇和邊緣分布三種形式，推測這種分布可能與蛋白體中含磷物質(zhì)有關(guān)。ATP酶參與幾乎所有生命體系的能量轉(zhuǎn)換過程，因而ATP酶活性的定位是研究細(xì)胞功能與生理代謝狀態(tài)的重要手段。大豆子葉細(xì)胞的ATP酶活性主要定位在質(zhì)膜上，在物質(zhì)的吸收與運(yùn)輸上起著質(zhì)子泵的作用，形成離子跨膜運(yùn)輸?shù)脑瓌?dòng)力 。種子從休眠狀態(tài)到成苗，經(jīng)歷時(shí)間之短，主要?dú)w結(jié)于酶催化代謝反應(yīng)的高效性能。伴隨種子萌發(fā)進(jìn)程，大量營養(yǎng)物質(zhì)源源不斷地從子葉運(yùn)往胚等生長點(diǎn)。子葉細(xì)胞質(zhì)膜ATP酶活性呈動(dòng)態(tài)變化。酶活性高低既調(diào)控生理變化又隨細(xì)胞的功能變化而改變[3]。

1.2 大豆病害的超微結(jié)構(gòu)研究

迄今為止，大豆孢囊線蟲病 (Soybean Cyst Ne2matode，SCN)是在超微水平研究最深入的一種病害。顏清上等[4]對抗SCN4號生理小種抗感品種根部形成的合胞體組織超微結(jié)構(gòu)的研究表明，感病品種的合胞體細(xì)胞較大，靠近木質(zhì)部導(dǎo)管一側(cè)有內(nèi)生長，各種細(xì)胞器豐富，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)數(shù)量多，形體長，多為光滑型；抗病品種合胞體細(xì)胞較小，核糖體較多，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小而少，多為粗糙型，細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)較多的類脂肪體，在侵染早期，細(xì)胞質(zhì)快速降解，有時(shí)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)膜與細(xì)胞壁發(fā)生分離。

1.3 外界因素脅迫下大豆超微結(jié)構(gòu)的研究

干旱、漬水、鹽害等不良環(huán)境條件始終制約大豆的生產(chǎn)，深入地研究外界因素脅迫下大豆形態(tài)和生理、生化變化，提出抗逆措施，具有理論和生產(chǎn)實(shí)踐上的重大意義。近幾年來，干旱和洪澇現(xiàn)象在我國大豆產(chǎn)區(qū)發(fā)生比較普遍。干旱對植株的影響是多方面的，主要是使植株組織脫水，形成低水勢，大量積累生物自由基及其誘生的過氧化氫等有毒物質(zhì)，導(dǎo)致膜的損傷，細(xì)胞膜透性增加，這種損害往往是不可逆的。電鏡技術(shù)已能夠觀察到水分脅迫引起植株超微結(jié)構(gòu)的變化。通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，干旱導(dǎo)致大豆葉片柵欄組織外壁變薄，輪廓不清楚，而施用有機(jī)肥后，大豆葉片柵欄組織細(xì)胞外壁增厚，細(xì)胞輪廓清晰，排列整齊。大豆不同品種間抗?jié)承源嬖诿黠@差異，漬水條件下，抗?jié)称贩N往往表現(xiàn)出抗?jié)承誀钊纾焊翟龆唷⒆兇?、中柱鞘及形成層?xì)胞分生能力變強(qiáng)，產(chǎn)生大量薄壁細(xì)胞等，而不耐澇品種表現(xiàn)恰恰相反。通過比較不同品種根系組織細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)，明確了根系組織細(xì)胞間的差異與抗?jié)车年P(guān)系，為抗?jié)迟Y源的篩選和抗?jié)秤N提供了直觀的細(xì)胞學(xué)依據(jù)。電鏡觀察表明：鹽脅迫下，大豆植株脂氧化水平提高，細(xì)胞中丙二醛含量增加，對線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和細(xì)胞膜均有不同程度的損傷，而外源脯氨酸能夠提高植株抗?jié)B透能力有助于緩解這種破壞作用。

1.4 超微結(jié)構(gòu)在大豆起源、遺傳進(jìn)化和分類方面的應(yīng)用

花粉和種皮的掃描電鏡形態(tài)分析揭示的花粉、孢子、果實(shí)、葉片等表面的形態(tài)特征一直是植物分類研究的重要依據(jù)[5]。野生大豆種皮呈現(xiàn)蜂巢狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而栽培大豆種皮光滑，半野生大豆介于二者之間。用掃描電鏡對Glycine和Soja亞屬植物花粉形態(tài)進(jìn)行比較研究，發(fā)現(xiàn)Glycine、Soja兩亞屬的花粉外壁超微結(jié)構(gòu)有明顯差別。通過掃描電鏡還發(fā)現(xiàn)大豆次生木質(zhì)部中的射線結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管的侵填體分布等，從野生、半野生到栽培大豆呈連續(xù)性變化。上述研究為大豆種、亞種之間的分類、遺傳進(jìn)化關(guān)系提供了依據(jù)。

大豆染色體具有數(shù)量多，體積小，難于分散等特點(diǎn)，在常規(guī)光鏡下，人們很難了解它的精細(xì)結(jié)構(gòu)。關(guān)于栽培大豆和野生大豆隨體染色體的數(shù)量，不同的觀察，結(jié)果是不一致的。

1.5 大豆超微結(jié)構(gòu)其他方面研究中的應(yīng)用

隨著新型電鏡設(shè)備的發(fā)明和電鏡技術(shù)的發(fā)展，電子顯微鏡技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域正在逐步擴(kuò)大，尤其是和分子生物學(xué)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)的綜合應(yīng)用，更表現(xiàn)出其巨大的作用。電子顯微技術(shù)作為輻照處理的鑒定手段。雖未能觀察到輻射擊穿細(xì)胞的直接證據(jù)，但出現(xiàn)膜滲透性改變、質(zhì)壁分離及其內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膨大等現(xiàn)象，間接證明了細(xì)胞自身防御體系被打破，有利于外源基因?qū)搿＠霉鈱W(xué)顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡等觀察到不同光合特性品種在葉片厚度、葉綠體數(shù)目、氣孔數(shù)目和大小以及維管束中木質(zhì)部的導(dǎo)管數(shù)目均存在差異。

2 大豆超微結(jié)構(gòu)研究的展望

大豆超微結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為大豆生長發(fā)育機(jī)理、抗病機(jī)制、遺傳進(jìn)化等方面研究的重要內(nèi)容。然而，電子顯微鏡技術(shù)僅僅應(yīng)用大豆研究的幾個(gè)方面，研究體系尚不系統(tǒng)。目前大豆超微結(jié)構(gòu)的研究僅限于大豆生長初期，而有關(guān)大豆生長發(fā)育中后期的大豆各器官、細(xì)胞的超微水平變化研究較少，尤其是大豆生長發(fā)育中后期生理生化變化更是知之甚少，因此完善這一階段的研究有助于全面理解大豆生長發(fā)育機(jī)理，為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。大豆病害種類繁多，目前仍有多種病害抗病機(jī)制研究不清楚。電子顯微鏡能夠在超微水平上對病原、侵染途徑、組織、器官甚至細(xì)胞變化進(jìn)行觀察。但據(jù)文獻(xiàn)顯示目前電子顯微鏡僅限于大豆孢囊線蟲病、白粉病等少數(shù)幾種病害的研究。因此，拓展電子顯微技術(shù)在大豆病害的研究范圍具有重要的意義。直觀性和極高的分辨力是電子顯微鏡最大的優(yōu)點(diǎn)。但電子顯微鏡只能提供細(xì)胞、細(xì)胞器或生物大分子形態(tài)結(jié)構(gòu)特征或原子布陣依據(jù)，而并不能最終解釋這種特異的結(jié)構(gòu)或構(gòu)象特殊含義。如：電子顯微鏡下，同一種蛋白質(zhì)分子的原子排列或者說構(gòu)象存在差異，但只有建立在細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)等學(xué)科理論之上，我們才能確切地解釋這種結(jié)構(gòu)特異性的真正含義。因此，加強(qiáng)電子顯微鏡技術(shù)和其他學(xué)科或技術(shù)的交互應(yīng)用顯得格外重要。

[1]高揚(yáng),趙耕春,鄭易之等.萌發(fā)大豆種子中子葉細(xì)胞內(nèi)質(zhì)體發(fā)育與解體的變化 [J].大豆科學(xué),1994,13(3):225-229.

[2]陳敏,苗以農(nóng),唐樹延等.大豆子葉細(xì)胞 超微結(jié)構(gòu)的比較 [J].大豆科學(xué),1989,8(2):153-158.

[3]蘇金為,王湘平.大豆種子萌發(fā)過程中子葉細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)和ATP酶活性動(dòng)態(tài)研究[J].電子顯微報(bào),2002,21(2):114-117.