大豆超微結構的研究進展及展望

霍曉明 王永力

（1黑龍江墾豐種業有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090 2、東北農業大學，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驗技術不可替代的，如新型掃描隧道顯微鏡分辨率橫向可達0.1-0.2nm，縱向達0.001nm，可直接觀察生物大分子，如DNA、RNA和蛋白質的原子布陣，和某些生物結構，如細胞膜、細胞壁等的原子排列。目前，電子顯微鏡技術已經廣泛應用到大豆研究的各個方面，如大豆生長發育機理的研究、大豆抗病機制的研究、不良環境對大豆影響的研究以及大豆遺傳進化和分類等方面的研究。

1 大豆超微結構的研究進展

1.1 大豆子葉超微結構的研究

子葉是大豆重要的貯存器官，為種子萌發提供能量和營養物質，對大豆種子萌發和成苗起決定性作用。子葉出土后轉為同化器官，具有光合作用功能，為幼苗早期生長發育提供部分營養物質，以補充因蛋白質被消化而帶來的營養物質的缺乏[1]。種子萌發經歷了從異養到自養的復雜的生理代謝變化。因此，一直以來人們對大豆生長發育機理的研究大多集中于子葉萌發這一關鍵時期。前人已經對大豆子葉細胞的形成發育、物質變化進行了比較詳盡的報道[2]，子葉萌發時蛋白體降解過程完全是其形成積累途徑的逆轉[3]。應用電鏡酶細胞化學方法可觀察到大豆子葉蛋白體有內部均勻消化、內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，參與種子萌發和幼苗早期生長過程中的磷代謝，隨著萌發進程，其活性顯著增加。子葉蛋白體中，酸性磷酸酶分布呈現均勻、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有關。ATP酶參與幾乎所有生命體系的能量轉換過程，因而ATP酶活性的定位是研究細胞功能與生理代謝狀態的重要手段。大豆子葉細胞的ATP酶活性主要定位在質膜上，在物質的吸收與運輸上起著質子泵的作用，形成離子跨膜運輸的原動力 。種子從休眠狀態到成苗，經歷時間之短，主要歸結于酶催化代謝反應的高效性能。伴隨種子萌發進程，大量營養物質源源不斷地從子葉運往胚等生長點。子葉細胞質膜ATP酶活性呈動態變化。酶活性高低既調控生理變化又隨細胞的功能變化而改變[3]。

1.2 大豆病害的超微結構研究

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構的研究表明，感病品種的合胞體細胞較大，靠近木質部導管一側有內生長，各種細胞器豐富，內質網數量多，形體長，多為光滑型；抗病品種合胞體細胞較小，核糖體較多，內質網小而少，多為粗糙型，細胞內出現較多的類脂肪體，在侵染早期，細胞質快速降解，有時發現細胞質膜與細胞壁發生分離。

1.3 外界因素脅迫下大豆超微結構的研究

干旱、漬水、鹽害等不良環境條件始終制約大豆的生產，深入地研究外界因素脅迫下大豆形態和生理、生化變化，提出抗逆措施，具有理論和生產實踐上的重大意義。近幾年來，干旱和洪澇現象在我國大豆產區發生比較普遍。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，導致膜的損傷，細胞膜透性增加，這種損害往往是不可逆的。電鏡技術已能夠觀察到水分脅迫引起植株超微結構的變化。通過電鏡觀察發現，干旱導致大豆葉片柵欄組織外壁變薄，輪廓不清楚，而施用有機肥后，大豆葉片柵欄組織細胞外壁增厚，細胞輪廓清晰，排列整齊。大豆不同品種間抗澇性存在明顯差異，漬水條件下，抗澇品種往往表現出抗澇性狀如：根系增多、變粗、中柱鞘及形成層細胞分生能力變強，產生大量薄壁細胞等，而不耐澇品種表現恰恰相反。通過比較不同品種根系組織細胞的超微結構，明確了根系組織細胞間的差異與抗澇的關系，為抗澇資源的篩選和抗澇育種提供了直觀的細胞學依據。電鏡觀察表明：鹽脅迫下，大豆植株脂氧化水平提高，細胞中丙二醛含量增加，對線粒體、內質網和細胞膜均有不同程度的損傷，而外源脯氨酸能夠提高植株抗滲透能力有助于緩解這種破壞作用。

1.4 超微結構在大豆起源、遺傳進化和分類方面的應用

花粉和種皮的掃描電鏡形態分析揭示的花粉、孢子、果實、葉片等表面的形態特征一直是植物分類研究的重要依據[5]。野生大豆種皮呈現蜂巢狀或網狀結構，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亞屬植物花粉形態進行比較研究，發現Glycine、Soja兩亞屬的花粉外壁超微結構有明顯差別。通過掃描電鏡還發現大豆次生木質部中的射線結構、導管的侵填體分布等，從野生、半野生到栽培大豆呈連續性變化。上述研究為大豆種、亞種之間的分類、遺傳進化關系提供了依據。

大豆染色體具有數量多，體積小，難于分散等特點，在常規光鏡下，人們很難了解它的精細結構。關于栽培大豆和野生大豆隨體染色體的數量，不同的觀察，結果是不一致的。

1.5 大豆超微結構其他方面研究中的應用

隨著新型電鏡設備的發明和電鏡技術的發展，電子顯微鏡技術的應用領域正在逐步擴大，尤其是和分子生物學等實驗技術的綜合應用，更表現出其巨大的作用。電子顯微技術作為輻照處理的鑒定手段。雖未能觀察到輻射擊穿細胞的直接證據，但出現膜滲透性改變、質壁分離及其內質網膨大等現象，間接證明了細胞自身防御體系被打破，有利于外源基因導入。利用光學顯微鏡、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、葉綠體數目、氣孔數目和大小以及維管束中木質部的導管數目均存在差異。

2 大豆超微結構研究的展望

大豆超微結構已經成為大豆生長發育機理、抗病機制、遺傳進化等方面研究的重要內容。然而，電子顯微鏡技術僅僅應用大豆研究的幾個方面，研究體系尚不系統。目前大豆超微結構的研究僅限于大豆生長初期，而有關大豆生長發育中后期的大豆各器官、細胞的超微水平變化研究較少，尤其是大豆生長發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育機理，為生產實踐提供理論依據。大豆病害種類繁多，目前仍有多種病害抗病機制研究不清楚。電子顯微鏡能夠在超微水平上對病原、侵染途徑、組織、器官甚至細胞變化進行觀察。但據文獻顯示目前電子顯微鏡僅限于大豆孢囊線蟲病、白粉病等少數幾種病害的研究。因此，拓展電子顯微技術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點。但電子顯微鏡只能提供細胞、細胞器或生物大分子形態結構特征或原子布陣依據，而并不能最終解釋這種特異的結構或構象特殊含義。如：電子顯微鏡下，同一種蛋白質分子的原子排列或者說構象存在差異，但只有建立在細胞生物學、分子生物學等學科理論之上，我們才能確切地解釋這種結構特異性的真正含義。因此，加強電子顯微鏡技術和其他學科或技術的交互應用顯得格外重要。

[1]高揚,趙耕春,鄭易之等.萌發大豆種子中子葉細胞內質體發育與解體的變化 [J].大豆科學,1994,13(3):225-229.

[2]陳敏,苗以農,唐樹延等.大豆子葉細胞 超微結構的比較 [J].大豆科學,1989,8(2):153-158.

[3]蘇金為,王湘平.大豆種子萌發過程中子葉細胞超微結構和ATP酶活性動態研究[J].電子顯微報,2002,21(2):114-117.