金屬離子對4種植物花粉萌發和花粉管生長的影響

周曉明 +陳慧

摘要：研究了金屬離子Na+、Al3+、Cu2+對煙草、西府海棠、紫葉李以及日本晚櫻花粉萌發、花粉管生長的影響。結果發現：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種植物的花粉萌發和花粉管生長，煙草花粉對Cu2+敏感濃度則是0.001 0 mmol/L。然而，2個科物種的花粉對Al3+的表現恰恰相反，薔薇科植物的花粉對Al3+表現出較高的耐受性，1 mmol/L Al3+才能明顯抑制花粉萌發和花粉管生長；而茄科植物煙草則表現得較敏感，抑制濃度為0.01 mmol/L。2個科植物的花粉對Na+均有很高的耐受力，煙草花粉萌發和花粉管生長在100 mmol/L Na+處理下才受到明顯抑制；對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。由此，說明了不同的物種對胞外金屬離子存在不同的耐受能力。

關鍵詞：金屬離子；花粉萌發；花粉管生長；煙草；薔薇科植物

中圖分類號： S685.120.1文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0225-02

收稿日期：2016-10-02

作者簡介：周曉明（1982—），男，江蘇鹽城人，農藝師，主要從事園藝產品開發與研究。E-mail：21737826@qq.com。

[JP2]近幾十年來，大規模的石油開發和農業開墾等高強度的人類干擾和氣候變化等綜合作用，已經導致生態系統出現了很大程度的退化，這其中十分突出的重金屬污染則是退化的一個重要驅動因素，已有研究表明金屬污染對植物有毒害影響[1]。

植物對于低濃度重金屬脅迫具有一定的抵御能力，然而當重金屬脅迫超過了一定閾值，便會對植物種子萌發、幼苗生長和花粉萌發以及花粉管伸長產生不利影響。鹽脅迫是限制植物在鹽堿地上生長的重要因素，鹽脅迫可造成植物體內的滲透脅迫、質膜傷害和離子失調，使植物正常生理代謝紊亂，生長受阻，甚至死亡[2]。銅是植物生長發育必需的微量營養元素，是多種酶的組成成分和活化劑，參與光合作用、電子傳遞、蛋白質合成等代謝活動，但銅過量會對植物產生毒害作用[3]。據報道，低濃度的Cu2+對菠菜的生長略微有促進作用而高濃度的Cu2+會顯著抑制其生長，大蒜根和葉的生長受Cu2+嚴重影響[5]；束文勝等[6]在調查湖北銅的綠山冶煉渣堆時，發現鴨跖草中銅含量達到了1 034～1 224 mg/kg[4]，說明鴨跖草對銅耐受能力是極強的，而鴨跖草對其他重金屬的耐性則鮮有報道，可以看出同一種植物對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的主要原因，Al3+對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胞壞死以及植株矮小。周楠等研究發現，Al3+可明顯抑制黃瓜根的生長[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體系，研究了不同濃度的Na+、Al3+和Cu2+對不同物種的花粉萌發及花粉管生長的影響，以期對金屬離子對各物種花粉萌發、花粉管生長的作用有系統的了解。

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年春季于蘇州農業職業技術學院內，采集其大蕾期花，使用鑷子剝取花藥，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，密封保存備用。

1.2方法

花粉液體培養基：薔薇科植物的花粉培養基為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，分散在液體培養基中后，在25℃黑暗條件下分置于2 mL離心管中培養1 h后進行試劑處理。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加入培養基中進行金屬離子處理，培養花粉3 h后利用10倍、40倍的顯微鏡觀察花粉的萌發和花粉管生長情況，利用Image J軟件測量花粉管生長長度，每個重復統計100個花粉?；蚧ǚ酃埽貜?次。

2結果與分析

2.1Na+對花粉萌發及花粉管生長的影響

分別利用0.01、0.1、1、10、100 mmol/L的Na+對煙草、西府海棠、紫葉李以及日本晚櫻花粉進行處理，觀察其花粉萌發及花粉管生長。結果顯示：2個科物種的花粉對Na+表現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，花粉管的萌發以及花粉管生長長度明顯降低；而薔薇科植物對Na+的反應則產生了分歧，西府海棠和紫葉李在 10 mmol/L 的Na+濃度下，花粉萌發率花粉管生長長度明顯降低，而日本晚櫻則在100 mmol/L的Na+高濃度情況，仍能正常生長（表1、表2）。

2.2Al3+對花粉萌發及花粉管生長的影響

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

2.3Cu2+對花粉萌發及花粉管生長的影響

分別利用0.000 01、0.000 1、0.001、0.01、0.1 mmol/L濃度的Cu2+對煙草、西府海棠、紫葉李以及日本晚櫻花粉進行處理。結果（表5、表6）表明：所有物種的花粉對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及花粉管生長長度出現抑制現象，煙草在 0.001 mmol/L 處理下出現抑制效果。由此說明不同的物種對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和生長。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于不同的重金屬敏感程度是不同的。研究發現：NaCl脅迫導致花粉內離子平衡遭到破壞，有害物質逐漸積累，花粉的代謝不能正常進行，從而抑制了花粉萌發和花粉管的生長[8]。本研究中不同科的植物對Na+表現出不同的耐受力，當Na+濃度達到 10 mmol/L 時對2個科的植物都有較強的抑制作用。高濃度的Cu2+會導致細胞膜的強度下降，并破壞細胞膜的選擇膜透性，Cu2+進入細胞器會造成內膜結構的損傷，如過量的Cu2+會破壞玉米根尖細胞原生質體的內膜[9]。此外，在小麥種子初生根尖細胞中發現，過量Cu2+處理后根尖的活性氧濃度升高，抑制了根尖的生長[10]；同時，有調查表明在Cu離子脅迫的條件下，根毛細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陽離子比較，根毛細胞對Cu2+的反應是比較敏感的[11]。本研究中Cu2+處理下2個科植物都出現明顯抑制現象。本研究中，Al3+對于薔薇科植物生長的抑制濃度為1 mmol/L。研究顯示，Al3+與質膜的表面具有很高親和性，能夠與膜蛋白和膜脂結合，并能改變質膜對電解質和非電解質的通透性[12]；Al3+還能夠嵌入到脂質合酶的金屬結合位點上，進而擾亂細胞正常的信號轉導[13]。Al3+能夠誘導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。推測花粉管對于Al3+的反應不如對Cu2+離子敏感，產生這種現象的原因是由于Al3+對細胞產生了上述作用。

[HS2][HT8.5H]參考文獻：[HT8.SS]

[1]Seregin I V，Ivanov V B. Physiological aspects of cadmium and lead toxic effects on higher plants[J]. Russian Journal of Plant Physiology， 2001， 48（4）： 523-544.

[2]於朝廣，李穎，謝寅峰，等. NaCl脅迫對中山杉幼苗生長及離子吸收、運輸和分配的影響[J]. 植物生理學報，2016，52（9）：1379-1388.

[3]楊麗麗.銅脅迫對甜菜幼苗生長和光合特性的影響[D]. 濟南：山東師范大學，2013.

[4]劉文英，周鳳，戎婷婷，等. 重金屬銅對菠菜生理指標的影響[J].農業與技術，2016，36（3）：1-2， 24.

[5]王威，劉宗愉，蔣悟生，等. Cu2+對大蒜生長的影響及大蒜根葉及蒜瓣對Cu2+的累積[J]. 西北植物學報，2001，21（2）：306-312.

[6]周楠，陳文榮，劉鵬，等. 黃瓜根邊緣細胞生物學特性及其對鋁的響應[J]. 園藝學報，2006，33（5）：1117-1120.

[7]束文圣，楊開顏，張志權，等. 湖北銅綠山古銅礦冶煉渣植被與優勢植物的重金屬含量研究[J]. 應用與環境生物學報，2001，7（1）：7-12.

[8]丁彬. 外源鈣在NaCl抑制花粉萌發中的作用[D].濟南：山東師范大學，2007.

[9]Ouzounidou G，C[DD（]′[DD）]iamporová M，Moustakas M，et al. Responses of maize（Zea mays L.） plants to copper stress-I.Growth，mineral content and ultrastructure of roots[J]. Environmental and Experimental Botany， 1995， 35（2）：167-176.

[10]伏毅，戴媛，譚曉榮，等. 干旱對小麥幼苗脂類和蛋白質氧化損傷的影響[J]. 作物雜志，2010（3）：45-50.

[11]閻秋潔，古靜燕，韓文君，等. 不同濃度Cu2+、Hg2+、Zn2+脅迫對綠豆幼苗超氧化物歧化酶活性的影響[J]. 江蘇農業科學，2009（5）：98-100.

[12]Cakmak I，Horst W J. Effect of aluminium on lipid peroxidation，superoxide dismutase，catalase，and peroxidase activities in root tips of soybean（Glycine max）[J]. Physiologia Plantarum， 1991， 83（3）： 463-468.

[13]Kochian L V，Hoekenga O A，Pieros M A. How do crop plants tolerate acid solis？Mecjamosmes of aluminum tolerance and phospherous efficiency[J]. Plant Biology，2004，55：459-493.