甘蔗茎径增粗的细胞学基础分析原生分生组织的区域化和活动规律.docx
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甘蔗茎径增粗的细胞学基础分析原生分生组织的区域化和活动规律
甘蔗茎径增粗的细胞学基础分析——原生分生组织的区域化和活动规律
甘蔗茎径增粗生长的细胞学基础研究
——原生分生组织区域化和活动规律
摘要
甘蔗是广西重要的经济作物。
原生分生组织是甘蔗地上部分一切组织形态发生中心，因此，研究原生分生组织的结构和生长分化对于阐明甘蔗的增粗机理具有重要意义。
本实验通过对6个不同甘蔗品种（粤糖91／976、月。
粤糖86／368、桂糖11号、新台糖16号、美国CP80和农林8号）茎尖生长点采用压片，石蜡连续切片，半薄切片，超薄切片和酶组织化学定位等方法进行研究。
／取得主要结果如下：
1）甘蔗一天内（白天）不同时间都存在细胞分裂，大部分品种均在10：
OO出现细胞分裂高峰期，12：
00～14：
00是细胞分裂的低谷。
早熟品种细胞分裂高峰期出现的时期早一些，晚熟品种则晚一些。
甘蔗茎径和各生长时期细胞分裂指数呈正相关。
2）甘蔗生长锥原生分生组织具有明显的细胞一组织学区域
甘蔗茎尖生长锥原生分生组织可以划分为四个区域：
原套原始细胞区、原体原始细胞区、髓分生区以及周缘分生区。
不同区域之间细胞核及细胞的长、宽、面积、灰度值、液泡化程度指标差异显著，这些指标是甘蔗茎尖生长锥可以分区的重要依据。
从ATP酶的分布看，生长锥不同区域细胞ATP酶活性分布不一样，周缘分生区细胞ATP酶分布密度最大，其次到原体原始细胞区再到原套原始细胞区，髓分生区ATP酶分布相对较少。
这也是甘蔗茎尖分区的重要依据。
3）周缘分生区细胞在甘蔗整个生育期都维持比较高的分裂频率，
是由原始细胞产生的苗端最活跃的、直接参加到苗的形态形成的分生
组织。
4）苗蔗蘩尖不嗣区域纲胞ATP酶活性分布特征不同原生分生组织ATP酶的活性烹要分布在细胞核和线粒体上，而细
胞骥和零的滚沲骥肉羯呈爨反应。
源彩藏屡纲跪豹缨黪核窝线粒俸上
ATP酶活性都比较强，细胞膜也显出了很高的灞性。
曾蔗茎炎其有初生增糕分生组织，这些组织细胞的细胞核、细胞
膜、线粒体、胞问连丝上ATP酶溪性都明显比阁围的绷胞高。
甘蔗节上的细胞ATP酶的活性比节间的高，这与材蔗茎的增粗有
密甥熬关系。
2一，丑r一
／’
，
关键谲：
甘蔗。
生长锥，分区姗酶、
Il
ZONINGANDACTIVELAWOFSUGARCANEMERISTEM
Abstract
SugarcaneiSoneofthemostimportanteconomiCcropsinGuangxi．ItiSverymeaningfuItostudythethiokeningmechanismbystudyingonthestructureofprotomerism，growthanddifferentiation，whichformedatthetimehistomorphoIogy．
InthiSexperimentSixsugarcanevarieties：
Yuetan991／976，Yangtan986／368，GTl1．TTI6．CP80．NongIin8wereused．ThepresseddiSC．paraffin．semiSIica，uItramicrotomyandEnzymehistologychemicaIlocationmethodswereappIiedintheexperiment．TheresuItswerefoIIOWings：
1．CeIIdjViSi013tookpIageinanytimeandat10AMceIlitreachedtheCljmaxformostsugarcanevarieties．
2．ThebreadthofgrowingtiPwaspositiveIYreIativeto
thesugarcanestem．
3．IntheViewofceIImorphoIogyandtheIocationofATPEnzyme．thegrowingprickofsugarcanehadSignificantceII—histoIogyareas，whichweretunica—primaryceIIzone（thegrowingtiPhadonIyoneIayeroftunica）。
corpus—primaryceIIzone．peripheraImeristemzoneand
Pithzone．
4．Theindexessuchas，ceIInucIearinthegrowingtips，theIength，breadth．areasandintensityofvacuole5．ThepositioneffectdeterminedthedirectionofceIIdiViSionsothedifferentiationofthestemtiP
protomeristemwasnotthesameindifferentareas．
111
TunicaandcorpuszonearethececenterfordifferentiationandthefundamentalforseedingkeepingsustainabIegrowing．
CeIIatperiphera{meristemzonekeptahighfrequencyinthebearingperiod，whichwasthemostactiveandCloselyreIatedtotheseedIingmorphorgenesiS．
ThePithmeristemwasresponsibIeforbearngPithandenhancingthegrowthofseedIing．
6．TheATPasemainIYIocatedinceIInuoIearandmitochondrialwhiIebutATPaseactiVitywashighbothontheceIInucIearandmitochondriaofprocambium．TheceIImembraneshowedveryhighactiVitybeoausetheCOlIdiViSionbeganwhichenhancedthemetaboIismofmateriaISandenergyamongceIIS．
Therewasprimarymeristemonthestemtipsofsugarcane．TheactiVityofATPaseIocatedonthiSkindofcellwasmuchhigherthanthoseIooatedonthenoighborhoodce|Is．ThiSindicaredthattheseceIIsisactjveinceJIdjVjSjonandphysi0IogicaImetaboIism．
TheATPaseactiVityontheceIImembrane。
vacuoIemembrane。
PIasmadesmusandinterceIIUIarspaceiShigherthanthoseonthesugarcanenodes．
Keyword：
sugarcane；meristem；zoning；ATPase
广西大学硬士学位论文甘蔗茎往增粗生长的细胞学基叠研究——屎生分生组飙区壤化和活动考壁
文献综述第一章植物苗端区域化和植株生长发育的关系
1．1引言
植物的苗端，也是茎尖原生分生组织，是植物地上部分一切组织形态发生的中心，它有持续的分生组织存在，而且苗端进行着对植物生长和发育具有重要意义的物质的活跃合成。
它在叶、芽、花和确定的不同组织起源的式样上具有重要意义。
由于顶端分生组织的活动，苗和根的组织系统形成了连续性，它对充分分化的基本分子系统如管状分子的稳定也起到了决定性的作用t31。
关于顶端分生组织上的研究，不仅在实践中，在个体发育方面也很有意义，在系统发育的研究中也是值得注意的问题。
自从Foster（1938）根据银杏（Ginkgobiloba）提出细胞组织分区学说后，这一学说得到了国内外许多工作者的支持‘1—1。
在20世纪40年代巧O年代，植物苗端的结构和顶端分生组织的活动是植物形态学中核心问题。
到了20世纪80年代，在研究植物苗端细胞组织学分区的基础上，人们开始注意到顶端分生组织的形态和发育特征与生物化学是有密切的关系。
随着分子生物学的发展，人们开始用分子生物技术手段来研究植物茎尖分生组织的分区和发育过程。
本文拟通过对植物茎尖分生组织的国内外研究现状作简要综述，探讨存在的问题，可能解决途径和展望今后研究方向。
1．2茎尖的形态特征
1759年woff发现了在茎的最顶端处有产生新叶和茎的组织，即我们现在普称的苗端，它是植物体地上部分一切组织形态发生的中心。
它的特点是一般为半球形的结构由一团原生分生组织构成。
在茎尖顶端以下的四周，有叶原基和腋芽原基。
在种子植物中，苗端的形状和大小有很大差别。
在苗端的中央纵
￡!
查兰!
圭兰竺垒茎苎苎苎兰苎苎兰苎竺竺苎兰苎苎!
壅=二墨兰坌兰兰竺里苎兰!
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塑堕切面上，一般多少表现为凸透镜形。
在菲藻属（Anachafis）和狐尾藻属（Myriophyllum）及某些禾本草类植物中，苗端的形状呈圆锥状a但在少数植
物中，例如Drimys和木槿（HibiscusSyrincus）中，茁端呈微凹状Ⅲ。
1．3茎尖各区形态发育过程
1．3．1细胞形态学方面研究进展
20世纪中期，植物苗端的结构及顶端分生组织的活动是植物形态学中研
究的一个中心问题。
有关茎尖顶端分生组织的组成和分化规律，前人曾经提出了三个较有代表性的学说“‘
组织原学说：
认为茎尖分生组织上与根尖一样，也有分层的原始细胞。
各原始细胞分别衍生为初生分生组织的表皮原、皮层原和中柱原，进而分化为相应的成熟组织。
原套一原体学说：
根据细胞分裂面（垂周、平周）的不同，针对被子植物茎尖结构，提出原套一原体学说。
将茎尖分生组织明显地分为原套与原体两个部分。
否定了组织原学说的由分层原始细胞预先决定细胞未来分化命运的设想。
细胞组织学的分区学说：
Foster（1938）与Gifford（1950）Popham（1950）
等先后根据裸予植物和被子植物中的观察，提出了细胞组织学的分区学说。
茎尖的顶端分生组织上可分为和5区：
顶端原始细胞区（原套原始细胞区），中央母细胞区（原体原始细胞区），周缘区和肋状分生组织区（髓分生组织区），有的还有形成层状过渡区。
肋状分生组织进而分化成熟为髓和部分原形成层，茎的其它部分则来自周缘区。
这个学说让我们了解了顶端分生组织进一步分化的情况与后继组织的联系。
此学说是很合适的理论，在现有文献中，一般为人们所接受‘"。
从第三个学说的理论出发，在已研究的大多数被子植物中发现其茎尖的原套和原体各有其原始细胞。
原套的原始位于中央轴位置，这此细胞较大，并有较大的核和液泡，染色较浅。
它们分裂衍生的细胞围绕于四周，成为由原始细
广西大学硬士学位论文甘蔗茎径坩粗生长的细臆学基础研究——屎生分生组辨区域化和活诗规律
胞至叶原基之间的周缘分生组织区（perphemlmeristemzone）。
周缘分生组织区的细胞较小，有浓密的细胞质和活跃的有丝分裂。
在一定的位置上，其强烈的活动引起了叶原基突起的形成。
周缘区也与枝条的伸长和增粗有关。
原体的原始细胞【中央母细胞区（centralmothercellzone）】紧位于原套的原始细胞的内侧，它们经过多方向的细胞分裂，向中央形成髓分生区（pithmeristemzone）[肋状分生组织区（ribmeristemzone）】也向外周分裂出新细胞加入到周缘分生区。
髓分生组织（ribmeristem）通常比周缘分生组织（perpheralmeristem）更为液泡化，但也有活跃的有丝分裂。
髓分生组织的分裂常为有规则的横向进行，因此，各细胞的衍生细胞不久即形成纵列的细胞。
这使分生组织形成一种特殊的形态，因而也称为肋状分生组织（ribmeristem）。
髓分生组织也能进行纵向的分裂，引起行数的增加“1。
1．3．1生理生化及分子水平方面研究进展
生理生化方面；80年代后，各国学者在研究植物苗端细胞组织学分区的基础上，进一步对云杉（Picea）、雪松（Cedms）、和松树（Pinus）等成熟植株或幼苗进行了苗端的核酸、多糖，蛋白质及某些酶的组织化学观察¨’21，并注意到顶端分生组织的形态和发育特征与生物化学变化有着密切的关系。
施良、王伏雄等1988发现淀粉在香榧营养茁端的分布及消长也有分区特性，与细胞组织学的分区完全一致巧1。
到了90年代，随着分子生物学的发展，人们开始用分子生物技术手段来研究植物茎尖分生组织的分区和发育过程。
由拟南芥的WU8突变体的分析可见，在胚胎阶段即已建立了中央区和周边区[61即球形胚的顶端区域分隔成中央区，由之成为茎端分生组织；而周边区域的细胞分化成子叶。
当因顶端分生组织的活动，而把其周边的细胞逐步向下推向远离顶端的地方时，后者即形成器官和组织原基，而开始分化过程。
STM
（（shootI删sleInless）基因的突变导致胚胎发生过程中不能形成茎端分生组织。
由拟南芥克隆的STM基因及其推导的编码蛋白的氨基酸序列说明STM基因是编码Homedomain类的KiN基因家族的一员，很可能是通过转录调控而影响SAM的形成·STM基因在整个发育过程中涉及茎端分生组织的结构建成。
茎端分生组织的中央区的细胞分裂活性通常较低。
显然，STM基因在维持SAM
广西大学硬士学位论文甘蘸茎径增粗生长的细胞学基囊研竞——耳生分生组瓤区域化和活动规律
中央区域细胞处于未分化状态具有重要的作用。
STM基因作用于WUS和zLL基因的上游，后两基因为分生组织细胞获得相应的功能所需f7一l。
茎端和花分生组织的中央区域未分化细胞的数目在突变体CLVl和CLV3中增加，从而使顶端分生组织的大小明显增加，说明CLV基因的作用与STM相反，对SAM的中央区域细胞的未分化状态这一特征起负调控作用【9l。
CLVl编码膜结合的受体激酶，由此推测它可能通过蛋白质的磷酸化而影响STM基因产物的转录调控作用Il。
而转基因植物已为KAPV（Kinaseassociatedproteinphosphatase）对CLVl起负调控作用提供了证据【11】，TFL基因的突变则导致在中央区域细胞进行分化时，SAM的活性即告终止。
由此可以认为分化是一个中央区域细胞受阻遏的发育选择（Represseddevelopmentalo面on）过程【71。
由茎端分生组织分化出新叶原基的过程与胚胎发育中予叶形成相似。
在STM突变体中，子叶和叶形成过程受到的影响相似也说明了这一点。
通常在茎端分生组织起源的多数侧生器官均有腋生分生组织形成。
在这方面，器官原基的形成与茎端分生组织状态的维持之间的相互关系是人们注意的重点。
由拟南芥的双突变体tugI：
cuc2（cup_shapedcotyledon）形成的幼苗具有并合的子叶，并没有茎端分生组织。
当在培养中诱导形成苗时，产生的花萼及雄蕊也是并合的，可见CUCl和CUC2基因对于形成分离的器官原基是必需的。
CUC2基因
已经克斛“，其编码蛋白质的氨基酸与矮牵牛（Petuniahybrida）的nain突变
体的同源性达56％，后一突变体的形态学特征与拟南芥菜的相似，即也具并合的子叶，无茎端分生组织【13】。
已发现若干基因与叶的形态有关，如拟南芥菜的angustifolia和rotundifolia突变体，玉米的nan'owsheatll突变体等。
在叶中表达分生组织基因也会导致叶形态的改变，如在拟南芥菜使KNATl基因过量表达，会使形成的叶片边缘明显成为裙摺状，在烟草（Nicotianatabacum）和拟南芥菜中过量表达类kn_l基因也导致在叶上形成分生组织。
由玉米中克隆的同源异型基因knl基因以及由拟南芥菜中克隆的KNATI基因仅在SAM中表达，但在叶原基中不表达，这已使这类基因成为在早期鉴定叶原基细胞的最好标记[141然而，已发现番茄复叶的发育中涉及类kn_l基因的表达。
在番茄（LycoDersiconesculentum）中过量表达kn—l基因，导致增加番茄叶的开裂程度，产生的叶片可具有多达1000个小叶【15】。
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广西大学硬士学位论文甘蔗茎径增粗生长的细臆学基砝研究——屎生分生姐瓤区域化和活动掘捧
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顶端分生组织细胞的分裂和分化受到其所在位置的明显影响。
实验证明用激光处理杀死特定的细胞后其相邻的细胞可以取代原有的细胞位置而获得相应的功能。
茎尖分生组织可以看成是一团在早期胚胎发育中形成的，并从周围分化的组织中接受模式（pattern）形成信息的分裂细胞：
而根尖分生组织则可以看作是一团缺乏内在模式形成信息的分裂细胞116J。
无疑，在顶端分生组织的活动中，也受到整体植物其他器官的影响。
1．4茎尖形态特征及某些生理特性与植株生长发育的关系
1，4．1细胞形态与檀株生长发育的关系
茎分生组织和根分生组织明显不同，其细胞分裂式样不是固定不变，而是通过细胞分裂形成捧列有序和数目稳定的器官如叶序。
花比茎表现更有规律性。
花结构由外到内依次为花萼、花瓣、雄蕊和心皮，这些花器官排列有序，数目稳定。
花器官的排列和数目同分生组织细胞数目密切相关，而分生组织的细胞数目和行为是受基因控制的16～。
研究还发现，分生组织细胞数越多与花器官数日越大紧密相关。
花器官有序排列和花器官数目的稳定，同花分生组织细胞数目的严格控制密切相联。
1．4．2茎尖的酶、激素与檀株生长发育
植物茎尖的酶与植物生长发育有一定的关系。
近些年的研究发现，蛋白激酶是植物发育和抗性反应中重要成分，是信号分子的重要受体，在信号传导过程中起着重要作用。
随着对植物发育过程中信号传导机理认识的不断深入，人们有望通过操作植物发育过程向人们需要的方向发展，达到控制果实的大小和提高产量的目的。
植物茎尖发育过程与蛋白质的变化有一定的关系。
李景原等071（1996）发现伴随着玉米茎尖的阶段性发育，茎尖蛋白质的合成与消失也呈阶段性的变化。
在营养生长向生殖生长转变的转折点，玉米茎尖的多种蛋白质消失，进入生殖生长后又有多种新的蛋白质合成。
李梅兰等【¨】（2002）也发现菜心茎尖蛋白质含量从花芽分化前夕开始伴随着花芽分化的进行里逐步上升的趋势。
作为一个整体，植物激素以及代谢产物运输的调控起着重要的作用。
随着
广西大学硬士学位论文甘麓茎莅增粗生长的细胞学基础研究——露生分生姐瓤区蛾化和活动规律
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越来越多的顶端分生组织的突变体以及相应基因的克隆，无疑会加深人们对顶端分生组织的活动及其调控的认识，而这是植物整个形态发生的基础。
任桂杰等1191（2002）研究棉花花芽分化时期茎尖内源激素的变化发现从子叶展平后到肉眼可见花芽（现蕾），所测几种激素（ABA、IAA、GA3、iPA、ZR）的含：
蠹均表现出明显的动态变化，而且在花芽分化临界期表现出最显著的变化（出现高峰或出现低峰）。
推测所测几种激素均与花芽分化有密切关系。
其中ABA、GA3和CTK（iPA、zR）在花芽分化临界期时，其含量变化均呈现出一个高峰；而IAA则在花芽分化临界期时出现一个低峰。
经比较分析得知，随着花芽分化的进行，ABA／IAA、OA3／IAA、CTK／IAA均表现一个较明显的变化规律。
即从子叶展平时起，其比值开始上升，到花芽开始分化时达到一个峰值，之后逐渐下降，并维持在一个较稳定的水平。
显然，ABA／IAA、GA3／IAA、CTK／IAA在棉花的花芽分化过程中起着重要的调控作用。
由此推测，增加植物体内的ABA、OA3、CTK的含量或降低IAA的含量，都可以促进棉花的花芽分化；反之则抑制棉花的花芽分化t191+
1．5结语
植物苗端是植物地上部分一切组织形态发生的中心，研究植物的苗端结构是值得人们关注的问题，所以曾是前人研究的热点。
关于植物苗端生长锥的分区，之所以有不同的学说提出，主要是由于前人所用的研究材料不同而引起。
关于蕨类植物、裸子植物苗端的结构前人已经进行了大量的研究【4】，被子植物中的双子叶植物的苗端前人也做了不少的研究，关于此类植物苗端的结构，原套一原体学说是很适合的理论，在现有的文献中，一般为人们所接受。
而以单子叶植物为研究材料的并不多见，到底它们苗端的结构如何?
能否区域化?
各区的分化如何?
它们与植株的生长发育关系如何?
分生组织的活动规律以及怎样造成茎的增粗的研究不多?
这些都是值得人们今后进一步继续研究的问题。
随着分子生物学的发展，人们开始用分子生物技术手段来研究植物茎尖分生组织的分区和发育过程，在一些基础性研究领域中，这些现代生物技术手段将会补充传统方法带来的欠缺。
茎尖中酶和激素的活性分布与植株的生长发育有密
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广西必学碱士学位语文甘麓茎饪坩糠生长的知臆学善锄研究——蓐搬分生组氧篮壤化和j蕾动规律
锈联系，这氇是有镣深入研究豹靛阕蘧。
替蔗是革子卧植物，怒广西重要的经济俸秘，静蔗生产是l|雯获蔗茎酶，因蘸，
莲径的筏短和茎粗燕决寇曾蔗单蓬重，魂是决定单位面税产麓的重要因素。
生长锻是重要的组织，甘蔗茎的伸长、叶片的生长发育乃至于鉴的增粗都怒在燕长锥的生长发育基础上而来的，因此，研究甘蔗莲尖生长发育对于阐明甘蔗莲的增粗机理将会有着十分重要的理论和实践意义。
本研究将通过睡间观察、蓬尖形态解割、酶活性以及酶媳组织化学定位、电镜观察等手段来研究甘蔗茎尖生长锥的发旁动态，阐明茎尖生长发育动态墨茎径增粗、捧长豹关系。
7
广西大学硬士学位论文甘蔗茎往增粗生长的细臆学基稿研究——谭生分生组氧区苎堡塑兰塑苎竺
第二章研究目的和实验设计
2．1立题依据和研究目的
甘蔗生产是收获蔗茎的，因此，蔗茎的长度和茎粗是决定甘蔗单茎重，也是决定单位
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