叶绿体是植物细胞特有的细胞器,通过光合作用将光能转变为生物能,具有合成和储存有机物的功能。叶绿体的数量、形态结构和生物活性与高等植物生长发育息息相关。研究表明叶绿体的增殖和细胞膨大有着紧密的联系,细胞大小和叶绿体数量呈现出正相关性。但叶肉细胞的膨大与叶绿体的分裂和数量间相互影响的细胞学研究还不够深入。为了深入了解植物叶发育过程中叶绿体的分裂与数量增长的细胞学调控机制,本研究使用离析压片、超薄切片、免疫荧光标记等实验技术和方法,通过观察、记录和比较了二倍体和四倍体拟南芥叶在不同发育阶段的叶肉细胞的膨大、叶绿体分裂和数量变化的规律。主要结果和结论如下(括号内为数值增长率):1、在拟南芥叶生长发育过程中,随着叶面积扩展,叶肉细胞逐渐生长膨大。根据统计观察分析,在二倍体和四倍体植物中叶肉细胞出现两个高速膨大期。其中,二倍体分别为真叶出芽的3-7天(60.0%)和9-11天(73.8%),并且第二次高速膨大期的涨幅比第一次高速膨大期更高;四倍体分别为真叶出芽的5-7天(110.4%)和13-15天(84.5%),与二倍体相反,其第一次高速膨大期的涨幅比第二次高速膨大期更高。2、在二倍体叶肉细胞中,叶绿体出现两个高速分裂期,分别为真叶出芽的5-7天(30.9%)和11-15天(64.7%),并且第二次高速分裂期的涨幅比第一次高速分裂期更高;在四倍体叶肉细胞中,叶绿体也有两个高速分裂期,分别为真叶出芽的6-7天(67.5%)和14-15天(43.7%),同样与二倍体相反,其第一次高速分裂期的涨幅比第二次高速分裂期更高。研究首次揭示出拟南芥叶生长发育过程中叶肉细胞两次膨大高峰期发生时间均早于叶绿体分裂高峰期发生的时间。我们推测叶肉细胞的膨大可能是导致其分裂的直接诱因。3、在真叶出芽3天时,单位细胞(指平均每个细胞)内含叶绿体数量为12个(二倍体)和15个(四倍体),单位细胞面积(指平均每个细胞的面积)无显著差异。真叶出芽17天后,单位细胞叶绿体数量为70.46个(二倍体)和88.78个(四倍体),单位细胞面积为3232.17μm~2(二倍体)和4851.17μm~2(四倍体)(每个时期、每个倍性各取50个叶肉细胞作为统计样本)。在出芽3天和出芽17天的真叶中,四倍体叶肉细胞叶绿体数量显著高于二倍体,在成熟期真叶中,四倍体叶肉细胞大小显著高于二倍体。可以看出倍性增加导致叶肉细胞体积增大,从而间接导致四倍体叶肉细胞中叶绿体数量比二倍体更多。4、使用透射电子显微镜观察拟南芥叶绿体的超微结构,可以观察到处于分裂末期的叶绿体的中部形成了明显的分裂环结构。同时,四倍体叶绿体中的淀粉粒比同时期的二倍体更多、更大。进一步使用免疫荧光技术对Z环进行标记,能够清楚地观察到处于分裂时期的叶绿体具有长椭圆型、圆形、哑铃型等不同形态,同时也能观察到Z环处于叶绿体中部位置,充分证明FtsZ蛋白家族参与了叶绿体的分裂过程。