青海湖畔3種高原鹽生植物葉綠體淀粉粒的變化特征

周勇輝，劉玉萍，張曉宇，呂 婷，胥 芮，蘇 旭

(青海師范大學(xué) 生命與地理科學(xué)學(xué)院 青藏高原藥用動植物資源重點實驗室 青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室 青藏高原環(huán)境與資源教育部重點實驗室，西寧 810008)

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青海湖畔3種高原鹽生植物葉綠體淀粉粒的變化特征

周勇輝，劉玉萍，張曉宇，呂 婷，胥 芮，蘇 旭

(青海師范大學(xué) 生命與地理科學(xué)學(xué)院 青藏高原藥用動植物資源重點實驗室 青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室 青藏高原環(huán)境與資源教育部重點實驗室，西寧 810008)

以同種非鹽生植物作為對照，利用透射電子顯微鏡對鹽脅迫下3種高原鹽生植物——鵝絨委陵菜、西伯利亞蓼和灰綠藜葉綠體淀粉粒的變化特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在非鹽脅迫下3種高原鹽生植物其超微結(jié)構(gòu)無明顯差異；而在低溫及鹽脅迫等多種逆境生態(tài)條件下，3種高原鹽生植物葉綠體中淀粉粒呈現(xiàn)大量積累且增大的趨勢，同時它們多呈圓形沿葉綠體長軸，電子密度中間高、四周低的不均勻分布。此外，還發(fā)現(xiàn)3種高原鹽生植物產(chǎn)生的潴泡與其葉綠體類囊體程度不同的膨大密切相關(guān)。據(jù)此，我們認(rèn)為3種高原鹽生植物中淀粉粒增大、增多及潴泡的產(chǎn)生，應(yīng)是青海湖畔鹽漬、低溫、低氣壓、強(qiáng)輻射等多種逆境生態(tài)條件脅迫下的反應(yīng)。

青海湖；鹽生植物；亞顯微結(jié)構(gòu)；淀粉粒

高原鹽生植物(Alpine halophyte)即高海拔鹽生植物，是指生長在高原樹線以上至雪線[1]，屬天然植物體區(qū)系，鹽漬土壤滲透壓不低于3.35 × 105Pa，即70 mmol·L-1單價鹽[2]。在中國，高原鹽生植物主要分布于青藏高原鹽漬地區(qū)。絕大多數(shù)高等植物體系中，淀粉是植物光合作用下主要的光合產(chǎn)物，大多以顆粒狀態(tài)形式存在，也是碳水化合物在細(xì)胞質(zhì)中最普遍的儲藏形式。通常，淀粉是植物光合作用下產(chǎn)生的，由葡萄糖分子聚合而成的長鏈化合物，以便暫時貯藏在植物莖葉中。淀粉粒水解成葡萄糖，轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)中儲藏并重新聚合成淀粉粒。淀粉粒在形態(tài)及結(jié)構(gòu)上因不同的植物種類，與所處的環(huán)境不同而產(chǎn)生較大的區(qū)別。

迄今，國內(nèi)外對青藏高原地區(qū)高山植物的研究，主要集中于形態(tài)、顯微結(jié)構(gòu)[3-4]、超微結(jié)構(gòu)[5-8]和生理功能[9-12]等學(xué)科領(lǐng)域，但對高山鹽生植物的研究報道較少[13-18]，尤其是對葉綠體中淀粉粒的研究仍屬空白。本文以青海湖畔自然生長的3種高原鹽生植物——西伯利亞蓼(Polygonumsibiricum)、鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)和灰綠藜(Chenopodiumglaucum)為實驗材料，對其淀粉粒在葉綠體中的變化特征進(jìn)行較為系統(tǒng)地探討，同時結(jié)合生態(tài)環(huán)境與淀粉粒變化關(guān)系進(jìn)行分析，旨在揭示高原鹽生植物與生態(tài)環(huán)境之間的結(jié)構(gòu)性關(guān)系，為高原鹽生植物在植物生理學(xué)方面的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海湖地處北緯35°32′～37°15′，東經(jīng)99°36′～100°47′，是我國面積最大的內(nèi)陸湖泊，屬于新構(gòu)造斷陷而形成的咸水湖，東西長約106 km，南北寬約63 km，平均海拔3196 m，湖水容量743億m3，最大水深27 m，平均水深16 m；礦化度12.32 g/L，含鹽量14.13 g/L，透明度在3m以下。由于入湖水量入不敷出，導(dǎo)致湖面水位下降幅度增大，湖中含氧量極低，浮游生物十分稀少；強(qiáng)輻射、低溫、鹽漬、低氣壓等為青海湖畔生態(tài)環(huán)境條件的顯著特征。年均輻射為6344.30 kJ·m-2，年降水量為289.5～579.5 mm，年蒸發(fā)量大，年日照時數(shù)2699～3089.9 h，1月份平均氣溫-24.0℃～-6.7℃，7月份平均氣溫6.7℃～18.7℃，極端最低最高氣溫分別是-35.8℃、25.6℃。

1.2 研究方法

位于青海湖畔東北部距水陸交界5 m處，于7月—8月份植物生長旺季，土壤鹽濃度為1000 ds·cm-1；Alt.3212 m的區(qū)域，采取全受光生長健壯的植物葉片中部為實驗材料，利用單面刀片切割，同時避免大葉脈將其切割成1 mm2的小塊，并迅速投入0.2 mol/L(pH 7.2)磷酸緩沖液配制的4 %戊二醛溶液中固定12 h，然后用其沖洗4次，再用0.2 mol·L-1(pH 7.2)磷酸緩沖液配制的2 %餓酸溶液在4℃環(huán)境下固定4 h，利用不同溶度乙醇進(jìn)行梯度脫水，丙酮溶液過渡，KD-BM生物包埋機(jī)包埋，CUT 4062型超薄切片機(jī)切片，切片厚度為60 nm，用檸檬酸鉛-醋酸雙氧鈾溶液對切片進(jìn)行雙染色，在日立H-800透射電子顯微鏡下觀察并拍照，同一切片上進(jìn)行5個不同視野的照相保存，取視野中25個葉綠體的測量數(shù)據(jù)作為平均數(shù)。

2 觀察結(jié)果

2.1 非脅迫下3種高原鹽生植物葉肉細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)

電子顯微鏡觀察表明，在非鹽脅迫條件下3種高原鹽生植物的成熟葉片結(jié)構(gòu)基本相同，沒有顯著差異存在，即它們均具有明顯的細(xì)胞核、葉綠體以及線粒體等細(xì)胞器，并且葉綠體中含有較少的淀粉粒；細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器膜結(jié)構(gòu)明顯，清晰可見；葉綠體數(shù)量較少，呈橢圓形，被膜清晰完整，基粒結(jié)構(gòu)清晰(圖1-I～I(xiàn)II)。另外，在非鹽脅迫下，3種高原鹽生植物葉綠體的類囊體均沒有出現(xiàn)膨大和破裂的現(xiàn)象(圖1-I～I(xiàn)II)。

2.2 鹽脅迫下3種高原鹽生植物葉肉細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)

透射電子顯微鏡觀察表明，所研究的3種高原鹽生植物的葉綠體中淀粉粒數(shù)量均較多(圖1-A～F)，尤其是在鵝絨委陵菜和西伯利亞蓼的葉綠體中還有巨大淀粉粒存在的現(xiàn)象(圖1-C～F)；同時，在3種高原鹽生植物的葉綠體中，個體較小的淀粉粒通常呈圓形，而個體較大的淀粉粒則往往呈長橢圓形，所有葉綠體內(nèi)的淀粉粒均沿長軸分布，并且電子密度通常較低(圖1-A～F)。此外，所研究的3種高原鹽生植物的葉綠體類囊體均出現(xiàn)膨大，薄膜破裂、部分瓦解，甚至空泡化等(圖1-A、C、E)，特別是在灰綠藜葉綠體中，本研究發(fā)現(xiàn)其類囊體破裂最終形成了潴泡(圖1-B)。

3 討論

生態(tài)環(huán)境是植物生存和發(fā)展的條件[19]，是植物適應(yīng)環(huán)境與發(fā)展的前提，而對環(huán)境的適應(yīng)，在生理功能、結(jié)構(gòu)和形態(tài)發(fā)生顯著變化，逐漸發(fā)育了一套適應(yīng)青海湖畔低溫，高鹽漬生態(tài)環(huán)境的生理機(jī)制和特殊結(jié)構(gòu)，故揭示植物形態(tài)結(jié)構(gòu)與鹽生環(huán)境的關(guān)系，始終是一項重要的課題。青海湖畔具有不利于植物生長的逆境條件，如高鹽濃度、低溫、強(qiáng)輻射等，尤其是高鹽條件下，容易造成土壤在生理上的干旱，因而長期生長于這一區(qū)域的植物，在生理功能、結(jié)構(gòu)上都發(fā)生改變和產(chǎn)生相應(yīng)的生理機(jī)制。正是這種生理機(jī)制的產(chǎn)生，而使植物能在青藏高原強(qiáng)逆境的生態(tài)環(huán)境下得以正常生長。

3.1 淀粉粒的積累

葉綠體中的淀粉粒是多數(shù)高等植物的主要光合產(chǎn)物，其氧化后為植物生長提供大量能量，是細(xì)胞碳水化合物主要存在的形式之一，還可為植物葉綠體細(xì)胞蛋白質(zhì)的合成提供碳骨架[20]。研究結(jié)果表明[8,21]，低海拔鹽生植物和高山植物葉綠體中均含有許多較大的淀粉粒，在葉肉細(xì)胞中因高山低溫和高鹽漬的土壤環(huán)境造成光合產(chǎn)物運(yùn)輸受阻。所研究的3種高原高鹽植物葉肉細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)時，我們發(fā)現(xiàn)它們通常含有2～10個較大的淀粉粒(圖1-A～F)，這與先前學(xué)者對低海拔鹽生植物以及高山植物的研究結(jié)果都是一致的[8]。通常，高山植物在白天光合作用下進(jìn)行淀粉積累，夜間進(jìn)行有氧呼吸而水解，并轉(zhuǎn)運(yùn)出葉綠體[8]，自然高原鹽生植物也應(yīng)符合這種植物生理機(jī)制。青海湖地區(qū)隸屬于高原高寒大陸性氣候，晴天多降水少，太陽輻射強(qiáng)烈，大氣透明度高，地面對太陽入射和反射能力強(qiáng)，致使青海湖地區(qū)晝夜溫差大，最高氣溫7月—8月份，平均氣溫仍比較低且溫差大(6.7℃～18.7℃)。青海湖地區(qū)因夜間大氣逆輻射弱氣溫低，植物細(xì)胞中的酶活性降低，呼吸代謝能力下降，ATP減少，從而導(dǎo)致植物葉綠體內(nèi)淀粉粒的水解及光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)受到抑制[8]，最終在植物葉綠體中積累了較多較大的淀粉粒。我們推測，3種高原鹽生植物葉肉細(xì)胞中淀粉粒的大量積累(圖1-A)是適應(yīng)青海湖地區(qū)低溫和鹽脅迫等多種脅迫的主要方式，葉肉細(xì)胞內(nèi)淀粉粒因夜間低溫而解體，解體的淀粉粒不僅可以提高細(xì)胞質(zhì)的滲透壓，而且還可以提高細(xì)胞質(zhì)的吸水性及細(xì)胞質(zhì)濃度，從而增強(qiáng)了高原鹽生植物的抗逆性。另外，糖類氧化分解也是能量釋放的一個重要過程，它可以提高細(xì)胞的活性，進(jìn)而提高植物抵抗低溫的能力；在高鹽漬脅迫下，高山植物葉綠體中淀粉粒的數(shù)量通常是非鹽脅迫下植物葉綠體內(nèi)淀粉粒數(shù)量的4～5倍。鹽生植物葉綠體內(nèi)較大淀粉粒的積累不但可以緩沖細(xì)胞因能量短缺后仍進(jìn)行正常生命活動，還可以提高細(xì)胞對水分的吸收和保持的能力[22]，尤其是在高海拔鹽脅迫下，葉肉細(xì)胞的生理活性和代謝能力均降低較多，同化物的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)嚴(yán)重受到抑制，3種高原鹽生植物細(xì)胞中淀粉粒的大量積累，是抵抗青海湖地區(qū)低溫、高鹽漬等逆境生態(tài)環(huán)境的重要方式。

圖1 3種高原鹽生植物葉綠體淀粉粒的變化特征

Fig 1 Characteristics of starch grains in chloroplast of three alpine halophytes

Ⅰ：正常生長的灰綠藜葉肉細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)(×35 660)；A：灰綠藜的葉綠體，示膨大的類囊體和淀粉粒(× 4000)；B：灰綠藜的葉綠體，示淀粉粒和潴泡(× 5000)；Ⅱ：正常生長的鵝絨委陵菜葉肉細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)(×13 286)；C：鵝絨委陵菜的葉綠體，示膨大的類囊體和淀粉粒(× 5000)；D：鵝絨委陵菜的葉綠體，示淀粉粒(× 5000)；Ⅲ：正常生長的西伯利亞蓼葉肉細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)(×13 478)；E：西伯利亞蓼的葉綠體，示膨大的類囊體和淀粉粒(× 5000)；F：西伯利亞蓼的葉綠體，示淀粉粒(× 3000)。g：基粒；s：淀粉粒；c：潴泡；Ch：葉綠體；Ev：葉綠體被膜；Cw：細(xì)胞壁

3.2 潴泡的產(chǎn)生

3.3 淀粉粒積累與光合速率的關(guān)系

先前學(xué)者在研究植物光合產(chǎn)物過程中，發(fā)現(xiàn)光合速率與光合產(chǎn)物的積累或轉(zhuǎn)運(yùn)存在必然的聯(lián)系。已有研究[28-29]表明，低溫逆境生態(tài)因子的脅迫，可使植物體內(nèi)淀粉粒在形態(tài)、結(jié)構(gòu)或數(shù)量等方面發(fā)生變化，如淀粉粒形狀變大，數(shù)量增多，同時植物體內(nèi)生理代謝失調(diào)，光合速率下降。目前，就光合速率與光合產(chǎn)物的積累是否存有關(guān)聯(lián)？目前有兩種截然不同的觀點：一種觀點[30]認(rèn)為光合速率下降導(dǎo)致葉綠體內(nèi)大顆粒淀粉的積累是受低溫影響，同時光合速率與光合產(chǎn)物之間會出現(xiàn)負(fù)反饋抑制作用；另一種觀點[31]則認(rèn)為，在一定區(qū)域內(nèi)，葉片中產(chǎn)物儲存的多寡和光合能力的大小將決定植物葉片光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。當(dāng)植物葉片轉(zhuǎn)運(yùn)光合產(chǎn)物的數(shù)量和速度提高時，說明葉片的光合速率得到提高，產(chǎn)物形成與積累不斷增加；反之，當(dāng)植物葉片對光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)能力下降時，表明植物葉片光合作用能力下降。光合速率與光合作用之間不存在反饋抑制作用，至此植物葉片光合轉(zhuǎn)運(yùn)能力的大小隨著光合作用能力的變化而發(fā)生改變。大量研究[8-9,11-12]表明，高山植物的光合速率通常較低。潘瑞熾和董愚得[32]認(rèn)為，夜晚黑暗環(huán)境或光合速率下降，磷酸丙糖在細(xì)胞質(zhì)中產(chǎn)生的量減少，而Pi含量則相對較高，結(jié)果導(dǎo)致磷酸丙糖/Pi的比值降低，低的磷酸丙糖/Pi比將會刺激果糖-6-磷酸-2-激酶活性，進(jìn)而形成較多的果糖-2，6-二磷酸酶，結(jié)果果糖-1，6-二磷酸酶的水解遭到抑制，蔗糖的合成速度受到抑制，磷酸丙糖在植物葉綠體向淀粉合成方向流動，最終在植物葉綠體內(nèi)合成2～10個淀粉粒或更多數(shù)量的淀粉。何濤等[8]通過幾種高山植物葉綠體淀粉粒變化特征的研究，認(rèn)為高山植物淀粉粒水解能力下降，淀粉粒在植物葉綠體中大量積累，這是由于高山地區(qū)晝夜溫差大夜間溫度低所導(dǎo)致的，因此高山植物光合速率的下降與淀粉粒在葉綠體內(nèi)積累密切相關(guān)。然而，關(guān)于高原鹽生植物淀粉粒與光合速率關(guān)系的研究目前尚屬空白。本研究表明，青海湖畔3種高原鹽生植物的葉綠體中，數(shù)目較多且體積較大的淀粉粒，這與先前關(guān)于高山植物葉綠體中淀粉粒的變化原因是一致的。青海湖畔鹽生植物不但受到鹽脅迫的影響，將受到低溫、低氣壓、強(qiáng)輻射等多種逆境生態(tài)因子的脅迫，這些逆境生態(tài)因子可能共同作用于高原鹽生植物，從而導(dǎo)致它們對淀粉水解和光合產(chǎn)物的運(yùn)輸能力急劇下降，從而導(dǎo)致其葉綠體內(nèi)大量的淀粉粒得以積累。據(jù)此，我們認(rèn)為高原鹽生植物淀粉粒的積累很可能就是光合速率下降的結(jié)果，這與高山植物葉綠體中淀粉粒與光合速率的關(guān)系類似。

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Characteristics of starch grains in chloroplast ofthree alpine halophytes near the Qinghai Lake

ZHOU Yong-hui,LIU Yu-ping,ZHANG Xiao-yu,LYU Ting,XU Rui,SU Xu

(Key Laboratory of Medicinal Plant and Animal Resources the Qinghai-Tibetan Plateau,Key Laboratory ofPhysical Geography and Environmental Process in Qinghai Province,Key Laboratory of Education Ministry of Environments and Resources in the Qinghai-Tibetan Plateau,College of Geography and Life Science,Qinghai Normal University,Xining 810008,China)

The ultrastructure of chloroplast in the mesophyll cells of three typical alpine halophytes includingPotentillaanserina,PolygonumsibiricumandChenopodiumglaucumgrown at low temperature and in salt marsh near the Qinghai Lake was studied by using the transmission electron microscope.The result showed that the subcellular structure did not differ between the three halophytes under non-stress condition,but there were a lot of starch grains in the chloroplast of three alpine halophytes,which were usually round or oval in shape arranged along the longitudinal axis of chloroplasts,and the whole starch grains were low in electron-density.Meanwhile,the thylakoid of chloroplasts swelled differently,and some of them even became into cisterna.It suggested that the variations of starch grains in the chloroplast of three alpine halophytes stated above were the result of the long-time stress under the adverse ecological factors such as low temperature,low air pressure,strong radiation,salt marsh,etc.,and were an adaptation to the environment.

Qinghai Lake; halophyte; ultrastructure; starch grain

2016-01-12;

2016-04-08

收稿日期：國家自然科學(xué)基金項目(31260052)；青海省自然科學(xué)基金項目(2014-ZJ-947Q)；青藏高原藥用動植物資源重點實驗室(2015-Z-Y06)；青海師范大學(xué)2015年度本科生科技創(chuàng)新項目(2015-12，2015-13)資助

周勇輝，碩士研究生，主要從事植物形態(tài)解剖學(xué)研究

蘇旭，博士后，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事植物形態(tài)解剖學(xué)研究，E-mail: xusu8527972@126.com

10.3969/j.issn.2095-1736.2016.06.073

Q942.4

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2095-1736(2016)06-0073-05