洋蔥表皮細胞質流動的觀測及影響變因之探討

一、研究動機:

一般研究細胞質流動常以輪藻或水蘊草為材料,因其葉綠體會隨著細胞質流動,觀察非常方便。可是當探討環境因子的影響時,則會涉及光合作用。洋蔥常用作為觀察表皮細胞的材料,經亞甲藍液染色後,細胞核特別清楚。但我們經多次測試後發現以適當濃度的紅色六號色素、石蕊或溴瑞香草藍溶液處理的洋蔥表皮細胞,卻可觀察到明顯的細胞質流動,而且取材方便,又可避免光合作用之干擾,乃以它們為材料,進行研究。

 

二、研究目的:

觀測洋蔥表皮細胞的細胞質流動,並探討各種環境因子對細胞質流動之影響。

 

三、研究設備及材料:

(一)       設備:顯微鏡,目鏡測微器,鏡台測微器,碼表,溫度計,長波紫外線(Model UVL-56,UV-366nm)

(二)       化學試劑:中性紅,石蕊,甲基紅,溴瑞香草藍(BTB),植物生長素(Cytokinin),二氯苯氧乙酸(2.4-D),氯化鉀,氯化汞,硝酸銀,硝酸鉛,硝酸鉀,氯化氫,紅色六號色素

(三)       材料:市面出售新鮮的洋蔥

 

四、研究內容及過程:

()洋蔥表皮細胞細胞質流動的觀測:

1.    切取洋蔥表皮細胞,分別浸於0.01%的紅色六號色素、中性紅、石蕊、甲基紅、溴瑞香草藍等溶液,5分鐘後製成玻片標本,分別置於10℃、25℃、及40℃的不同環境下30分鐘,以複式顯微鏡(600x)觀察表皮細胞內細胞質流動的情形,並測量流動速率。另改變溶液濃度為1%0.1%0.005% ,重複上述步驟。

2.    我們以目鏡測微器與鏡台測微器相配合,測量細胞質流動的速率,測定方法如下:每次測量均取五個細胞流速之平均值,以對照組之流速為100%。實驗數據予以標準化,再做比較。

()探討影響洋蔥表皮細胞細胞質流動的因素:

1.觀察光照、不同光質及紫外線對細胞質流動的影響:

(1)   切取洋蔥表皮細胞,浸於0.01%紅色六號色素溶液(以下實驗均相同)。將玻片標本分別置於黑暗中、400 lux800 lux1200 lux1600 lux之光照下。每隔60分鐘測量流動的速率,連續四小時。

(2)   另一組實驗則將玻片標本分別以紅、黃、藍、綠等顏色玻璃紙包住,並以白光作對照組,置於1200 lux的光照下。每隔60分鐘測量細胞質流動的速率,連續四小時。

(3)   另取一組實驗,將玻片標本照射長波紫外線(366nm),距離5公分,每60分鐘測量細胞質流動的速率,連續四小時,進一步改變距離為10公分,重複上述步驟。

2.觀察溫度對細胞質流動之影響:

將玻片標本分別置於10℃、室溫(25)30℃、40℃及50℃的暗箱中,每60分鐘測量細胞質流速,持續四小時。

3.觀察金屬離子對細胞質流動的影響:

在玻片標本的蓋玻片一端分別滴加濃度1%的氯化鉀及氯化汞溶液,在另一端用濾紙吸水,如此反覆數次;每隔30分鐘觀察一次,並測量細胞質流動的速率,持續三小時。並進一步改變上述氯化物溶液濃度為0.5%0.2%,重複上述步驟。此外並以硝酸鉀、硝酸鉛和硝酸銀,重複上述實驗步驟。

4.觀察酸鹼性對細胞質流動的影響:

將氯化氫溶液稀釋,配製pH135的溶液。將玻片標本在蓋玻片一端分別滴加不同pH值的溶液,在另一端用濾紙吸水,如此反覆數次。另以一片滴加蒸餾水作為對照組。每隔30分鐘觀察一次,並測量細胞質流動的速率,持續三小時。

5.觀察植物生長素(Cytokinin2.4-D)對細胞質流動的影響:

在玻片標本的蓋玻片一端分別滴加0.1ppm的植物生長素2.4-D Cytokinin,在另一端用濾紙吸水,如此反覆數次,另取一片滴加蒸餾水為對照組。每隔30分鐘觀測一次,持續180分鐘。並進一步改變上述生長素濃度為1ppm10ppm,重複上述步驟。

 

五、實驗結果與討論:

()觀察洋蔥表皮細胞的細胞質流動:

1. 未經染色的洋蔥表皮細胞在顯微鏡下觀察,除了細胞壁外,不易看到細胞的內含物,因此不易觀測細胞質流動。而浸在染色溶液5分鐘後,即能看到細胞的內含物隨細胞質流動。其效果比較如下:

        濃度

溶液

1%

0.1%

0.01%

0.005%

甲基紅

6

○○

溴瑞香草藍

6

6

○○

○○

石蕊(藍色)

6

○○

○○

○○

紅色六號色素

6

○○○

○○

中性紅

6

6

 註:「○○○」表示效果最明顯,「○○」次之,「○」較差。「6」表示不易觀察。

2. 0.01 %紅色六號色素溶液處理之洋蔥表皮,在室溫下(25),其細胞質流動,平均流速約8μm/s。低溫時流速較慢,40℃高溫時流速也趨緩慢。(圖(一))


():洋蔥表皮在不同溫度下細胞質流動速率(μm/s)統計

3.利用上述方法處理蒜苗和蔥的莖、文珠蘭和孤挺花的葉等的表皮細胞,也可觀察到細胞內容物隨著細胞質流動,顯然此種染色方法可應用於許多表皮細胞的細胞質流動之觀察。

()探討影響洋蔥表皮細胞細胞質流動的因素:

1.光照、光質和紫外線的影響:

(1)   如圖()所示,由400 lux1600 lux,照光前2小時,未有顯著增加,到3小時後,1200lux1600lux的細胞質流速增加,推測長時間照光,可影響細胞質流動。


():不同光照強度對洋蔥表皮細胞質流動速率之影響

(2)   此外,在本研究中,我們也探討不同光質對細胞質流動的影響,如圖()所示,照光4小時後,紅光對細胞質流速影響最為顯著。


(三):不同光質對洋蔥表皮細胞質流速之影響


 (3)366nm的紫外線照射洋蔥表皮,發現紫外線會使洋蔥表皮的細胞質流動加快,距離越近,細胞質流動的影響越顯著。

():長波紫外光(366nm)對洋蔥表皮細胞質流速之影響

2.由於持續光照可能會導致溫度增加,而影響細胞質流動速率的改變,因此我們變換不同溫度觀測其對細胞質流動之影響,圖()的實驗結果顯示當溫度降低時,細胞質流速減慢;溫度升高至40℃,細胞質流速起初增加,時間加長後,流速則緩慢下降,但當溫度提升至50℃時,細胞質流動則完全停止。

():不同溫度對洋蔥表皮細胞質流速之影響:


3.如圖()所示,添加0.2%0.5%1%含氯離子對細胞質流動並無明顯差異,但汞離子對細胞質流動,則有明顯的抑制作用。另一方面比較硝酸鹽對細胞質流動的影響,銀離子和鉛離子均有抑制作用。


4.先前結果顯示在植物細胞內,細胞質流動可被光、溫度、金屬離子等因子所影響,本實驗結果如圖()也支持pH的改變可影響細胞質流動,pH值愈低,細胞質流動所受的抑制就愈明顯。


():比較不同pH值對細胞質流動的影響(25)


5.0.1ppm低濃度的2.4-D作用下,細胞質流動的速率加快,在滴加10分鐘後發現不論沿著細胞壁的或散布在細胞質中的顆粒,活動性都增強,但經一小時後則減慢,而濃度增至1ppm10ppm的,則出現抑制作用,2小時後細胞質流動完全停止。Cytokinin也有類似的作用,但其作用較為緩和。

()2.4-D對洋蔥表皮細胞質流速之影響

()Cytokinin對洋蔥表皮細胞質流速之影響



六、結論:

(一)      植物細胞的內含物如澱粉粒、脂滴、胡蘿蔔素結晶、葉綠體等常隨細胞質流動,不同的環境條件,不同的細胞,細胞質流動的方式和速率都不同。藉由0.01%紅色六號色素溶液的染色,我們觀察到洋蔥表皮的細胞質流動,在室溫下其平均流速約8μm/s左右。

(二)      細胞質流動顯然是一個消耗能量的步驟,由於細胞質流動,使細胞中的各種養分及氣體等得以運輸到各個部位。近年來,許多研究報告指出細胞內的細胞質流動動力來源於呼吸作用,凡能影響呼吸作用的因素,均可影響細胞質流動。本實驗結果顯示,溫度、光照強度、紅色光質、紫外線、汞、銀、鉛離子、pH值的改變、生長素等均會影響細胞質流動。

(三)      光照強度對細胞質流動有正相關性,隨著照度由400lux1600 lux的增加,細胞質流速有加快的趨勢。但長期照射的結果,致使溫度增高,也必須予以考量。然而改變溫度,溫度低於40℃以下時,細胞質流速起初隨溫度增加而加快,但120分鐘後,高於40℃時則會使細胞質流速下降。此一結果顯示長期光照致使細胞質流速增加,應非完全來自長期光照導致溫度過度增加的效應。此外就光質而言,可視光譜的紅光,有利於呼吸作用之進行,可進一步提升細胞質流動速率。此外,紫外線的照射也使細胞質流速加快,是否紫外線的光波提供能量,促使細胞質流動加快則有待進一步之研究。

(四)      pH值的改變會影響細胞質流動,水質酸性愈強,對細胞質流動的抑制作用就愈顯著。而近年來空氣污染導致雨水酸性化,且根據許多資料顯示酸雨的pH可低於5以下,可見勢必影響植物的生長,並衝擊我們的生態體系。另外,汞、銀、鉛等離子使細胞質流速減慢,甚至停止,顯示土壤若受到重金屬如汞的汙染,經植物吸收後,將影響植物的正常生理機能。

(五)      Cytokinin是一種細胞分裂素,能促進細胞的分裂及生長。2.4-D(2.4 dichlorophenoxyacetic acid 二氯苯氧乙酸)則是一種人工合成的生長素,少量可加速植物呼吸及細胞分裂,使植物新陳代謝旺盛。由本實驗結果顯示,兩者在低濃度時都可使原生質流動增強,濃度高時,即有反效果,尤以2.4-D更是明顯,有報導指出2.4-D可使一些無功能的基因活化,影響RNA和酵素的含量使植物的代謝異常,最後使植物體內原生質消耗殆盡。或許這就是2.4-D可用來作為除草劑的原因了。

七、參考資料:

(一)   易希道(1984):植物生理學,P103~P130,環球書社。

(二)   李學勇(1983):植物學要義,P195,國立編譯館。

(三)   朱廣廉(1994):植物生理學實驗,P1~P4,淑馨出版社。

(四)   小泉貞明(1983):圖解實驗觀察大事典(生物),P227,東京書籍。

(五)   溫永福(1983):生物學實驗,P1P5,藝軒圖書出版社。

(六)   大不列顛百科全書(第16冊),P116,丹青圖書。

(七)   牛頓科學研習百科(植物),P102,牛頓出版社。

(八)   Takagi S, et al. Regulation of cytoplasmic streaming in Vallisneria mesophyll cells.

(九)   Allen NS, et al. Cytoplasmic streaming in green plants.

(十)   Allen RD, et al. Cytoplasmic streaming in amoeboid movement.

(十一)         http://mac122.icu.ac.jp/RLS/cscynm.html