植物学 话题 01 ：植物的细胞

#植物 #细胞器 #结构 #细胞生物学 #细胞壁 #胞间连丝 #后含物 #原生质体

01.1 植物细胞的形状与大小

形状

  • 单细胞：近似球形
  • 多细胞：多面体
  • 均匀组织中，典型的、未经特殊分化的薄壁细胞：十四面体

大小

  • 番茄果肉、西瓜瓤细胞：直径 1 mm 肉眼可见
  • 棉种子上的表皮毛：可延伸长达 75 mm
  • 苎麻茎中的纤维细胞：最长可达 550 mm

影响细胞体积的因素

  1. 细胞大小受细胞核所能控制的范围的制约
  2. 细胞体积小，其相对表面积就大，利于物质交换和转运

[!NOTE] 细胞大小受外界因素的影响 种植过密时，植株由于相互遮光，导致生长素积累，引起茎秆细胞特别伸长

01.2 植物细胞的结构

[!TIP] 请参考：《细胞生物学》

01.2.1 原生质体 protoplast

植物细胞 = 原生质体 + 细胞壁 原生质体 = 细胞核 + 细胞质 原生质构成原生质体

原生质protoplasm：是细胞各类代谢活动进行的主要场所，是细胞最重要的部分

  • 许多植物细胞的原生质体可分离培养成再生植株

[!NOTE] 概念：细胞结构

  • 显微结构 microscopic structure：在 OM 下呈现的细胞结构
  • 亚显微结构 submicroscopic structure：在 EM 下看到的结构（也叫超微结构 ultramicroscopic structure）

1 细胞核 nucleus

并非所有细胞都有核

  • 无核（拟核）：细菌、蓝藻
  • 双核或多核：
    1. 菌藻植物
    2. （少数）维管植物，如乳汁管（多核）、绒毛层细胞（双核）

细胞核的位置和形状随着细胞生长而变化

  • 幼期细胞：细胞核位于细胞中央，近球形，体积大
  • 随着细胞生长和中央液泡形成：细胞核备挤向靠近壁的部位，变成半球形或圆饼状，占细胞总体积变小 or 核被许多线状细胞质索悬吊在细胞中央

细胞核的结构

  • 核膜 nuclear membrane
  • 核质 nucleoplasm
  • 核仁 nucleolus：核质中强折光的小球，合成和贮藏 RNA 的场所，代谢旺盛的细胞核仁大
  • 染色质 chromatin：细胞固定染色后，核质中染色深的部分，遗产物质的主要存在形式
  • 核基质 nuclear matrix：核质中染色浅的部分

细胞核的功能

  1. 储存和传递遗传信息
  2. 通过控制蛋白质合成来调节细胞生理活动

2 质体 plastid

质体：是一类与糖类的合成与贮藏密切相关的双层膜结构细胞器

  • 植物细胞特有
  • 含有环状 DNA
  • 可自我复制和分裂
  • 具有半自主性

质体的分类

  1. 叶绿体chloroplast
  2. 有色体chromoplast
  3. 白色体leucoplast

叶绿体

  • 色素位于基粒的膜上
  • 光合作用所需酶类位于基粒的膜上或基质中
  • 光反应在基粒膜上进行，暗反应在基质中进行

有色体

  • 又叫“杂色体”
  • 双层膜包被，无基粒
  • 只含有胡萝卜素和叶黄素
  • 能蓄积淀粉和脂类

白色体

  • 双层膜包被，无基粒
  • 不含色素，呈无色颗粒状
  • 普遍存在于植物储藏细胞中，起着淀粉和脂肪合成中心的作用

[!NOTE] 概念：特化的白色体

  • 淀粉体（造粉体）amyloplast：储藏淀粉
  • 造油体elaioplast：储藏脂肪

质体的发育

  1. 细胞内双层膜包被的小泡的内膜向内折叠形成前质体 proplastid
  2. 光照下，前质体合成色素，形成基粒，成为叶绿体
  3. 黑暗下，前质体不形成色素，成为白色体 黑暗中生长的植物出现黄化的原因
  4. 光照下，白色体可转化为叶绿体
  5. 叶绿体和白色体可转化为有色体，有色体也可转化为叶绿体和白色体

[!TIP] 发育中的番茄最初含白色体，果实呈白色；后转化为叶绿体，果实呈绿色；最后叶绿体失去叶绿素转化为有色体，果实呈红色

3 线粒体 mitochondrion

细胞进行呼吸作用的场所

4 内质网 endoplasmic reticulum

分类粗面内质网rER和光面内质网sER

  • rER：与蛋白质合成与转运有关
  • sER：主要合成和运输类脂和多糖

5 高尔基体 Golgi body

  • 与细胞的分泌功能有关
  • 分泌物主要是多糖和多糖-蛋白质复合物
  • 与有丝分裂时细胞壁的形成有关
  • 根冠细胞分泌粘液，松树的树脂道细胞上皮细胞分泌树脂也与高尔基体有关

6 核糖体 ribosome

  • 蛋白质合成的中心
  • 多个核糖体常串联在一起，形成一个聚合体，称为多核糖体 polyribosome，合成效率比单个高

7 液泡 vacuole

  • 具有一个大的中央液泡是成熟的植物生活细胞1的显著特征，也是植物细胞与动物细胞在结构上的明显区别之一
  • 液泡被一层液泡膜包被，膜内充满细胞液

细胞液的成分

  1. 细胞代谢产生的储藏物 eg. 糖、有机酸、蛋白质、磷脂
  2. 排泄物 eg. 草酸钙、花青素
  3. 无机盐

[!NOTE] 花青素的显色与细胞液 pH 有关

  • 酸性：显红色
  • 中性：显紫色
  • 碱性：显蓝色

液泡/细胞液的作用

  1. 维持细胞渗透压和膨压，与水分吸收有关
  2. 高浓度的细胞液提高细胞抗寒和抗旱的能力
  3. 细胞液中含的多种水解酶能分解液泡内的储藏物质，重新动用来参加代谢活动
  4. 承担动物细胞中溶酶体的作用
  5. 借助于大的中央泡，把细胞质挤压成贴壁的薄层，有利于原生质与外界发生气体和养料的交换

8 溶酶体 lysosome

植物细胞中，液泡、糊粉粒、圆球体都含有水解酶，具有溶酶体的作用

9 圆球体 spherosome

  • 是一种储藏细胞器，是脂肪积累的场所
  • 内含脂肪酶，一定条件下可将脂肪水解为甘油和脂肪酸

[!IMPORTANT] 辨析：糊粉粒、造粉体、淀粉体、圆球体

  • 糊粉粒：储藏蛋白质
  • 造粉体：又叫淀粉体，合成、储存淀粉，感受重力（根的向地性）
  • 圆球体：储存脂肪

10 微体 microbody

  • 含有氧化酶和过氧化氢酶类

微体的分类

  1. 过氧化物酶体 peroxisome：存在于高等植物叶肉细胞中，与叶绿体、线粒体配合，参与乙醛酸循环，将光合作用中产生的乙醇转化为己糖
  2. 乙醛酸循环体 glyoxysome：主要出现在油料种子萌发时，与圆球体和线粒体配合，把储藏的脂肪转化成糖类

11 微管和微丝 microtubule & microfilaments

  • 微管和微丝相互交织，形成网状结构，称为细胞内的骨骼状的支架，使细胞具有一定的形状，称为细胞骨架 cytoskeleton
  • 微管不稳定，能快速装配，也能快速解聚 秋水仙碱通过破坏微管，组织纺锤体的形成来阻滞细胞分裂
  • 细胞松弛素可破坏微丝，使胞质流动停止 （可逆）

微管的生理功能

  1. 维持细胞形状
  2. 参与细胞壁的形成与生长
  3. 与细胞运动及细胞器的运动有密切关系

微丝的生理功能

  1. 支架作用
  2. 能收缩，可与微管配合，控制细胞器的运动

12 细胞质基质 cytoplasmic matrix

细胞质基质：在 EM 下，看不出特殊结构的细胞质部分 胞质运动：细胞质基质处在不断的运动中，它能带动其中的细胞器，在细胞内作有规律的持续的流动

  • 细胞质基质时细胞器间物质运输和信息传递的介质，也是细胞代谢的重要场所

[!NOTE] 概念：内膜系统

  • 细胞内的细胞器是一个同一的、相互联系的膜系统在局部区域特花的结果这个膜系统被称为细胞的内膜系统。
  • 内膜系统在原生质体内起分隔化、区室化的作用
  • 内膜系统是生物进化的表现，只有真核细胞才有内膜系统，原核细胞不分化成内膜系统

01.2.2 细胞壁 cell wall

[!NOTE] 概念：植物细胞与动物细胞相区别的三大结构特征

  1. 细胞壁
  2. 液泡
  3. 质体
  • 在年幼细胞中，细胞壁与原生质体紧密结合，不能质壁分离

细胞壁的层次

  1. 胞间层intercellular layer
    • 又称为“中层”，位于细胞壁最外侧
    • 主要化学成分：果胶
    • 有较强亲水性和可塑性
    • 有些真菌可分泌果胶酶，溶解胞间层而侵入植物体内
    • 麻类植物的茎浸入水中的沤麻过程是利用微生物分泌酶分解纤维的胞间层使其相互分离
  2. 初生壁 primary layer
    • 夹在次生壁和胞间层中间
    • 是在细胞停止生长前原生质体分泌形成的
    • 主要化学成分：纤维素、半纤维素、果胶、（少量）结构蛋白
    • 有较大可塑性
  3. 次生壁 secondary layer
    • 位于细胞壁最内侧，与原生质体直接接触
    • 是细胞停止生长后，在初生壁内侧继续积累的细胞壁层
    • 主要化学成分：纤维素、（少量）半纤维素、木质
    • 较厚，质地坚硬，有增强细胞壁机械强度的作用
    • 在 OM 下，厚的次生壁层可显示出折光不同的三层：外层、中层、内层

[!CAUTION] 不是所有细胞都具有次生壁 大部分具有次生壁的细胞在成熟时，原生质体死亡，残留的细胞壁起支撑和保护植物体的功能

纹孔和胞间连丝 pit & plasmodesma

初生纹孔场：初生壁上一些明显的凹陷区域

  • 初生纹孔场上集中分布许多小孔，细胞的原生质细丝通过这些小孔，穿过细胞壁，与相邻细胞的原生质体相连，即胞间连丝
  • 胞间连丝plasmodesmaL：是细胞原生质体之间物质和信息直接联系的桥梁，是多细胞植物体成为一个结构和功能上同一的有机体的重要保证
  • 初生纹孔场上形成纹孔（初生壁上完全不被次生壁覆盖的区域），一个纹孔由纹孔腔 pit cavity 和 纹孔膜 pit membrane 组成
  • 纹孔分类：单纹孔simple pit、具缘纹孔bordered pit

纹孔塞pit plug：某些裸子植物管胞壁上有一种特殊的具缘纹孔，他们的纹孔膜中央部位有一个圆盘状的增厚区域，称为“纹孔塞”。这种具缘纹孔在一定条件下有控制水流的作用

  • 细胞壁上的纹孔常与相邻细胞壁上的纹孔相对，二者合称为 纹孔对 pit pair
  • 纹孔对中的纹孔膜是由两层初生壁和一层胞间层组成
  • 初生纹孔场、纹孔的意义：有利于细胞与环境以及细胞间的物质交流

细胞壁的化学组成

  • 最主要的化学成分：纤维素
  • 与纤维素相结合，普遍存在于细胞壁中的其他化合物：果胶、半纤维素、非纤维素多糖 由于这些物质都是亲水性的，因此细胞壁中常含有大量水分，水溶性物质易透过

[!NOTE] 可渗入细胞壁的其他物质

  • 角质化/栓质化：渗入角质/栓质，由于这两物质是脂肪性物质，因此角质化/栓质化的细胞壁不易透水，可减少蒸腾，免于雨水浸渍
  • 木质化：渗入木质，有很大硬度，既加强了机械结构，又能透水
  • 矿质化：渗入矿质，主要是碳酸钙和硅化物，使细胞壁具有较大硬度，增加了支持力

[!TIP] 举例：不同植物组织的细胞壁

  • 茎、叶：细胞常角质化或栓质化，减少烈日下水分的散失，加强了保护作用
  • 树木木质部：强烈木质化，使茎干能承受大的压力，加强支持作用

细胞壁的亚显微结构

  • 构成细胞壁的结构单位：微纤丝 microfibril
  • 细胞壁生长时，微纤丝是成层连续地敷设到壁上去的
  • 微纤丝沉积方向：可能受质膜下微管的排列方向的控制
  • 微纤丝的合成：可能与质膜有关
  • 成熟细胞中，不同细胞壁层的微纤丝排列成不同方向，这样的排列方式大大增强了细胞壁的坚固性

01.3 植物细胞的后含物

后含物ergastic substance：是细胞原生质体代谢作用的产物

  • 植物的后含物可存在于原生质体或细胞壁中

01.3.1 淀粉

  • 在细胞中，淀粉以颗粒状态存在，称为淀粉粒 starch grain
  • 淀粉是由质体合成的
  • 淀粉体（造粉体）在形成淀粉粒时，由一个中心开始，从外向内层层沉积，这一中心便形成了淀粉粒的脐点 hilum

01.3.2 蛋白质

  • 无定形蛋白质常被一层膜包裹成圆球状的颗粒，称为糊粉粒 aleurone layer
  • 贮藏蛋白质能累积在液泡内

[!TIP] 举例：豆类子叶植物形成糊粉粒的过程

  1. 大液泡分散成小液泡
  2. 随种子成熟，小液泡中的蛋白质形成糊粉粒
  3. 种子萌发时，糊粉粒中的蛋白质被利用，小液泡重新转变成大液泡

01.3.3 脂肪和油类

  • 质体和圆球体都能积聚脂类，发育成油滴

01.3.4 晶体

  • 植物细胞中，无机盐常形成各种晶体crystal，一般被认为是新陈代谢的废物，形成晶体后避免了对细胞的毒害
  • 植物中最常见的晶体：草酸钙晶体
  • 少数植物中含有：碳酸钙晶体

  1. 生活细胞：与非生活细胞相对，可简单理解为就是活细胞

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