Stern's Introductory Plant Biology Ch.3

History#

$1831$ 年，英国植物学家罗伯特・布朗发现所有细胞内都存在一种体积较大的结构，并将其命名为细胞核。细胞核发现不久后，德国植物学家施莱登又在细胞核内观察到更小的结构，称之为核仁。

施莱登与德国动物学家施旺并非最早意识到细胞重要性的人，但二人对细胞的阐释更为透彻深刻。学界普遍认为，二人于 $1838$ 至 $1839$ 年发表相关论著，正式创立细胞学说。该学说核心内容为：一切生物体均由细胞构成，细胞是生物统一的基本结构单位。

Modern Microscopes#

各类显微镜可将细胞与组织放大数百乃至数千倍，极大助力生命科学研究。对观察样本进行不同方式制片，也能帮助人们更好地探究细胞结构与功能。和胡克当年所用原理相近的光学显微镜，仅能观测细胞基本构造与部分胞内结构；而电子显微镜问世后，细胞内各类细微结构的精细样貌才得以清晰呈现。

光学显微镜主要分为两类：复式显微镜 (compound microscope) 与解剖显微镜 (dissecting microscope)。复式显微镜需将观察材料切成薄片以便透光观察；解剖显微镜可直接观察不透明样本，呈现立体影像。普通光学显微镜仅能分辨直径 $2$ 微米及以上的细胞器。相差 (phase-contrast)、荧光显微术 (fluorescence microscopy) 可利用光线与标本的作用，清晰显现样本表层结构与特定物质。$20$ 世纪 $80$ 年代中期，共聚焦扫描显微术 (confocal scanning microscopy) 问世，融合激光与微电子技术，大幅提升成像对比度与分辨率。

借助光学显微镜常可观察到细胞壁、细胞核、核仁、细胞质、叶绿体、液泡等结构。在未来很长一段时间内，光学显微镜仍极具实用价值 (图 3.2)，尤其适用于活体细胞观测。

电子显微镜同样分为两大类。透射电子显微镜 (图 3.3a) 放大倍数可达二十万倍以上，但观测样本必须切至极薄，且需置于真空环境中，因此无法观察活体生物。扫描电子显微镜 (图 3.3b)放大倍数通常较低，一般在 $30$ 至 $10000$ 倍之间，但其可观测厚实样本的表面形貌，通过扫描装置将影像呈现在阴极射线显示屏上。

$\ce{IBM}$ 的两位科学家于 $1982$ 年研制出扫描隧道显微镜。该仪器依靠极细探针在样本表面形成电子隧穿效应，探针移动时不断调整高度以维持电子流量稳定，记录高度变化即可绘制出样本表面形貌。它观测时不会损伤样本，放大倍率极高，甚至能够清晰分辨原子。

Cell Size#

绝大多数动植物细胞体积极小，肉眼无法看见。高等植物细胞长度大多在 $10$ 至 $100$ 微米之间。细胞为何普遍体积微小？细胞体积增大时，体积增速远大于表面积增速。物质均通过细胞膜进出细胞，体积过大不利于物质交换。同时细胞核统筹细胞各项生命活动，细胞体积越大，核内调控信号传递至细胞表层耗时越久。体积较小的细胞拥有更大的表面积与体积比，物质交换高效，细胞内部信息传递也更为迅速顺畅。

The Cell Wall#

$1665$ 年罗伯特・胡克最先发现的细胞结构便是细胞壁，它也是植物细胞中最易观察到的结构，决定着细胞外形。不同物种乃至同种生物体内的细胞壁形态各异，映射出细胞独特的结构与功能。遍布植物体表的表皮 (epidermal) 细胞形态大小多样，部分特化为腺毛，可分泌物质抵御动物啃食。叶片表皮内侧的薄壁细胞专司光合作用，木质部厚壁细胞则能在输水过程中维持形态、不易塌陷。

细胞壁主要组成成分为纤维素，它由 $100$ 至 $15000$ 个葡萄糖单体连接成长链，是地球上储量最丰富的天然聚合物。它是食草动物的主要食物来源，几乎所有生物都间接依赖它生存，地球上多数生命活动都直接或间接依托细胞壁维系。

除纤维素外，细胞壁还含有半纤维素、果胶与糖蛋白。半纤维素如同黏合剂，粘连纤维素微丝；果胶可赋予果冻凝固质感；糖蛋白则是结合糖类分子的复合蛋白质。

新生细胞壁形成时，最先生成由果胶构成的胞间层 (middle lamella)。胞间层为相邻两细胞共有，质地极薄，未经特殊染色难以在普通光学显微镜下观测到。胞间层两侧逐步形成质地柔韧的初生壁，由纤维素、半纤维素、果胶与糖蛋白交织构成 (图 3.6a)。

细胞生长过程中，细胞壁会通过物质重组、合成新组分实现形态调整。在初生壁内侧进一步沉积加厚，并掺入木质素这种复杂聚合物，最终形成次生壁。植物次生壁的纤维素含量达 $40\%$ 至 $80\%$，远高于初生壁。随着细胞老化，细胞壁厚度差异极大，占细胞体积比例可低至 $5\%$，最高超 $95\%$ (图 3.6b)。

Communication between Cells#

合成、加工与储存营养物质的细胞细胞壁较薄，起支撑作用的细胞细胞壁通常厚实。活细胞虽可独立完成各类生命活动，但生物体内所有细胞必须依靠信息交流协同运作。相邻细胞间可通过胞间连丝 (plasmodesmata) 互通物质，它是穿过细胞壁微孔、连通彼此细胞质的细丝，糖分、氨基酸、离子等物质均可借此运输。胞间层与多数细胞壁本身也具备通透性，能让水分与溶质在细胞间缓慢流通。

The Plasma Membrane#

细胞膜是细胞生命结构的外层边界，厚度约为八百万分之一毫米。这层精致的半透膜是调控物质进出细胞的关键结构，既能阻挡部分物质通行，也可允许部分物质自由扩散，还能主动管控特定物质跨膜运输，使得细胞内外的化学成分与浓度差异显著。此外，细胞膜还参与细胞壁纤维素的合成与组装过程。

$20$ 世纪 $70$ 年代初以来的研究证实，细胞膜及其他生物膜均由双层磷脂分子构成骨架，其间镶嵌分布各类蛋白质 (图 3.7)，即流动镶嵌模型。该模型表明生物膜结构具有流动性，多种组分可移动并相互作用。细胞膜外侧的糖类可通过共价键与脂质、蛋白质相结合。部分蛋白质贯穿整个膜层，其余则嵌入膜内，或是松散附着于膜表面。

由于渗透压作用，细胞内物质会将细胞膜紧贴细胞壁。细胞膜柔韧性强，易向内凹陷折叠，进而形成囊泡游离在细胞质中。实验表明，洗涤剂可破坏分散完整的细胞膜，清除洗涤剂后细胞膜能部分重建。细胞膜可暂时与细胞壁分离，一旦破裂，细胞很快就会死亡。

The Nucleus#

细胞核是细胞的控制中枢。从某种意义上来说，它兼具程序指令与调度中枢的功能，将核内 $\ce{DNA}$ 携带的遗传编码信息，以遗传蓝图的形式输送至细胞各处。简言之，细胞核内的 $\ce{DNA}$ 储存着维持细胞正常生命活动所需的原始遗传信息。这些信息调控细胞生长、分化，统筹细胞内部繁杂的生命代谢活动。同时细胞核还承载遗传物质，能在细胞增殖过程中将遗传信息逐代传递。

细胞核通常是活细胞中最显眼的结构，不过在含叶绿素的绿色细胞中，叶绿体常会将其遮挡。细胞核形态不一、大小悬殊，直径一般在 $2$ 至 $15$ 微米及以上。

细胞核由双层核膜包裹构成核被膜，膜上分布着结构精密的核孔，孔间距约 $50$ 至 $75$ 纳米，总面积可占核被膜表面积的三分之一 (图 3.8)。核孔内嵌有通道蛋白，可选择性管控物质进出，只允许特定分子通行，如蛋白质进入细胞核、$\ce{RNA}$ 转运至细胞质。

细胞核内充满颗粒状的核质 (nucleoplasm)，其中密布直径约 $10$ 纳米的短纤维，还悬浮着多种体积较大的结构。核内最显眼的结构是一个或多个核仁，主要由核糖核酸与相关蛋白质构成。

还有一类重要结构为染色质，不经染色或细胞未处于分裂期时，无法在光学显微镜下观察到。细胞分裂时，染色质高度螺旋化，缩短变粗，形成染色体。染色质由蛋白质与脱氧核糖核酸组成。同一动植物物种的体细胞，染色体数目与组成固定；生殖细胞的染色体数量为体细胞的一半。

The Endoplasmic Reticulum#

细胞核外膜与内质网相连且彼此连通。内质网利于细胞间信息交流与物质运输，多种重要生命活动都在此进行，包括合成各类细胞器膜、对胞内合成的蛋白质进行加工修饰，相关过程发生在内质网表面或其腔隙之中。

内质网（常简称为 ER）是由扁平囊与管状结构交织而成的密闭网状通道，遍布整个细胞质，其数量和形态在不同细胞中差异极大。经透射电镜观察切片可见，内质网呈平行膜状，形似细长管道或囊腔，在细胞内划分出多个独立腔室。

内质网外侧可附着核糖体，这类附着核糖体的内质网称为粗面内质网，主要负责蛋白质的合成、分泌与储存。表面几乎无核糖体附着的为滑面内质网，主要参与脂质合成与分泌 (图 3.9)。同一细胞内可同时存在两种内质网，且能随细胞生理需求相互转化。参与细胞呼吸的多种酶在内质网表面合成，合成后直接转运至线粒体等细胞器，不经过内质网腔。此外，内质网也是细胞内生物膜合成的主要场所。

Ribosomes#

核糖体是仅能借助电子显微镜观察到的微小结构，整体多呈椭球形，表面结构繁复多样。每个核糖体由大小两个亚基组成，组分包含核糖核酸与蛋白质，两亚基中间存在明显缝隙可区分。植物细胞中核糖体平均直径仅约 $20$ 纳米。游离核糖体常以五至百个聚集形成多聚核糖体，主要负责串联氨基酸，合成构成生命体基础的大分子蛋白质。

核糖体亚基在核仁内组装成型后释放出来，与特定 $\ce{RNA}$ 结合，启动蛋白质合成过程。成熟核糖体既可附着在内质网表面，也能游离分布于细胞质、叶绿体及其他细胞器中。

Dictyosomes#

细胞质中散布着由扁平囊泡堆叠而成的网体 (dictyosome)。其外围常连有源自内质网的分支管状结构，但二者并不直接相连 (图 3.10)。普通植物细胞一般含有 $5$ 至 $8$ 个网体，结构简单的生物细胞内数量可达 $30$ 个甚至更多。多个网体聚集在一起便构成高尔基体，多见于动物泌蛋白细胞以及少数功能相近的植物细胞。

高尔基体参与修饰内质网合成并加工的糖蛋白中的糖类物质，还可合成复合多糖。这些物质聚集在从囊体边缘脱落形成的小囊泡内，囊泡移动至细胞膜并与之融合，将内含物分泌到细胞外，分泌物包含细胞壁多糖、花蜜及草本植物精油等。

用于蛋白质分选包装的酶由内质网合成，再经高尔基体进一步加工修饰。高尔基体如同细胞内的集散分拣与运输中枢，堪称细胞里的 “物流邮局”。

Plastids#

绝大多数活的植物细胞都含有数类质体，其中叶绿体最为显眼 (图 3.11a)。叶绿体形态大小各异，如水绵 (Spirogyra) 细胞中呈优美螺旋带状，丝藻 (Ulothrix) 等绿藻体内则呈手环状。而高等植物的叶绿体外形近似两个飞盘沿边缘贴合而成，纵切后轮廓形似橄榄球。

叶绿体内部存在大量由膜结构构成的基粒，形似双层膜堆叠而成的硬币垛。每个叶绿体中一般有 $40$ 至 $60$ 个基粒，彼此通过基质片层相连；单个基粒由两三片至上百个类囊体堆叠而成。类囊体实则是贯穿相连、相互连通的膜系统，悬浮于叶绿体液态基质中 (图 3.11b)。类囊体膜上分布着叶绿素及各类光合色素。这些堆叠结构意义重大，光合作用的初步反应便发生在类囊体上。绿色植物借此利用光能，将水与二氧化碳转化为有机物，人类与各类动物的生存皆依赖于此。

叶绿体内的无色液态物质为基质，内含多种光合相关酶。叶绿体大部分生命活动受细胞核基因调控，但其自身也含有小型环状 $\ce{DNA}$，可编码合成部分光合相关蛋白；同时还具备 $\ce{RNA}$ 与核糖体，能自主合成部分蛋白质。

部分质体可储存蛋白质，烟草细胞便是典型例子。叶绿体基质中通常存有四五枚淀粉粒，此外还分布着油滴与各类酶。

有色体 (chromoplast) 是高等植物部分细胞中含有的另一类质体。它与叶绿体大小相近，但形态差异较大，大多呈棱角状，部分可由叶绿体转变而来，转变过程中叶绿素逐渐消失。有色体因富含类胡萝卜素，呈现黄、橙、红等色泽，多见于成熟番茄、胡萝卜、红辣椒等植物有色器官中 (图 3.12)。

白色体 (leucoplast) 是高等植物体内普遍存在的无色质体，包含合成淀粉的造粉体与合成油脂的造油体。部分白色体见光可转化为叶绿体，叶绿体也能逆向转变为白色体。

Mitochondria#

线粒体常被称作细胞的动力车间，细胞通过呼吸作用在线粒体内分解有机物释放能量，以此维持细胞乃至整株植物的生命活动。线粒体还可重组碳骨架与脂肪酸链，合成多种有机物质。

线粒体形态多样，具有双层膜结构 (图 3.13)，内膜向内折叠形成嵴，大幅增大内膜表面积，便于基质中的酶发挥作用。嵴的数量与线粒体总数可随细胞代谢状态发生改变。线粒体基质内含有 $\ce{DNA}$、$\ce{RNA}$、核糖体、蛋白质及各类可溶性物质。

Microbodies#

细胞质中遍布各类微小结构，使其整体呈颗粒状。其中包含一类单层膜包裹的球形细胞器——微体，内部含有特异性酶类。过氧化物酶体所含酶类可帮助部分植物在高温环境下进行光呼吸以维持生存；乙醛酸循环体则能在油料种子萌发时，助力脂肪转化为糖类。过氧化物酶体常与叶绿体相伴分布，乙醛酸循环体多聚集在线粒体附近。在植物生长发育的特定阶段，二者数量会随生理需求相应增多。

Vacuoles#

成熟的植物活细胞中，九成及以上的细胞体积被一至两个大型中央液泡占据，液泡由液泡膜包裹而成。作为细胞原生质内层边界，液泡膜在结构与功能上均与细胞膜相近。

液泡功能繁多，可维持细胞膨压、调节 $\ce{pH}$，还能储存各类代谢物质与代谢废物。液泡内部充盈着呈弱酸性至中酸性的细胞液，内含无机盐、糖类、有机酸、少量可溶性蛋白等溶质，能够维持细胞渗透压。

细胞液中离子富集后，还常会析出大型代谢废物结晶。新生细胞内的液泡数量多、体积小，随着细胞逐渐成熟，小液泡相互融合、体积不断增大。除储存各类物质与离子外，液泡还参与胞内物质循环利用，亦可分解消化叶绿体、线粒体等衰老细胞器。

The Cytoskeleton#

细胞骨架参与细胞内部物质运输与细胞形态构建，是由微管和微丝两种纤维构成的精密网状结构。

微管可调控细胞壁纤维素的沉积 (图 3.15)，还参与细胞分裂、胞内细胞器移动，调控携带着高尔基体合成的细胞壁成分的囊泡运输，同时支配部分细胞鞭毛与纤毛的摆动运动。

微管为无分支的中空细管状结构，形似细吸管，由微管蛋白构成，长短不一，直径多在 $15$ 至 $25$ 纳米之间，大多分布于细胞膜内侧。细胞分裂时形成的纺锤体与成膜体中也存在微管。

微丝几乎遍布所有细胞，在多细胞动物体内主要负责细胞收缩与运动。其粗细仅为微管的三到四倍，由细长蛋白质丝组成，平均直径 $6$ 纳米，常聚集成束。微丝参与所有活细胞的胞质环流。显微镜下可观察到细胞器随细胞质流动而移动，该过程利于胞内物质交换，也助力细胞间物质转运。

The Cell Cycle#

细胞分裂会经历一系列有序的生命进程，即细胞周期。该周期主要分为间期与有丝分裂期，其中有丝分裂又可细分为四个阶段 (图 3.16)。细胞周期时长会因生物种类、细胞类型以及温度等环境条件产生差异。绝大多数情况下，细胞间期所占时长可达整个周期的九成及以上。由于实际分裂耗时很短，显微镜下观察到的细胞大多处于间期，处于分裂阶段的细胞反而不易发现。

Interphase#

暂不进行分裂的活细胞处于间期，此阶段光学显微镜下无法观察到染色体，前文所介绍的细胞均处于该时期。间期是细胞周期中历时最久的阶段，也是多数细胞执行生理功能的主要时期。

过去人们认为未分裂的未成熟细胞处于静止状态，如今研究证实，间期会接连发生三段生命活动旺盛的时期，依次为 $\ce{G1}$ 期、$\ce{S}$ 期与 $\ce{G2}$ 期。

$\ce{G1}$ 期时长较长，紧随细胞核分裂结束后开启。此阶段细胞体积增大，同时合成核糖体、核糖核酸，以及调控后续 $\ce{S}$ 期启动或暂停的各类物质。$\ce{S}$ 期进行特有的 $\ce{DNA}$ 复制，$\ce{G2}$ 期内线粒体等细胞器完成分裂，合成微管等有丝分裂相关物质，染色体也在此阶段开始螺旋化、高度凝缩。

Mitosis#

所有生物最初都由单个细胞发育而来。这个细胞很快进行分裂，形成两个新细胞，新细胞继续一分为二，这一过程即为有丝分裂，贯穿生物整个生命历程。有丝分裂能保证分裂形成的两个子细胞，均分间期完成复制的 $\ce{DNA}$ 及各类物质。严格来说，有丝分裂仅指细胞核分裂；除藻类、真菌等少数特例之外，胞质分裂通常伴随或紧随核分裂发生。

被子植物、裸子植物等高等植物的有丝分裂，集中发生在分生组织 (meristem)中。分生组织分布于根尖、茎尖，还有部分根茎表层内侧的维管形成层 (vascular cambium)；草本植物及多数木本植物中，维管形成层与外皮之间还存在木栓形成层 (cork cambium)。

进行有丝分裂时，无论细胞核内染色体数量多少，分裂流程均保持一致。经有丝分裂产生的子细胞，其染色体数目与 $\ce{DNA}$ 排布方式和亲代细胞完全相同。有丝分裂是连续的生理过程，全程历时短则五分钟，长可达数小时，常规时长为半小时至两三小时。分裂启动时，细胞膜内侧会形成环状的微管早前期带 (preprophase band)。

Prophase#

前期主要特征 (图 3.17a): (1) 染色体不断缩短变粗，显现出由两条染色单体构成的形态; (2) 核膜逐渐解体，核仁随之消失。

前期耗时约等于其余三个分裂时期时长总和。前期开始前，细胞膜内侧由微管与微丝组成的早前期带，会环绕细胞核形成窄束结构。细胞核内最先出现细丝状染色体，标志着前期正式开启。染色体逐步螺旋折叠，愈发粗短，每条染色体的两条姐妹染色单体清晰可辨，二者结构一致且各自螺旋缠绕。染色质持续高度浓缩，最终形成短粗的杆状染色体，成对染色单体依靠着丝粒相连。

着丝粒位于染色体的缢缩部位 (图 3.18)。每个着丝粒外侧都存在由蛋白质复合体构成的致密结构——动粒，纺锤丝会附着于动粒之上。着丝粒在染色体上位置不定，大多居于中部。部分染色体一端还会出现额外缢缩，形成球状突起，即随体 (satellite)。随体基部的缢缩暂无明确生理功能，但随体可作为特征，用于区分细胞核内不同类型的染色体。

随着前期推进，核仁逐渐模糊直至彻底消失。前期末期，由微管构成的纺锤丝形成，呈弧形伸向细胞两极，纺锤丝末端固定于两极。另有纺锤丝从两极伸向细胞中央，附着在染色体着丝粒上。前期结束时，核膜完全解体，并融入内质网结构中。

真菌、藻类等低等生物以及动物细胞中，细胞核外侧的细胞质内存在一对桶状微小结构，即中心粒。中心粒外围辐射分布着微管，将周边胞质物质排布成星状射线，整体合称为星体。分裂前期伊始，星体一分为二，一半留在原位，另一半沿核膜移向细胞对侧。绝大多数高等植物细胞内均未发现中心粒。

Telophase#

末期五大主要特征 (图 3.17d): (1) 每一组子染色体外围重新形成核膜；(2) 子染色体逐渐伸长变细，最终恢复为弥散状态，难以分辨；(3) 核仁重新出现；(4) 大部分纺锤丝逐渐解体消失；(5) 细胞板开始形成。

后期与末期之间没有清晰界限，当细胞两极的子染色体群周围开始出现新核膜结构时，便标志着末期正式开始。新核膜逐步成型，染色体解旋变回前期起始时松散纤细的丝状形态，核仁也在特定染色体位点上重新形成。

末期阶段，纺锤体微管逐渐解体，在两个子细胞核之间的赤道区域，形成一束由微管构成的短纤维结构，呈桶状，称作成膜体。高尔基体产生内含细胞壁与细胞膜合成原料的囊泡。光学显微镜下这类囊泡形似微小液滴，在残存纺锤丝引导下向纺锤体赤道位置聚集。

微管将高尔基体囊泡聚拢，囊泡相互融合，形成扁平中空的细胞板 (图 3.19)。囊泡内的糖类物质逐步合成两层初生细胞壁以及胞间层，胞间层为两个新生子细胞所共有。细胞板不断向四周延展，最终与母细胞的细胞膜相连融合。

内质网片段在相互融合的细胞板囊泡之间，进而形成胞间连丝，它是穿过细胞壁、连通相邻细胞原生质的微细细胞质通道。

细胞板形成过程中，其两侧逐步生成新细胞膜，胞间层与细胞膜之间不断沉积新的细胞壁物质。新生初生细胞壁质地较为柔韧，直至细胞生长至成熟体积。细胞成熟后，还会继续沉积纤维素等物质，在初生细胞壁内侧形成次生细胞壁。少数情况下，细胞核完成分裂后并不会伴随细胞板的形成。