金屬離子對(duì)4種植物花粉萌發(fā)和花粉管生長(zhǎng)的影響

周曉明 +陳慧

摘要：研究了金屬離子Na+、Al3+、Cu2+對(duì)煙草、西府海棠、紫葉李以及日本晚櫻花粉萌發(fā)、花粉管生長(zhǎng)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與茄科植物煙草花粉相比，薔薇科植物西府海棠、紫葉李和日本晚櫻花粉對(duì)Cu2+更為敏感，0.000 1 mmol/L就能明顯抑制這3種植物的花粉萌發(fā)和花粉管生長(zhǎng)，煙草花粉對(duì)Cu2+敏感濃度則是0.001 0 mmol/L。然而，2個(gè)科物種的花粉對(duì)Al3+的表現(xiàn)恰恰相反，薔薇科植物的花粉對(duì)Al3+表現(xiàn)出較高的耐受性，1 mmol/L Al3+才能明顯抑制花粉萌發(fā)和花粉管生長(zhǎng)；而茄科植物煙草則表現(xiàn)得較敏感，抑制濃度為0.01 mmol/L。2個(gè)科植物的花粉對(duì)Na+均有很高的耐受力，煙草花粉萌發(fā)和花粉管生長(zhǎng)在100 mmol/L Na+處理下才受到明顯抑制；對(duì)西府海棠和紫葉李花粉，Na+抑制濃度為10 mmol/L，而日本晚櫻花粉在100 mmol/L Na+情況下仍能正常生長(zhǎng)。由此，說明了不同的物種對(duì)胞外金屬離子存在不同的耐受能力。

關(guān)鍵詞：金屬離子；花粉萌發(fā)；花粉管生長(zhǎng)；煙草；薔薇科植物

中圖分類號(hào)： S685.120.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）12-0225-02

收稿日期：2016-10-02

作者簡(jiǎn)介：周曉明（1982—），男，江蘇鹽城人，農(nóng)藝師，主要從事園藝產(chǎn)品開發(fā)與研究。E-mail：21737826@qq.com。

[JP2]近幾十年來，大規(guī)模的石油開發(fā)和農(nóng)業(yè)開墾等高強(qiáng)度的人類干擾和氣候變化等綜合作用，已經(jīng)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)了很大程度的退化，這其中十分突出的重金屬污染則是退化的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因素，已有研究表明金屬污染對(duì)植物有毒害影響[1]。

植物對(duì)于低濃度重金屬脅迫具有一定的抵御能力，然而當(dāng)重金屬脅迫超過了一定閾值，便會(huì)對(duì)植物種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)和花粉萌發(fā)以及花粉管伸長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。鹽脅迫是限制植物在鹽堿地上生長(zhǎng)的重要因素，鹽脅迫可造成植物體內(nèi)的滲透脅迫、質(zhì)膜傷害和離子失調(diào)，使植物正常生理代謝紊亂，生長(zhǎng)受阻，甚至死亡[2]。銅是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素，是多種酶的組成成分和活化劑，參與光合作用、電子傳遞、蛋白質(zhì)合成等代謝活動(dòng)，但銅過量會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用[3]。據(jù)報(bào)道，低濃度的Cu2+對(duì)菠菜的生長(zhǎng)略微有促進(jìn)作用而高濃度的Cu2+會(huì)顯著抑制其生長(zhǎng)，大蒜根和葉的生長(zhǎng)受Cu2+嚴(yán)重影響[5]；束文勝等[6]在調(diào)查湖北銅的綠山冶煉渣堆時(shí)，發(fā)現(xiàn)鴨跖草中銅含量達(dá)到了1 034～1 224 mg/kg[4]，說明鴨跖草對(duì)銅耐受能力是極強(qiáng)的，而鴨跖草對(duì)其他重金屬的耐性則鮮有報(bào)道，可以看出同一種植物對(duì)不同重金屬的耐受能力存在著差別。鋁毒是酸性土壤阻礙作物生長(zhǎng)的主要原因，Al3+對(duì)許多種植物具有毒害作用。在酸化土壤中過量的Al3+易毒害植物，使得根系變短粗、變褐、分支減少、根尖膨大并伴隨表皮細(xì)胞壞死以及植株矮小。周楠等研究發(fā)現(xiàn)，Al3+可明顯抑制黃瓜根的生長(zhǎng)[7]。

本研究利用了茄科植物煙草，薔薇科植物西府海棠、紫葉李和日本晚櫻花粉離體培養(yǎng)體系，研究了不同濃度的Na+、Al3+和Cu2+對(duì)不同物種的花粉萌發(fā)及花粉管生長(zhǎng)的影響，以期對(duì)金屬離子對(duì)各物種花粉萌發(fā)、花粉管生長(zhǎng)的作用有系統(tǒng)的了解。

1材料與方法

1.1材料

以茄科植物煙草，薔薇科植物西府海棠、紫葉李和日本晚櫻為試材。2015年春季于蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院內(nèi)，采集其大蕾期花，使用鑷子剝?nèi)』ㄋ?，在硫酸紙上均勻攤晾干燥，使其花藥自然開裂散粉，使用硫酸紙包裝。待花粉散開后放在-20 ℃冰箱，密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2方法

花粉液體培養(yǎng)基：薔薇科植物的花粉培養(yǎng)基為10%蔗糖、0.01%硼酸、0.03%硝酸鈣，溶解于30 mmol/L 2-嗎啉乙磺酸（MES）緩沖溶液，pH值為6.5；茄科植物的花粉液體培養(yǎng)基為20%蔗糖、0.01%硼酸、0.05 mmol/L CaCl2，溶解于 30 mmol/L 的MES緩沖溶液中，pH值5.6。

使用刀片刮取離體花粉約0.05 g，分散在液體培養(yǎng)基中后，在25℃黑暗條件下分置于2 mL離心管中培養(yǎng)1 h后進(jìn)行試劑處理。分別將0.01、0.1、1、10、100 mmol/L的NaCl，0000 1、0.001、0.01、0.1、1 mmol/L的AlCl3，0.000 01、0.000 1、0.001、0.01、0.1 mmol/L[JP2]的CuCl2加入培養(yǎng)基中進(jìn)行金屬離子處理，培養(yǎng)花粉3 h后利用10倍、40倍的顯微鏡觀察花粉的萌發(fā)和花粉管生長(zhǎng)情況，利用Image J軟件測(cè)量花粉管生長(zhǎng)長(zhǎng)度，每個(gè)重復(fù)統(tǒng)計(jì)100個(gè)花粉?；蚧ǚ酃埽貜?fù)3次。

2結(jié)果與分析

2.1Na+對(duì)花粉萌發(fā)及花粉管生長(zhǎng)的影響

分別利用0.01、0.1、1、10、100 mmol/L的Na+對(duì)煙草、西府海棠、紫葉李以及日本晚櫻花粉進(jìn)行處理，觀察其花粉萌發(fā)及花粉管生長(zhǎng)。結(jié)果顯示：2個(gè)科物種的花粉對(duì)Na+表現(xiàn)出不同程度的耐受力。煙草在100 mmol/L的Na+濃度下，明顯受到抑制，花粉管的萌發(fā)以及花粉管生長(zhǎng)長(zhǎng)度明顯降低；而薔薇科植物對(duì)Na+的反應(yīng)則產(chǎn)生了分歧，西府海棠和紫葉李在 10 mmol/L 的Na+濃度下，花粉萌發(fā)率花粉管生長(zhǎng)長(zhǎng)度明顯降低，而日本晚櫻則在100 mmol/L的Na+高濃度情況，仍能正常生長(zhǎng)（表1、表2）。

2.2Al3+對(duì)花粉萌發(fā)及花粉管生長(zhǎng)的影響

分別使用0.000 1、0.001、0.01、0.1、1 mmol/L的Al3+對(duì)煙草、西府海棠、紫葉李以及日本晚櫻花粉進(jìn)行處理。結(jié)果（表3、表4）表明：茄科植物煙草則表現(xiàn)的較敏感，隨著Al3+濃度的增加花粉萌發(fā)率以及花粉管生長(zhǎng)長(zhǎng)度逐漸降低，在001 mmol/L濃度下產(chǎn)生明顯抑制；薔薇科植物對(duì)Al3+表現(xiàn)出較高的耐受性，在 1 mmol/L 才發(fā)生明顯毒害作用，日本晚櫻在0.1 mmol/L下出現(xiàn)輕微抑制現(xiàn)象。

2.3Cu2+對(duì)花粉萌發(fā)及花粉管生長(zhǎng)的影響

分別利用0.000 01、0.000 1、0.001、0.01、0.1 mmol/L濃度的Cu2+對(duì)煙草、西府海棠、紫葉李以及日本晚櫻花粉進(jìn)行處理。結(jié)果（表5、表6）表明：所有物種的花粉對(duì)Cu2+都較敏感，但在抑制濃度上有所差異。Cu2+濃度0.000 1 mmol/L處理下薔薇科植物的花粉萌發(fā)及花粉管生長(zhǎng)長(zhǎng)度出現(xiàn)抑制現(xiàn)象，煙草在 0.001 mmol/L 處理下出現(xiàn)抑制效果。由此說明不同的物種對(duì)胞外金屬離子存在不同的耐受能力。

3討論

一定濃度的金屬離子能夠影響花粉的萌發(fā)和生長(zhǎng)。本研

究中，茄科植物煙草和薔薇科植物西府海棠、紫葉李以及日本晚櫻的花粉在不同濃度Na+ 、Cu2+、Al3+的處理下受到不同程度的抑制作用，充分說明不同物種的植物對(duì)于不同的重金屬敏感程度是不同的。研究發(fā)現(xiàn)：NaCl脅迫導(dǎo)致花粉內(nèi)離子平衡遭到破壞，有害物質(zhì)逐漸積累，花粉的代謝不能正常進(jìn)行，從而抑制了花粉萌發(fā)和花粉管的生長(zhǎng)[8]。本研究中不同科的植物對(duì)Na+表現(xiàn)出不同的耐受力，當(dāng)Na+濃度達(dá)到 10 mmol/L 時(shí)對(duì)2個(gè)科的植物都有較強(qiáng)的抑制作用。高濃度的Cu2+會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜的強(qiáng)度下降，并破壞細(xì)胞膜的選擇膜透性，Cu2+進(jìn)入細(xì)胞器會(huì)造成內(nèi)膜結(jié)構(gòu)的損傷，如過量的Cu2+會(huì)破壞玉米根尖細(xì)胞原生質(zhì)體的內(nèi)膜[9]。此外，在小麥種子初生根尖細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，過量Cu2+處理后根尖的活性氧濃度升高，抑制了根尖的生長(zhǎng)[10]；同時(shí)，有調(diào)查表明在Cu離子脅迫的條件下，根毛細(xì)胞的超氧化物歧化酶的活性升高，并且與相同濃度的其他二價(jià)陽離子比較，根毛細(xì)胞對(duì)Cu2+的反應(yīng)是比較敏感的[11]。本研究中Cu2+處理下2個(gè)科植物都出現(xiàn)明顯抑制現(xiàn)象。本研究中，Al3+對(duì)于薔薇科植物生長(zhǎng)的抑制濃度為1 mmol/L。研究顯示，Al3+與質(zhì)膜的表面具有很高親和性，能夠與膜蛋白和膜脂結(jié)合，并能改變質(zhì)膜對(duì)電解質(zhì)和非電解質(zhì)的通透性[12]；Al3+還能夠嵌入到脂質(zhì)合酶的金屬結(jié)合位點(diǎn)上，進(jìn)而擾亂細(xì)胞正常的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[13]。Al3+能夠誘導(dǎo)植物的膜脂過氧化作用、抗氧化酶活性升高以及抗氧化基因的過量表達(dá)。推測(cè)花粉管對(duì)于Al3+的反應(yīng)不如對(duì)Cu2+離子敏感，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于Al3+對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生了上述作用。

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