碳水化合物的运输及分配2万

1、第十章 韧皮部运输与同化物分配 （6 学时）第一节 韧皮部中的同化物运输（ 1 学时）第二节 韧皮部运输机理 （2 学时）第三节 碳水化合物的装载与卸出 （15 学时）第四节 同化物的配置与分配 （1.5 学时） 主要内容 ：介绍韧皮部同化物运输与分配机理与调控。 教学要求 ：要求学生掌握研究韧皮部运输的方法，韧皮部运输物质的形式，运输方向，速率， 韧皮部运输机理，韧皮部装载和卸出途径、机制，同化物的分配规律及调控等。 教学重点 ：韧皮部运输机理（主要有压力流动学说） ，同化物分配规律及调控。 教学难点 ：授课时数 ：6 学时引言： （3min ） 同化物运输的意义， 调控同化物运输与分配在农

2、业生产上的意义， 本章主要内容。植物， 特别是陆生植物通过根进行水和矿质元素的吸收， 通过叶片进行气体交换和光合作用， 根 需要叶片光合作用所生产的同化物以满足其功能和生长的需要， 而叶片则需要根所吸收的水分和 矿质作为光合作用的原料， 此外， 光合作用生产的同化物必须输送到植物的各个部分以满足植物 体生长和发育的需要， 因此植物所面临的一个重大问题是如何解决地上和地下以及植物体各部分 间物质的运输问题。同化物 （同化物是指植物通过自身的代谢活动而产生的物质）的运输和分配对于农作物产量的形成是极为重要的， 作物产量不仅取决于光合作用产量的高低， 同时也取决于光合作用生产的 同化物能否高效地进行

3、运输，特别是作物的经济产量还取决于同化物向经济器官分配的比例。有关水分和矿质元素的运输我们已经在以前的章节分别作了介绍， 在这一章中我们将阐述同 化物， 主要是光合作用的产物在植物体中运输的途径， 运输的形式， 运输机理和同化物在植物体 中的分配等问题。第一节 韧皮部中的同化物运输 （1 学时）一、韧皮部是同化物运输的主要途径韧皮部 （phloem） 是同化物在植物体内运输的主要途径。实验 1, 环剥实验： 有关同化物在韧皮部进行运输的推测可以追溯到早期植物学家所做的树 皮环割的观察 （图 ）。由于树木的韧皮部在树的树皮部分而木质部在树的树干部分，如果将树木或 枝条茎部的一圈树皮用手术完全除去

4、， 这样韧皮部就会被完全截断而木质部依然畅通。 被环割的 树或枝条通常可以在相当长时间内正常生活， 环割以上的叶的蒸腾照常进行， 但是环割以下部位 的树皮逐渐枯竭死去， 而环割以上部位的树皮则仍然健康， 在环割部位上方的树皮会逐渐膨大起 来，这是由于在树叶中生产的同化物的运输被阻断并在环割处积累所致。 据此可以推测光合作用 生产的同化物主要是在韧皮部中进行运输的。必须指出的是：向下运输的韧皮部汁液有许多含氮化合物，激素等，它们能促进细胞的分裂和生长，与韧皮部组织膨大有关。 如果环割不宽（0.3-0.5cm）,切口能重新愈合。 如果切口较宽, 时间一长，根系会死亡，地上部也会逐渐死亡。环剥在生产

5、上有许多应用：苹果树旺枝适度环割， 促进糖分积累，促进花芽分化，控制徒长。花木繁殖等，在欲用来生根的枝条环割，促进生根。实验2放射性同位素示踪实验：此法可以更加精确地证明同化物是在韧皮部进行运输的。带放射性同位素的物质可以通过多种途径引入植物体内，例如（1 ）可以在叶面或切除叶片的叶柄直接饲喂带有放射性同位素的蔗糖，（2）也可以用含有放射性碳同位素的CO2饲喂特定叶片，利用植物光合作用固定 CO2将放射性同位素引入植物体内。比较常用的方法是饲喂14C同位素CO2的方法。经植物叶光合作用固定 CO2的作用，放射性同位素14C被转化到光合同化物中，因 此光合同化物的运输可以通过对其放射性的监测进行

6、研究。对于同位素的监测有放射性测定仪和放射性自显影（组织切成薄片，与感光胶片放在一起，暗中暴光，显影定影）等方法。利用放射 性同位素的方法已经证明同化物的运输是在植物韧皮部进行的（见图11-1 ）。、韧皮部的结构韧皮部的结构是阐明韧皮部运输功能的基础，在其结构被充分阐明之前，韧皮部执行运输功能的过程和机制是无法得到解释的。虽然很早就已经了解同化物是在韧皮部进行运输，但是由于筛管处于较大的压力的状态下（我们将在以后进行讨论），在材料的处理和化学固定过程中极易造成其超微结构的改变，因此对于韧皮部，特别是筛管分子超微结构的阐明还是较近期的事。韧皮部通常位于初生和次生维管组织之间，主要包括筛分子， 伴

7、胞和薄壁细胞（见图11-2）。在有些情况下还有纤维、石细胞和乳管等。在维管束的外周常包围着一层鞘（bundle sheath）。这层鞘在叶片中将维管束和叶的其他组织隔离开，可能会减少水分从木质部的泄漏，有利于水的运输。此外，维管束鞘细胞在 C4植物的光合作用中有特殊的意义。（一）筛分子韧皮部中同化物运输的主要通道是筛分子（sieve element）。筛分子是一个统称，其中包括被子植物的筛管分子（sieve tube element）和裸子植物的筛胞（sieve cell）。但也有人认为筛分子即筛管 分子。1、筛管分子的结构被子植物的筛管分子是高度分化的细胞（见多媒体图）。成熟的筛管分子是细长

8、的筒状细胞，直径约2040.!_m，长度为1005OO.Lm。成熟筛管分子中缺少许多正常细胞具有的细胞器，例如细胞核、高尔基器、液泡、核糖体以及微管和微丝等，但是筛管分子仍然有一些线粒体和滑面内质网。具有完整质膜，在膜上有许多载体进行着活跃的物质运输，它的细胞壁也不象导管那样木质化。筛管分子的生活力在很大程度上依赖于与它相邻的伴胞。筛管分子首尾相接串联在一起形成一个管道”，称为筛管（sieve tube）。筛管分子的端壁上形成多孔的特化筛域叫 筛板（sieve plate）。筛板是在筛管分子分化过程中逐步形成的。在筛管分 子的分化过程中，相邻筛管分子间胞间连丝扩大，胞间连丝扩大的部位会发生胼胝

9、质的沉积并逐步突破细胞壁的中胶层形成穿孔，即筛孔。筛孔的孔径可达0.5m或更宽，筛孔面积约占筛板总面积的50%。筛管分子的这种中空”的结构非常适合于汁液的集体流动，这对于它的运输功能是十分重要的。筛管分子的功能可以维持数年之久，在某些棕榈树中筛管的寿命甚至可能长达百年。2、P-蛋白在所有的双子叶植物以及许多单子叶植物的筛管分子中都存在一类韧皮部特有的蛋白质，称作 P-蛋白（phloem protein）。（1） P-蛋白的形态和结构P-蛋白在筛管分子中可以有多种存在形式，例如管状、丝状、颗粒状、结晶状等等，这些存在形式往往与植物种类和筛管分子的成熟程度相关。在幼嫩的筛管分子中，P-蛋白在细胞质

10、中形成扭曲盘绕的球形或纺锤形蛋白结构，称为P-蛋白体（P-protein body）。细胞成熟后，P-蛋白形成管状或丝状的结构。在葫芦科（Cucurbita ）植物中P-蛋白主要有PP1和PP2两种，PP1是筛管中的丝状蛋白，PP2是筛管中的植物凝集素（lectin）。由于筛管分子不具备 核糖体因而无法合成蛋白质，因此筛管蛋白可能都是在伴胞中进行合成并通过胞间连丝转运到筛管分子，而后在筛管中装配成P-蛋白丝或P-蛋白体。利用种间嫁接的方法观察到在砧木中表达的P-蛋白可以运输到接穗，说明P-蛋白可以在筛管中进行运输。（2） P-蛋白的功能P-蛋白的功能可能是防止筛管中汁液的流失。在筛管中通常需要

11、维持较 大的压力用于筛管的集流运输。当筛管发生破裂或折断时，筛管内的压力会将筛管汁液挤出筛管 因而造成营养物质的流失，如果不把受伤的筛管堵住，植物就可能会因“血流不止”而死亡，因此，筛管的及时堵漏是很重要的。在筛管发生断裂时，P-蛋白会随汁液流动并在筛板处堵塞通道 从而防止汁液的进一步流失。3、胼胝质筛管中另一种重要物质是胼胝质（ callose）。胼胝质是一种01,3-葡聚糖。合成胼胝质的酶位 于质膜上，它的合成以一种“向量”的方式进行，即反应底物在细胞质一侧而反应的产物则在细 胞壁一侧，合成的胼胝质沉积在质膜和细胞壁之间。正常条件下，只有少量胼胝质沉积在筛板表面和筛孔四周。（前面已经提到，

12、胼胝质的合成在筛管分子发育过程中对筛孔的形成起着很重要 的作用。此外，筛管断裂时的进一步补漏需要胼胝质的参与。）当筛管的伤害刺激会引发胼胝质的聚合反应；其他胁迫如机械、高温等也可以引发胼胝质的形成；植物休眠时也会发生筛管的胼胝质合成。胼胝质的形成可以有效地将受破坏的筛管分子与周围完整组织隔离开来。当筛管分子恢复以后，胼胝质又会消失。4、筛胞裸子植物中的筛分子是筛胞。筛胞的特化程度不如被子植物的筛管分子。筛胞也是细长的筒形细胞（见多媒体图），长度可达1mm，筛胞的两端成斜面，不具备筛板，筛孔区通常在两侧。 筛胞中没有P-蛋白存在。由于筛胞间没有直接的通道相连，因此同化物在裸子植物筛胞内的运 输机

13、制可能与被子植物筛管分子的运输机制完全不同。（二）伴胞1、伴胞的形态和结构每个筛管分子周围都有一个或数个伴胞（companion cell）。组成筛管 一伴胞复合体（sieveelement-companion cell complex, SE CC复合体）。伴胞通常具有浓厚的细胞质和大量的线粒体。在筛管分子和伴胞之间有大量的胞间连丝， 特别是有一些分叉的胞间连丝存在。 伴胞与筛管间 的 胞间连丝比其它部位细胞间胞间连丝具有运输更大分子量物质的能力（SEL10kD , size exclusion limit ) , 为蛋白质从伴胞向筛管运输提供途径。伴胞中有大量线粒体存在，线粒体中产 生的大

14、量能量有助于韧皮部的装载和卸出。2、伴胞的类型在成熟叶片的小叶脉中存在不同类型的伴胞， 这些伴胞在光合产物从光合细胞输送到筛管的 过程中起重要的作用。 在成熟叶片的小叶脉伴胞至少具有三种类型， 普通伴胞 (ordinary companion cell)、转移细胞(transfer cell)和中间细胞(intermediary cell)(图 11-4)。( 1)普通伴胞普通伴胞具有叶绿体，叶绿体中有发育完好的类囊体。普通伴胞除了与筛管分子之间有大量胞间连丝之外， 在其他部位很少有胞间连丝。 这样，除了筛管分子之外普通 伴胞与周围其他细胞之间没有共质体的通道， 因此这些细胞中的物质必须通过质

15、外体途径进入伴 胞，再进一步进入筛管。( 2)转移细胞转移细胞与普通伴胞类似，也仅与筛管分子间具有大量胞间连丝，但是转移细胞具有另一个显著的特征， 即转移细胞的细胞壁向内形成许多指状内突， 特别是那些不与 筛管分子相邻的壁。 细胞壁的这种内突使转移细胞与质外体空间的接触面积极为扩大， 增加了细 胞跨膜运输的能力，加速物质分泌与吸收。转移细胞和普通伴胞的这种仅与筛管分子间富集胞间连丝的结构特征， 以及转移细胞壁的内 突结构特征是与它们的功能相适应的。 目前认为， 转移细胞和普通伴胞是专事从质外体或细胞壁 间隙吸收溶质的特化细胞。 在木质部的薄壁细胞也可能特化为转移细胞， 这种转移细胞可能负责 从

16、木质部转移溶质，同样是从质外体吸收物质。( 3)中间细胞第三类伴胞是中间细胞。中间细胞的叶绿体不含淀粉，类囊体常发育不完全，细胞中有大量的小液泡。 中间细胞最重要的特征是与周围细胞， 特别是和鞘细胞间有大量 的胞间连丝相联系。因此中间细胞的功能是通过共质体途径吸收溶质。此外还发现源端和库端筛管周围的伴胞体积大于运输中间途径中的伴胞，而且细胞质浓厚， 线粒体密度大，可能与同化物的装载和卸出有关，(三) 薄壁细胞韧皮部中的薄壁细胞与其他组织中的薄壁细胞类似， 细胞壁较薄， 液泡很大， 但是通常比普 通薄壁细胞更长一些。韧皮部薄壁细胞可能有溶质和水的储存和运输的功能。(四) 小叶脉叶片中的小叶脉 (

17、minor vein) 在韧皮部的装载中具有特别重要的意义。 在典型的叶片中维管束 类似树叉状逐级分布， 维管束的末梢即小叶脉遍布整个叶片。 在叶片中所有叶肉细胞距离小叶脉 一般不会超过几个细胞(图 11-5)。小叶脉中仅有一或两个筛管，叶肉细胞中光合作用生产的同 化物主要在小叶脉被装载进入筛管，以后逐级汇入主叶脉向植物体全身运输。第二节 韧皮部运输的机制 (2 学时)一 韧皮部运输物质的化学性质及其形式1 收集韧皮部汁液的方法 要证明同化物是以何种化合物形式进行运输首先要收集足够的筛管汁液， 但要得到筛管汁 液并非易事。 ( 1 )首先切断韧皮部收集筛管汁液的方法会由于伤口处破坏的薄壁细胞造

18、成收集液 的污染；( 2)其次当筛管被切断后由于筛管分子的堵漏机制筛管中的运输会立即停止， 无法收集 到足够量的汁液。 某些种属的植物在韧皮部被切断后筛管汁液仍然可以继续分泌， 特别是当用钙 离子的螯合物 EDTA 处理切口，可以增加分泌速率。这是因为胼胝质的合成需要钙的存在，当 钙被去除后胼胝质的合成会受阻， 因此筛管伤口无法封闭； ( 3)再者筛管的切断会造成筛管内压 力的降低因而水势降低，水会从周围进入筛管分子，这样筛管中汁液会被稀释。蚜虫吻针技术是较为理想的收集筛管汁液的方法。 蚜虫进食的方法是将其口器刺入植物的筛 管，由于筛管中存在压力因而筛管汁液会被挤入蚜虫体内， 蚜虫将其中的氨基

19、酸吸收后筛管汁液 被排出蚜虫体外。如果用 CO2 将蚜虫麻醉，再用激光进行切割将蚜虫身体和口器分离，由于蚜 虫口器依然插在筛管中， 筛管汁液会继续从口器的切口处泌出。 筛管汁液的泌出可以持续数天之 久，收集泌出的汁液即可作为分析之用。 蚜虫吻针技术不会造成污染和筛管的封闭， 因此在韧皮 部运输的研究中有重要意义。2韧皮部汁液的成分韧皮部汁液分析结果表明： 韧皮部汁液干物质占 10-25% ，其中主要是碳水化合物，其余为蛋 白质，氨基酸、激素和一些无机离子。碳水化合物主要是糖， 在筛管中糖通常总是以 非还原态 进行运输， 这可能是因为糖的非还原 态形式的 反应活性低 于它的还原态形式。 对于大多

20、数植物来说， 筛管中最主要的非还原糖是蔗糖， 筛管中蔗糖浓度可以达到 0.3 到 0.9M ，可以占干物质的 90 。除了蔗糖之外，蔗糖还可以与半 乳糖(galactose)分子结合形成其他化合物进行运输，女口棉子糖(raffinose)是蔗糖结合一分子半乳糖的化合物，水苏糖(stachyose)是蔗糖结合两分子半乳糖的化合物，毛蕊花糖(verbascose)则由蔗糖和三分子半乳糖组成。在筛管中运输的还有 甘露醇 (mannitol) 和 山梨醇 (sorbitol) 等糖醇。在韧皮部进行运输的还有其他的有机物(10%)：含氮化合物：主要是氨基酸及其酰胺形式，特别是谷氨酸、天冬氨酸以及它们的酰

21、胺， 谷氨酰胺和天冬酰胺。植物激素，生长素、赤霉素、细胞分裂素和脱落酸都可以在韧皮部进行运输。虽然生长 素可以在木质部进行极性运输，但是长距离的激素运输至少部分是在筛管中进行。核苷酸、蛋白质和 RNA 等。筛管中还有一些与基本的细胞功能相关的蛋白质，例如进 行蛋白质磷酸化的蛋白激酶、参与二硫化合物还原的硫氧还原蛋白、降解蛋白质 的泛素、指导蛋白折叠的分子伴侣等等。无机离子：有钾、镁、磷和氯，但是硝酸、钙、硫和铁则存在较少。二 韧皮部运输的方向和速率1、韧皮部运输的方向韧皮部中物质运输方向是从源向库进行。2、韧皮部运输的运输速率(1)运输量的表示方法物质在韧皮部的运输量是很大的。通常可以用两种方

22、法表示韧皮部的运输量：运输速率 (velocity) 和比集运量 (mass transfer rate)。运输的速率是单位时间内物质运动的距离，用m/h或mm/s表示。在不同植物中测到的运输速率有很大差异，大约范围在0.31.5 m/h之间，平均约1 m/h。但是由于参与运输的韧皮部或筛管的截面积在不同物种和不同植株间变化很大， 运输速率并不能真正反映运输的数量， 运输 的数量一般用比集运量来表示。 比集运量是指单位截面积韧皮部或筛管在单位时间内运输物质的 质量，常用g m-2 h-1或g.mm-2 s-1表示。（ 2）运输速率的估算和测定早期比较粗略的测定运输能力的方法是根据某个库器官在一

23、定时间内的增重来估算运输速率。进一步测定韧皮部的截面积，即可经计算得到其比集运量。 如果要估算筛管中溶液的运输速度， 则可根据物质的密度和溶液中该物质的浓度来进行估算。 即： 筛管中溶液的运输速度=质量运输速率十物质的密度十物质的浓度。运输速率可以用放射性同位素的方法进行测定。 但是由于 14C 的放射性半衰期较长不适合用 于运输速率的测定，因此用放射性半衰期较短的11C 放射性同位素进行测定。三 韧皮部运输的机制本节主要介绍同化物在筛管中的运输机制。 韧皮部运输是经过活细胞的运输，运输速度快，量大，其机制一直是倍受关注的课题。曾提出多种学说解释韧皮部运输机理， 可分为两类： 其一是主动运输机

24、制， 认为在源端的装载和库端 的卸出， 以及溶质在筛管中的运输过程都是需要能量的。 另一类学说是被动运输机制， 认为虽然 源端装载和库端卸出需要能量， 但是筛管运输本身是不需要能量的， 这个过程所消耗的能量是用 于维持运输细胞功能的完整性， 或者将渗漏的糖重新运回细胞。 目前广泛被接受的是被动运输机 制，既压力流动学说。（扩散对于在韧皮部运输中溶质的运动速度而言， 速度是太慢了。 筛管中溶质运动的平均速 度可达1m/h,而扩散1米距离所需的时间要 32年，因此扩散不可能是韧皮部运输的主要方式。 ）1 压力流动学说压力流动学说提出：是 Ernst Munch 在 1930 年首先提出的,该学说认

25、为筛管的液流是靠源端和 库端渗透势所引起的膨压差所建立的压力梯度来推动的（图11-7）。源库间压力差的建立过程是这样的： 在源端韧皮部进行溶质的装载, 溶质进入筛管分子后细胞渗 透势下降同时水势也下降, 于是木质部的水沿水势梯度进入筛管分子, 筛管分子的膨压上升； 另一方面, 在运输系统的库端, 由于韧皮部的卸出,库内筛管分子的溶质减少,细胞渗透势 提高, 同时细胞水势也提高, 这时韧皮部的水势高于木质部, 因此水沿水势梯度从筛管分子 回到木质部, 引起筛管分子膨压的降低。 这样就在源端和库端形成膨压差。 由于源库端的 膨压差, 筛管中的汁液沿压力梯度从源向库运动。 筛管中汁液的运动本身并不需

26、要能量, 但 是在源库端进行的装载和卸出则是消耗能量的。能量主要用于建立和维持源库两端的压力 差。在韧皮部的运输系统中, 筛板极大地增加了筛管对水流的阻力。 但是这种阻力对于建立和维持源 库两端的膨压差却是十分必要的。 因为如果没有筛板的阻力, 筛管两端的膨压会很快达到 平衡,因而无法建立起源库两端的膨压差,也就不能形成筛管汁液的集流。值得注意的是, 韧皮部集流的运动是逆水势梯度进行的。 由于水在筛管中的运动是集流而非渗透 （筛管分子间无细胞膜） ,因此渗透势在此不是水运动的动力, 而压力差才是水运动的动力。 同化物是随水的集流而被带动在筛管中进行运输的。压力流动学说的实验证据植物韧皮部的运输

27、机制如果符合压力流动学说,就必须具备以下条件：（1）、筛管间的筛孔必须是开放的如果筛孔发生堵塞（如P-蛋白或其他物质），会对集流产生很大的阻力， 以致集流无法产生， 因此如果筛管中汁液是以集流形式运动则筛孔必须是开放的。但是早期的电镜观察结果是不支持压力流动学说的。 在这些观察中常发现筛管分子的孔道是 被堵塞的。 其原因可能就是由于无法在筛管分子的保护反应发生之前将细胞的结构固定下来。 因 为筛管分子具有防止泄漏的保护机制， 当切割或固定植物材料筛管发生断裂或渗漏时，筛管分子间的筛孔会迅速被 P- 蛋白和胼胝质堵塞。近年来发展起来的快速冷冻和固定技术提供了更为可靠的对筛管分子的观察结果。利用这

28、些技术得到的电镜结果表明筛管分子中P- 蛋白常位于筛管分子的外周或者分布在整个管腔，位于筛孔的 P- 蛋白沿孔道或以疏松的网状分布。在葫芦科、甜菜、豆类等许多植物中都观察到这样 的筛孔的开放状态。 这些观察结果是符合压力流动学说的。 对于活体植株中韧皮部运输的直接观 察是说明筛管分子间是否开放的最有力的证据。最近利用共聚焦显微镜技术对蚕豆(Vicia faba)中筛管分子在活体状态下荧光分子的运输过程进行了观察，结果表明筛管孔道在活体中是开放的。(2) 、在同一筛管中没有双向运输的发生根据压力流动学说，在同一个筛管分子中不可能发生双向运输(bidirectional transport) 。因

29、为溶质在筛管中是随集流而运动的， 而集流在一个筛管中只能有一个方向。 虽然早期有实验说明物 质可以在韧皮部进行双向运输， 但是溶质在韧皮部的双向运输可能是在不同的维管束或不同的筛 管分子中进行的。对于筛管分子中运输方向的观察一般是通过在筛管中装入示踪物如荧光染料，然后根据示踪物的运动方向来确定筛管集流的方向。 常常可以观察到示踪物在茎的不同维管束中沿不同方向的 运动；在叶柄的同一维管束中也可以观察到邻近的不同筛管分子中示踪物沿不同方向的运动，特别是当叶片处于库源转变过程的时候。 但是目前还没有确切的观察证据表明在同一个筛管分子 中存在双向的物质运输。因此目前对筛管分子中物质运输方向的观察结果是

30、支持压力流动学说 的。(3) 、筛管运输本身并不需要能量 虽然能量对于维持筛管分子的结构和膜的完整性以及将渗漏的糖重新装回筛管需要一定的能量，但是在筛管中的运输本身并不需要能量，因此限制ATP 的供应，例如低温、缺氧、代谢抑制剂等不会中止运输。一些可以耐受短期低温的植物比如甜菜，使其叶柄的一段处于1C的低温，这时组织的呼吸被抑制了 90，而韧皮部的运输在受到暂短的抑制后可以逐步恢复到正常水平。把南瓜 (Cucurbitapepo)叶柄置于100%的氮气和黑暗条件下，运输部位的有氧呼吸被完全抑制但是运输过程依然进 行。因此，韧皮部运输本身并不是一个耗能的过程。对于一些非耐寒的植物如豆类，低温处理

31、叶 柄或用呼吸抑制剂处理会抑制韧皮部运输， 但电镜观察结果表明这些处理会造成筛管分子间筛孔 的堵塞，因此造成运输抑制的原因可能是筛孔的堵塞而非不能满足运输的能量需求。(4) 、在源端和库端存在膨压差压力流动学说要求正的压力梯度，在源端的筛管分子的膨压应该大于库端筛管分子的膨压， 而且压力差应足以克服筛管的阻力并使汁液流速达到已观察到的水平。对源端和库端筛管分子的膨压可以进行直接测定， 测定的基本方法是通过将针刺入筛管分子 并把和针相连的压力感受装置和细胞内部连通从而直接测定出细胞的膨压。早期比较粗糙的测定装置是由注射针和简单的气压计组成， 当然这样的装置是很难得到准确数据的。 以后又采用蚜虫

32、吻针的方法， 让蚜虫将吻针刺入筛管分子， 然后将吻针与虫体分离后再与微压力计或压力传感器 连结， 测定筛管分子的膨压。 因为蚜虫的吻针只刺入单个筛管分子并且不会造成泄漏，所以这一方法可以得到准确可靠数据， 但是它的技术难度比较大。 根据目前所得到的源库端膨压的测定值， 我们可以发现源端总是具有比库端更高的膨压值。源端和库端筛管分子的膨压值也可以通过从渗透势和水势计算得到。 根据这样的计算， 源库端膨压的压力差值大约是 0.41MPa,而根据筛管集流的速率、 筛管的阻力和长度等计算得到的源 库两端所需的膨压差值是 0.12到0.46MPa。因此源库端存在的膨压差是足以推动筛管集流的运 行的。2其

33、他韧皮部运输机制 ( 略)在较早期的对韧皮部运输机制的研究中还曾提出过若干其他的假说。胞间连络束和胞质泵动在对筛管的活体观察中曾发现在筛管中存在一些束状的结构贯穿筛孔，并且有胞质颗粒沿这些束状结构运动。 根据这样的观察结果提出： 在筛管中有束状的胞间连络束经筛孔穿越一系列的 筛管分子， 筛管中可以有多个这样的连络束， 一些束可以向一个方向移动而另一些束则向相反的 方向移动， 束间的溶液是蔗糖的储藏库， 束移动的能量来自筛管中的蔗糖浓度梯度。 蔗糖在源端 不断加入而在库端不断卸出，因此形成蔗糖的浓度梯度，这个浓度梯度越陡运输的速率就越快。P-蛋白收缩推动这个假说认为筛管中存在的大量P-蛋白可以在

34、筛管中形成可以收缩的管状纤丝并组成索状的网络结构， P- 蛋白纤丝是中空的管状丝并可成束穿过筛孔， 在其中可以发生微蠕动现象推动溶 液的主动运输。这些假说推测的成分较多， 缺少实验的证据。 目前被普遍接受的韧皮部运输机制仍然是压力 流动学说。虽然目前被子植物的大部分实验结果支持压力流动学说，但是在裸子植物中却有所不同。 裸子植物的筛胞间并不具有开放的筛孔， 电镜观察结果表明在筛胞的筛孔中有大量的膜并与细胞的 滑面内质网相连， 因此裸子植物筛胞的结构显然不符合压力流动学说的要求。也许在不同植物中韧皮部运输具有不同的机制。第三节 同化物的装载与卸出碳水化合物在源端的装载和库端的卸出是韧皮部运输动力

35、的来源，同时碳水化合物的运输及其分配对农业生产有重要的意义， 源端装载对叶的光合作用和库端卸出对果实和籽粒的产量等等 都有极为重要的影响。一 韧皮部装载(一) 皮部装载的过程和途径韧皮部装载 (phloem loading) 包括光合产物从成熟叶片中叶肉细胞的叶绿体运送到筛管分子 伴胞复合体的整个过程，其中包括三个步骤： 第一个步骤是光合作用产物从叶绿体外运到细胞质。在白天，光合作用生产的磷酸丙糖从叶 绿体外运到细胞质，然后转化为蔗糖；在夜里，叶绿体中的淀粉水解为葡萄糖，之后被 运送到细胞质并转化为蔗糖；第二个步骤是蔗糖从叶肉细胞运输到叶片小叶脉的筛管分子-伴胞复合体附近。这个过程往往只涉及几

36、个细胞的距离， 因此也称为短距离运输 (short-distanee transport)；第三个步骤是筛管分子装载 (sieve element loading) ， 即蔗糖进入筛管分子 - 伴胞复合体的过程。 蔗糖和其他溶质进入筛管后， 就会随集流被运出源器官， 称之为输出 (export) 。而通过维管系 统从源向库的运输则称为长距离运输 (long-distance transport) 。韧皮部装载的途径光合产物的韧皮部装载可以通过质外体途径 (apoplastic pathway) ，也可以通过共质体途径 (symplastic pathway) (图 11-8)。不同植物可能采用

37、不同的途径。由于韧皮部装载是指从 叶肉细胞到筛管分子 - 伴胞复合体的全过程，涉及许多细胞，对于共质体途径来说，首 要条件是参与此途径的细胞间都具有大量的胞间连丝； 而质外体途径并不意味着全过程 都是在质外体中进行，只要在此途径中任何步骤必须经过质外体，那么这个途径就是质 外体途径的韧皮部装载，因此存在这样的可能性即某个韧皮部装载是质外体途径的，而 筛管分子装载却是通过共质体的。二) 韧皮部装载的类型韧皮部装载类型是和小叶脉伴胞类型、 筛管分子伴胞复合体与周围细胞间胞间连丝的密度 以及糖的运输形式等因素相关的。韧皮部装载的途径首先取决于伴胞类型和筛管分子 - 伴胞复合体与周围细胞胞间连丝的密

38、度。在本章有关伴胞的内容中我们已经介绍了伴胞的三种类型，即普通伴胞、转移细胞 和中间细胞。普通伴胞和转移细胞除了与筛管分子间有大量胞间连丝外，与周围的其他 细胞缺少胞间连丝的连络，因此光合产物进入筛管必须经过共质体的途径。而中间细胞 与周围细胞间有大量的胞间连丝存在，因此光合产物可以经过共质体的途径进入筛管。筛管分子 - 伴胞复合体与周围细胞胞间连丝的密度在不同植物种属中有相当大的差异。一般 可以根据其密度的大小分为类型 1类型2a和类型2b,即有大量胞间连丝存在，有中 等密度的胞间连丝存在和几乎无胞间连丝存在三种类类。 不同类型间胞间连丝的密度差 异约有 10 倍,从类型 1到类型 2b 的

39、差异可达 1000 倍。除了结构特征外,韧皮部装载的途径还与所运输糖的形式有关。以蔗糖为同化物运输形式的 植物种属大多数都利用质外体韧皮部装载途径, 这些植物在小叶脉的伴胞类型通常为普 通伴胞或转移细胞, 在筛管分子 - 伴胞复合体与周围细胞间很少有胞间连丝, 为类型 2b。 例如甜菜,许多豆科植物等。而具有共质体韧皮部装载途径的植物种属除蔗糖外还运输 棉子糖、水苏糖等多聚糖,这类植物的小叶脉通常具有中间细胞类型的伴胞,在筛管分 子- 伴胞复合体与周围细胞之间有大量的胞间连丝,为类型1,例如锦紫苏 (Coleusblumei)、西葫芦(Cucurbita pepo)和甜瓜(Cucurnis m

40、elo)等。当然,这样的区分特性并非是一成不变的,另外还存在许多中间的类型。许多植物在小叶脉 的筛管分子 - 伴胞复合体与周围细胞间有大量胞间连丝,但是所运输的糖却不是棉子糖 或水苏糖,它们的伴胞类型也不是中间细胞。在同一植物中可以有混合的装载途径,例 如寡糖通过共质体装载而蔗糖通过质外体装载,不同的糖通过不同途径平行地进入不同的筛管分子 - 伴胞复合体。不同的韧皮部装载途径还可以发生在不同等级的叶脉中,质 外体途径的韧皮部装载发生在较高等级的叶脉中, 共质体途径的韧皮部装载发生在较低 等级的叶脉。因此,韧皮部的装载可能还有其他的类型和装载机制有待我们去揭示。韧皮部和周围细胞的联系程度具有很强

41、的种属特性。 例如在双子叶植物的科中大约只有10的科,其中的植物具有两种以上的韧皮部和周围细胞的联系类型；而大多数的科,其中 的植物都采用同一的联系类型。 在韧皮部和周围细胞间有大量胞间连丝的植物通常是树 木、灌木或藤本植物；而草本植物是比较典型的韧皮部和周围细胞之间缺少胞间连丝的 植物。从全球的植物分布来看，在韧皮部和周围细胞间有大量胞间连丝的植物往往分布 在热带和亚热带地区； 而在韧皮部和周围细胞间不具胞间连丝的植物则常生活在寒冷和 干燥的气候条件。因此有人认为：低温和水分亏缺会引起的共质体运输受阻，质外体装 载是植物对这种不利环境条件的适应性反应。(三) 过质外体途径的韧皮部装载(1)在

42、韧皮部的装载中存在经过质外体途径的实验证据。(a) 质外体中存在被运输的糖如果韧皮部需要经过质外体，那么在质外体中就应该检测到被运输的糖。 实验表明在甜菜、 大豆等以蔗糖为主要运输形式的植物中质外体中的糖以蔗糖 为主， 如果改变蔗糖的向外输出也相应地改变蔗糖在质外体的水平或者流速；利用 14C 同位素方法证明，当用14CO2饲喂甜菜叶片后，放射性很快出现在质外体中，因此质外体中的蔗糖来自光 合细胞。(b) 质外体的糖可以进入筛管分子在甜菜、蚕豆、豌豆、蓖麻叶秋海棠(Ricinus communis)等多种植物中都观测到：当在作为库的叶片施加外源糖时，糖会汇聚到小叶脉中的筛管分子- 伴胞复合体中

43、。因此质外体中的糖是可以被吸收进入筛管的。(c) 跨膜运输的抑制作用对氯高汞苯磺酸(p-chloromercuribenzenesulfonic acid , PCMBS) 是抑制蔗糖跨膜运输的抑制剂， 但是它自身不能跨膜进入共质体。 如果用 PCMBS 抑制某些植物， 例如甜菜、 蚕豆、 豌豆等对质外体糖的吸收， 同样也会抑制叶片的糖的输出。 因此在这些植物中， 蔗糖从光合细胞到筛管分子伴胞复合体的短距离运输可能涉及了蔗糖从质外体进入共质体的过程。通过转基因技术使蕃茄质外体中产生蔗糖的裂解酶蔗糖酶， 结果植株的生长很慢， 夜间淀 粉的转化受阻， 表明蔗糖在质外体的水解会抑制蔗糖的运输， 因此

44、这些植物的蔗糖运输有质外体 途径的参与。( 2)质外体途径的蔗糖吸收是需能的过程在输出蔗糖的叶片中， 蔗糖在筛管 -伴胞复合体的浓度要高于叶肉细胞中蔗糖的浓度。 在甜 菜中，叶肉细胞的渗透势大约是 -1.3MPa，而筛管分子伴胞复合体的渗透势大约是 -3.0MPa。这 种渗透势的差别主要是由于蔗糖浓度的差别造成的。但是蔗糖运输方向是从叶肉到筛管-伴胞复合体， 同时蔗糖又是不带电荷的分子， 因此蔗糖的短距离运输是一个逆化学势梯度的富集、 浓缩 过程。从理论上讲这个过程是一个消耗能量的过程。估计作为能源(提供ATP)所消耗的蔗糖可能占其运输总量的1.4%。外加ATP可以促进蔗糖的输出量，提高蔗糖在

45、质外体的转换率。如果 用呼吸抑制剂，如二硝基苯酚(DNP)抑制植物呼吸，降低 ATP水平，外源蔗糖的装载就会受阻。(C)运输机制：质子蔗糖共运输蔗糖的跨膜运输是需能的主动运输过程。主动运输通常利用代谢产生的ATP,可以有初级主动运输和次级主动运输两种方式。主动运输中膜蛋白通过水解ATP 产生的能量直接将溶质逆电化学势梯度跨膜运输。在植物中，初级主动运输的ATP 酶是质子泵。对于次级主动运输，溶质的逆电化学势的跨膜运动并非直接利用 ATP 水解的能量，而是利用初级主动运输的 ATP 酶或 质子泵所建立的质子梯度进行运输。 伴细胞或筛细胞膜上存在 ATPase质子泵(图)，质子泵将质子泵出细胞，在

46、质外体中形成 较高的质子浓度， 建立起细胞内外的质子梯度。 质外体中的质子趋向于向细胞内扩散， 在细胞膜 上的特殊载体可以利用质子的顺电化学梯度的扩散将细胞外的溶质蔗糖与质子共同转运至细胞 内，这种运输方式称为蔗糖质子同向运输 (sucrose-proton symport) 或共运输 (cotransport) (图 11-9）。负责这样运输的载体称为蔗糖质子共运载体 （sucrose-proton symporter） 。从质外体向筛 管分子伴胞复合体的装载就是通过这样的运输方式进行的。 例如， 在蚕豆中如果提高质外体中 的 pH 会减少外施蔗糖向筛管分子和伴胞的运输。 这结果是和蔗糖质子

47、同向运输的假说相符的。 因为质外体 pH 的提高意味着质外体中质子浓度的降低，这样就会降低跨膜的质子电化学梯度， 因而减小推动蔗糖质子共运输的能量。质子共运输证据： 1 伴胞 -筛管质外体偏酸，共质体偏碱。 2 蚕豆，调质外体下降，蔗糖向 伴胞筛管复合体运输减少。 3 分子生物学的研究结果进一步确定了这一假说。用免疫学方法确定 了质子泵存在于伴胞和转移细胞的质膜上。 在转移细胞中， 质子泵主要集中于细胞内摺的质膜面 上，这些部位主要面向维管束鞘和维管薄壁细胞， 正是蔗糖从质外体向筛管分子伴胞复合体运 输的界面。在拟南芥菜中已经克隆得到一种蔗糖-质子共运载体SUC2，这个载体是和质子泵在韧皮部伴

48、胞中共同定位的。 这种位置上的相关性可能表明， 质子泵形成质子梯度而蔗糖质子共 运载体则利用质子梯度运输蔗糖。 在车前草 （Plantago major ）叶片逐步成熟的过程中， 叶片由尖向 基逐步发生从库到源的转变， 而蔗糖质子共运载体 SUC2 也同步进行表达， 说明叶细胞光合产 物的输出需要SUC2的参与。SUC2已在多种植物中克隆并定位在韧皮部的伴胞。除了SUC2之外，在烟草、马铃薯和番茄中还发现另一种蔗糖-质子共运载体，称为SUT1。这种蔗糖-质子共运载体不是定位于伴胞而是定位在筛管分子的质膜，但是由于筛管分子没有细胞核和核糖体， 因此 SUT1 只能在伴胞中合成。调节： 蔗糖质子共

49、运载体从质外体向筛管分子运输蔗糖受到筛管分子的渗透势或者膨压 的调节。 当筛管分子中膨压降低到一定值时就会补偿性地促进装载 （因为蔗糖浓度的提高可以促 进水分吸收从而提高细胞膨压） 。蔗糖的装载也受到蔗糖浓度的调节，质外体蔗糖浓度提高时会 增加蔗糖共运载体的装载。植物激素影响装载，IAA,CTK,GA, Fc 促进， ABA 抑制。蔗糖从叶肉细胞外运的机制目前还不清楚。已知并不是所有细胞都都参与蔗糖的释放， 只有临近 SECE 的细胞才参与蔗糖的释放， 其它细胞的同化物需经胞间连丝运输到这些细胞。 蔗糖 外运可以被质外体中的钾所促进，因此适当施肥可以增加向库的运输从而促进库器官的生长。四）通过

50、共质体途径的韧皮部装载1 、存在共质体途径韧皮部装载的证据a 在共质体的装载途径中， 细胞间存在胞间连丝是共质体运输的前提条件。在前述的韧皮部伴胞类型一节中， 我们已经介绍了中间细胞与周围细胞间有大量胞间连丝存在。因此具有中间细胞类型伴胞的植物中， 韧皮部装载可能利用共质体途径。 电镜观察结果表明在许多植物中筛管分 子和伴胞之间以及筛管分子伴胞复合体与周围细胞间都具有大量的胞间连丝。利用显微注射的方法将不能跨膜扩散的荧光染料注射到叶肉细胞，发现荧光染料可以从叶肉细胞扩散到小叶脉， 或者反过来从中间细胞到维管束鞘和叶肉细胞， 但是， 还没有证明荧光染料是否能够通过共质体 进入筛管分子。 当然，

51、细胞间有胞间连丝的存在并不能说明光合产物的运输一定通过共质体的途 径。在锦紫苏属（coleus）中，内源糖装载对 PCMBS抑制剂的处理不敏感，而外施糖装载进入筛 管分子过程却被 PCMBS 所抑制， 说明光合作用生产的糖并不是通过质外体途径进入筛管。 南瓜 的维管束鞘细胞和伴胞间存在大量胞间连丝， 同时它的主要运输糖是水苏糖， 利用 14C 标记分析 质外体糖分，表明质外体缺少水苏糖，因此糖可能是在共质体进行运输。2、糖共质体装载的机制筛管汁液的组成和韧皮部中其他组织的溶质的组成是不同的，因此被运输的糖在源中必定要进行选择。 在质外体装载途径中， 如果假设被运输的糖从叶肉细胞运出和从质外体运

52、入筛管分子伴胞复合体都是通过膜上的特异性的载体， 那么糖的选择性运输是可以理解的。 但是对于共质 体途径的装载就比较难以理解，由于胞间连丝只是细胞间非特异的运输通道(对小分子来说) ， 很难解释胞间连丝如何对被运输糖进行选择， 此外筛管分子伴胞复合体通常具有较高的膨压和 糖浓度， 而向其运输同化物的细胞却具有较低的膨压和糖浓度， 细胞如何维持糖通过胞间连丝从 低浓度向高浓度逆浓度梯度进行运输也是一个难以解释的问题。 因此在共质体的韧皮部装载途径 中还存在一个利用特异性膜载体以外的控制机制。Robert Turgeon 提出一个非运输糖在伴胞和筛管分子中转变为运输糖的模型，用以解释通过 胞间连丝

53、的共质体韧皮部装载的选择性和逆浓度梯度运输的问题， 称之为聚合物陷阱模型 (polymer-trapping model) (图 11-10)。聚合物陷阱模型认为： 叶肉细胞光合作用中产生的蔗糖和 肌醇半乳糖苷通过胞间连丝从维管束鞘细胞扩散进入中间细胞后，在中间细胞中蔗糖被用于合成棉子糖和水苏糖因而被消耗掉， 这样就维持了蔗糖从维管束鞘细胞到中间细胞的顺浓度梯度的运 输，同时由于合成的棉子糖和水苏糖具有较大的分子量而无法通过扩散经胞间连丝回到维管束鞘 细胞，而中间细胞和筛管分子间的胞间连丝的较大通透性可以允许中间细胞中合成的棉子糖和水 苏糖扩散进入筛管分子， 这样被运输的糖 (棉子糖和水苏糖)

54、 在中间细胞和筛管分子中就会提高。 按照聚合物陷阱模型： (1) 蔗糖在叶肉细胞中的浓度应该高于中间细胞；(2) 棉子糖和水苏糖合成所需的酶应该位于中间细胞； (3) 分子量大于蔗糖的分子不能通过维管束鞘细胞和中间细胞间的 胞间连丝。 大量生物化学的和免疫学的实验证明， 所有的棉子糖和水苏糖合成所需的酶是定位在 中间细胞的。Gamalei 和 Aart van Bel 提出另一模型。认为大多数水苏糖是在叶肉细胞中进行合成，然后 运送到细胞的内质网腔，内质网可以通过胞间连丝从叶肉细胞沿伸到中间细胞。二 韧皮部的卸出韧皮部卸出 (phloem unloading) 是指韧皮部进行输出的同化物在库端

55、被运出韧皮部并被邻近生长 或储存组织所吸收的过程 。韧皮部的卸出从某种意义上讲是韧皮部装载的逆过程。 将同化物运输 到库，例如新生的嫩叶、生长的根、种子、储藏茎等等的过程叫输入(import) 。(一) 韧皮部卸出的过程同化物将经历以下步骤进行韧皮部卸出： 首先，蔗糖等运输糖被输送出筛管分子，称为筛管分子卸出(sieve-element unloading) ；糖被运出筛管分子后，经过一个短距离运输 (short-distance transport) 被运输到库细胞，这一过程也称 之为筛管分子后运输 (post-sieve element-transport) ，库组织中接收被运输糖的细胞叫

56、接收细胞 (receiver cell) 。最后，糖被库细胞存储或代谢。整个全过程统称为韧皮部卸出。(二) 韧皮部卸出的质外体和共质体途径 在库端，同化物从筛管分子到接收细胞既可以通过质外体的途径也可以通过共质体的途径。 但是同化物的卸出比同化物的装载要复杂得多。这是由于卸出可以发生在成熟韧皮部的任何地 方，此外 不同库的结构和功能变化非常大 ，它可以是幼嫩的生长叶或根，可以是储藏茎或根，也 可以是种子和果实，因此对于植物来说并 没有固定的卸出模式。不同植物以及不同组织器官可能具有不同的韧皮部卸出类型(图 11-11)。一些双子叶植物如甜菜、 烟草的幼叶的细胞间有大量的胞间连丝， 用抑制糖质外

57、体吸收的抑制剂如 PCMBS 和缺氧 都不能抑制这些组织的糖的卸出， 因此它们的韧皮部卸出可能采用共质体的途径。 但是在单子叶 植物如玉米中， 筛管和伴胞与周围细胞间缺少胞间连丝， 因此可能采用质外体途径进行韧皮部的而在其他库器官， 韧皮部卸出。在初生根的分生组织和伸长区可能是共质体途径的韧皮部卸出。 卸出则可能是质外体途径的。韧皮部卸出过程中的 质外体 的步骤可能发生在筛管分子 - 伴胞复合体的部位，也可能发生在 远离筛管分子 -伴胞复合体。 例如在种子发育过程中， 胚胎组织和母体组织间缺少共质体的连接， 因此韧皮部的卸出过程中必然有质外体的运输步骤， 但是糖从 筛管的卸出 却是 共质体 的，糖从共 质体进入质外体并非在筛管分子 - 伴胞复合体而是在 韧皮部到胚胎组织的过程中的其他部位 。在了大量的糖， 形成很高的细胞膨压， 这对于共质体的运输是不利的， 力梯度返回筛管， 而质外体途径则可以避免蔗糖通过共质体的回流。因为糖可能沿浓度梯度和压在甜菜中， 用标记方法证明甜菜的根和甘蔗的茎等储存库中也可能有质外体的韧皮部卸出步骤。在这些储藏组织中植物积累糖在主根中进入质外体，说明存在质外体的步骤。在共质体的韧皮部卸出中， 蔗糖从筛管分子通过胞间连丝直接进入库组织的细胞， 在那里蔗