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第2章 植物的细胞
一、本章主要内容
1.细胞的发现及其意义
十七世纪英国虎克发现了细胞。十九世纪德国施莱登和施旺建立了细胞学说。细胞学说的基本内容是:“动植物体都是由细胞构成的,细胞是一切生物体的基本单位”。细胞的发现和细胞学说的建立具有重大意义,它从细胞水平提供了生物界统一的证据,证明了植物和动物有着细胞这一共同的起源,也为近代生物科学接受生物界进化的观点准备了条件。
二、植物细胞的基本结构
植物细胞体积微小,直径—般在20—50微米之间,形状多种多样。
各种植物细胞具有相同的基本结构;都由原生质体和细胞壁两部分组成。原生质体是细
胞内各种代谢活动进行的场所,因而是细胞结构的主要部分,原生质体包含细胞核和细胞质两部分,其中的细胞质又包括质膜、胞基质和细胞器三部分组成。细胞器有质体、线粒体、内质网,高尔基体、核糖核蛋白体、液泡、溶酶体、原球体、微管和微丝等。此外,细胞中还存在内含物。
其相互关系可见下图:
核膜
细胞核
原生质体 核仁
核质
质膜
细胞 细胞质 胞基质
质体
线粒体
内质网
细胞器 高尔基体
细胞壁 核糖核蛋白体
液泡
溶酶体
原球体
微管
微丝
(此外还有内含物)
根据细胞核和细胞器的有无,而将植物界的细胞分为真核细胞和原核细胞。
植物细胞的分裂
植物细胞分裂方式有无丝分裂、有丝分裂和减数分裂,其中最普遍、最常见的是有丝分裂。有丝分裂是一个连续的过程,为了叙述方便,人们将它人为地划分为分裂间期、前期、中期、后期和末期。有丝分裂一般分为核分裂和胞质分裂。核分裂时,在形态、结构上表现出一系列复杂的变化,如染色体、纺锤丝的出现与消失。核蛋白、核膜的消失与重现等等;细胞质分裂通常发生在后期终了和末期。一个细胞经过有丝分裂,产生染色体数目和母细胞相同由两个子细胞;无丝分裂是指间期不经有丝分裂的前、中、后、未四个时期,直接地分裂,形成差不多相等的两个子细胞。
二、本章教材重点和难点
一、原生质体
原生质体是本章教材中的重点内容之一,学习时应着重掌握它的亚显微结构。
(一)细胞质
由质膜、胞基质和细胞器三部组成
1.质膜 细胞质与细胞壁之间的膜为质膜。其厚度在60一100埃之间( 1埃=10—8厘
米),这样的厚度在光学显微镜下难以看到,在光学显微镜下看到的质膜,实际上还包含了膜以内的一薄层物质。在电子显微镜下,质膜显出三层结构,内外两侧呈两个暗带。中间夹有—个明带。明带的主要成分是类脂,暗带主要成分为蛋白质。三层结构成为一个单位的膜,称为单位膜。质膜是一层单位膜,它的主要功能是控制细胞物质与外界物质的交换,这是因为质膜具有“选择透性”,这种特性表现为不同的物质透过的能力不同。
2.胞基质 胞基质在电镜下看不出有什么结构,表现为有一定弹性和粘滞性的胶体溶
液。胞基质不仅是细胞器之间物质运输的介质,而且,也是细胞代谢的一个重要场所。许多化学反应是在胞基质中进行的。同时,胞基质也不断为细胞器行使功能提供原料。
3.细胞器 一般认为细胞器是细胞质内具有一定结构和功能的微结构和微“器官”一般认为细胞器应包含质体、线粒体、内质网、高尔基体、核糖核蛋白体、液泡、溶酶体、圆球体、微管、微丝等。
在各种细胞器中,应当着重掌握质体(主要是其中的叶绿体)、线粒体、内质网和核糖核蛋白体等四类细胞器。
质体 质体分为叶绿体、有色体和白色体,是一类合成和积累同化产物的细胞器。其中,叶缘体是绿色质体,含有叶绿素、叶黄素和胡萝卜素。主要功能是进行光合作用。因而是重要的质体。高等植物的叶绿体呈球形、卵形或透镜形,直径4一10мm。而在低等植物藻类中,则有各种形状,如杯状、带状和各种不规则形状。高等植物的叶绿体,主要存在于叶肉细胞内,一个叶肉细胞中的叶绿体数目,常多达数百个。靠光学显微镜可以看到它们的外形和大小。然而其内部结构则需在电镜下,才能显现出来、每个叶绿体的外面由双层膜包被,内部有由膜形成的许多个基粒,基粒之间有基粒间膜相联系。基粒和基粒间膜都分布在基质中,而基质则无一定的结构。在叶绿体的结构中,以基粒最为重要,基粒由若干个圆盘状的层片(类囊体)相互重叠而成,基粒的每个层片,叫基粒片层。叶绿体中的色素及许多光合作用有关的酶定位于基粒片层上。由此可知基粒与光合作用的密切关系。在每—叶绿体内,可能有40—60个基粒,而每个基粒的类囊体层数,则因不同植物和植株的不同部位而差别很大,有10一100片不等,例如烟草的基粒含10—15片,玉米则为15—20片,冬小麦的基粒所含类囊体层数随叶位上升而增多。
线粒体 线粒体是进行呼吸作用的主要细胞器。它们多呈球状,杆状、也有具分枝或其它形状的。其体积比质体小,直径一般为0.5—0.1Μm。长约1—2Μm。在光学显徽镜下不易辨认,必须用特殊染料染色,才能显示出来。细胞中的线粒体数目很多,例如玉米的一个根冠细胞中,有100—3000个线粒体。在电镜下,可见线粒体外有双层单位膜构成的膜。外膜包被整个线粒体,内膜在许多部位向内延伸,形成管状或片状的内褶,叫做嵴,在两层单位膜之内和中心腔内充满基质。
线粒体是细胞进行呼吸作用的场所,在内层膜上和基质中有100多种酶,其中绝大多数酶都参加呼吸作用。
内质网 内质网是分布于细胞质中。由膜构成的管道系统,管道以各种形状延伸和扩展,成为各类管、泡、腔交织的状态。有些内质网外面附有核糖核蛋白体,称为粗糙型内质网。另外一些内质网外面没有核糖核蛋白体附着,称为光滑型内质网。
关于内质网的功能,一般认为它是一个细胞内的蛋白质、类脂和多糖的合成、贮藏及运输的系统。粗糙型内质网与核糖体紧密结合,反映出它的功能是合成和运输蛋白质。光滑型内质网主要是合成及运输类脂和多糖。
核糖核蛋白体 简称核糖体,是直径为170—230埃的小颗粒。一个细胞中可以有几十万个核糖体。在细胞质中,它们有的以游离状态存在,也有的附着在粗糙型内质网表面上。此外,也存在于细胞核、线粒体、叶绿体中。核糖体是细胞中蛋白质合成的中心。
细胞的内膜系统和各类细胞器不仅功能上密切联系,而且在结构和起源上也是相联系的。绝大部分细胞器都是由膜围成,各类细胞器的膜在成分和功能上虽具有各自的特异性,但它们基本结构是相似的,都是单位膜。可以认为细胞内各个细胞器是一个统一的、相互联系的膜系统在局部区域特化的结果,这个膜系统称为细胞的内膜系统。“内膜”是相对于包围在外面的质膜而言的。
关于细胞器的范围;存在着不同意见。有人认为细胞核也列为细胞器,有人认为液泡不是细胞器,也有人提出质体、线粒体的外层膜和质膜性质相似,因此不属于内膜系统,也就不应属于细胞器,但上述这些看法都不带普遍性。
(二)细胞核
细胞核是活细胞中最显著的结构,体积轻大,植物薄壁组织细胞中,细胞核的直径一般始35—50Mm,因此,在光学显微镜下能完全显示出来。在活细胞中可以看到在细胞核外面有—后薄膜,与细胞质分界称为核膜。膜内充满均匀透明的胶状物质,称为核质。其中有—到几个折光性强的球状小体,称核仁。当细胞固定染色后,核质中被染成深色的部分,称染色质,其余染色浅的部分是核液。染色质是细胞中遗传物质存在的主要形式,在电镜下显出一些交织成网状的细丝,主要成分是 DNA和蛋白质。当细胞进行有丝分裂时,这些染色质丝便转化成粗短的染色体。由于细胞内的遗传物质主要集中在核内。因此,细胞核的主要功能是储存和传递遗传信息,在细胞遗传中起重要作用。此外,细胞核对细胞的生理活动,也起着重要的控制作用。
二、有丝分裂
有丝分裂是本章教材中另一个重点内容。其原因有二。一是有丝分裂是植物细胞分裂最谱遍、最常见的一种各裂方式,应该着重掌握。二是这部分内容中有些概念容易混淆,必须着重弄清楚。
1.植物细胞有丝分裂各个时期的主要特点见下表。
细胞周期
各时期的主要特点
分
裂
间
期
1.从细胞一次分裂结束到下一次分裂之前为分裂间期。
2.这时期细胞内部发生复杂变化。主要是完成组成染色体的DNA分子的复制和有关蛋白质的合成
3.复制结果,每个染色体形成两个染色单体,两个染
色单体,两个染色单体各是一条长的细丝呈染色质形态。
分
裂
期
期
前
期
细胞核内染色质形成染色体,核膜、核仁消失
1.细胞两极发出纺锤丝,并有规律的排列在赤道面位
置上
可辨认染色体的形态和数目。
中
期
1.纺锤体清晰可见
2.着丝点两极发出纺锤丝,形成纺锤体
3.可辩认染色体的形态和数目
后
期
1.每条染色体着丝点分裂,成两条染色单体
2.纺锤丝收缩将染色单体均匀分为两组,逐渐向两极移动
末
期
1.到达两极的染色体变成细长丝状的染色质
2.出现核膜、核仁
3.赤道面位置出现细胞板,逐渐形成细胞壁。最后由一
个细胞形成两个子细胞。
2.有丝分裂的几个概念性问题
(1)有丝分裂的开始和结束 有丝分裂从哪开始? 到哪儿结束? 初学者往往认为
是从分裂的前期开始,到末期结束。这当然不对,因为它把分裂间期忽略了。要了解细胞有丝分裂开始和结束,必须了解细胞周期的概念。细胞进行有丝分裂,具有一定周期性。连续分裂的细胞,从—次分裂完成时开始,到下一次分裂完成时为止,是一个细胞周期。细胞周期包括两个阶段,分裂间期和分裂期。一个连续分裂的细胞,当它形成两个子细胞后,子细胞的细胞核中,开始了染色体的复制,新的一次有丝分裂在子细胞形成时就开始了。
(2)染色质和染色体 染色质和染色体的主要成分是 DNA和蛋白质,它们之间的不同,不过是同一物质在间期和分裂期的不同形态表现而已。染色质出现于间期,在光镜下呈颗粒,不均匀地分布于细胞核中,比较集中于核膜的内表面。染色体出现于分裂期中,呈较粗的柱状和杆状等不同形状,并有基本恒定的数目(因植物的种属不同而异)。染色体是由染色质浓缩而成的,内部为紧密状态,呈高度螺旋卷曲的结构。根据染色体组成成分的分析,可知它在细胞间期仍然存在而不是消失,只不过这时它的结构呈稀疏和分散状态。有的部分非常稀疏,因而在光镜下看不到,有的部分螺旋盘绕得比较紧密,因而在适当染色后呈颗粒状,这就是染色质。
三、本章复习思考题
1.简述植物细胞的结构。
2.说明质膜、叶绿体、线粒体、内质网、核糖核蛋白体和细胞核的亚显微结构。
3.简述细胞壁的结构。
4.说明植物细胞有丝分裂各个时期的主要特点。
5. 解释下列术语
细胞器 真核细胞 原核细胞 有丝分裂 无丝分裂 细胞周期
6.区分以下术语
染色质和染色体 染色体和染色单体
《植物学》课程学习辅导(三)
$$3第三章 植物的组织
一、本章主要内容
(一).细胞的分化和组织的形成
由具有分裂能力的细胞逐渐到细胞的分裂停止,细胞外形伸长,以至形成各种具有一定功能和形态结构的细胞过程,叫做细胞的分化。细胞的分化是植物组织形成的基础。
(二)植物组织的类型
具有相同生理功能和形态结构的细胞群,叫组织。植物的组织有分生组织、薄壁组织、保护组织、输导组织、机械组织和分泌组织。
分生组织 是具有持续细胞分裂能力的组织,位于植物体生长的部位。依性质和来源
的不同,分生组织分为原分生组织、初生分生组织和次生分生组织。依位置来分,分为顶端分生组织,侧生分生组织和居间分生组织。
薄壁组织 是进行各种代谢活动的主要组织,占植物体积的大部分。根据生理功能的不同,分为同化组织、贮藏组织、通气组织、贮水组织等。它们共同结构特点是:细胞壁薄,有细胞间隙,原生质体中有大的液泡,细胞体积比分生组织大得多,但大多仍为等直径的形状。
保护组织 是覆盖于植物体表面,起保护作用的组织,其功能是减少体内水分的蒸腾,控制植物体与环境的气体交换,防止病虫害侵袭和机械损伤等。保护组织包括表皮和周皮。
输导组织 是植物体内担负物质长途运输的组织。主要特征是细胞呈长管形,细胞间以不同的方式相互联系,在整个植物体的各器官内成为一连续的系统。根据运输物质的不同,输导组织又分为两类,一类是输导水分和溶于水中矿物质的导管和管胞。一类是输导营养物质的筛管和筛胞。
机械组织 是对植物起主要支持作用的组织。细胞大都为细长形,其主要特点是都有加厚的细胞壁。常见的机械组织和后角组织。
分泌组织 能够分泌蜜汁、粘液、挥发油、树脂、乳汁等物质的组织,叫分泌组织。分泌组织分为外部分泌结构和内部分泌结构。
二、教材重点和难点
(一)重点掌握六类组织的概念和结构特点
本章主要讲植物的六类组织,每类组织都从概念、结构特点、功能、分布等方面进行
了介绍。
在以后的根、茎、叶、花、果实和种子各章中,要反复涉及各类组织,所以在学习本章内容时,不必作过细的探讨,应该着重掌握各类组织的概念及其细胞特点,以便能清楚地区分它们。尤其是概念,例如分生组织的概念,应该是具有持续细胞分裂能力的组织,而不是“具有细胞分裂能力的组织”。因为薄壁组织在特殊情况下(如创伤)也能进行暂时性的细胞分裂,但不是持续的。机械组织的概念应该是对植物起主要支持作用的组织,而不是“对植物起支持作用的组织”。因为植物体内别的组织有的也起支持作用,如输导组织,但不是主要的,只有机械组织才起主要支持作用。再如输导组织的概念,应该是担负物质长途运输的组织,而不是“担负物质运输的组织”。因为薄壁组织也能担负短距离的物质运输。
(二)六类组织中应重点掌握输导组织
在六类组织中,分布最广泛的、体积最大的是薄壁组织和输导组织。但薄壁组织结构
简单, 容易掌握,而输导组织结构复杂,不易理解,特别是导管和导管分子、筛管和筛管分子、导管和管胞的区别,不好掌握。
(一)导管分子和导管 导管分子是一个死细胞。成熟时没有生活的原生质,次生壁具有各种各样的木质化增厚,端壁溶解消失形成穿孔。许多个导管分子以细胞的顶端对顶端连接起来就形成了导管。
(二)筛管分子和筛管 筛管分子是一个活细胞(成熟时细胞核消失),端壁形成筛板。许多个筛管分子以细胞的顶端对顶端连接起来就形成了筛管。筛管为被子植物所特有。
(三)导管和管胞 导管分子和管胞都是厚壁伸长的死细胞,但管胞是个单个细胞,末端尖锐,端壁没有穿孔,上下连接的管胞靠侧壁上的纹孔传递水分。
(四)筛管和筛胞 筛管分子的端壁有筛板,筛板上有筛孔,上下连接的筛管分子以穿过筛孔的原生质丝互相连接。管胞的端壁不特化成筛板,侧壁上具有筛域,纵行相接的筛胞靠筛域互相传送营养物质。筛域上的原生质丝通过的空,远比筛板上的小。裸子植物没有筛管,只有筛胞。