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高等植物的有性生殖是一个复杂的生物学过程,需要有精确的调控才能顺利完成,花粉在雌蕊柱头上萌发并长出花粉管进入胚囊完成受精,是这个过程的重要阶段.研究发现许多金属离子可以影响花粉萌发和花粉管的生长,例女Ca<2+>对花粉萌发是必须的,并且作为一种重要的信号物质参与花粉的萌发.盐分胁迫主要包括离子胁迫及渗透胁迫.离子胁迫、渗透胁迫及其造成的一系列次级胁迫如氧化胁迫等,严重干扰植物体内业已存在的细胞及整株水平上的水分及离子稳态,造成植物细胞分子损伤,生长减缓甚至死亡.因而植物对抗盐胁迫的一个重要策略是在高盐环境下重建体内的稳态(homeostasis),包括重建离子稳态(ionichomeostasis)和渗透稳态(osmotic homeostasis)等.然而盐胁迫对植物的生殖生长是否有影响,影响有多大,目前的研究报道不多.盐胁迫如果对植物有性生殖过程中的任一环节产生影响,都将导致植物不能完成受精作用,从而结实率降低,造成减产.
本实验以百合花粉和拟南芥花粉为实验材料,采用花粉液体培养法探讨了NaCl对花粉萌发的影响及植物信号物质钙在NaCI抑制花粉萌发中的作用.测定萌发花粉内Ca<2+>、N和K<+>含量及质膜透性,同时测定淀粉酶和SOD活性及MDA和脯氨酸含量,旨在探讨NaCl对花粉萌发的影响及Ca<2+>缓解NaCl抑制作用的一些可能机制.本文主要研究结果如下:1.NaCI和Ca<2+>处理对花粉体外萌发和花粉管生长的影响在25 mmol/L,NaCl处理下,百合花粉萌发和花粉管生长都受到显著抑制,花粉萌发率降低,花粉管长度减小;拟南芥花粉在0.1 mmol/L,NaCl处理下,花粉萌发和花粉管生长都受到显著抑制.表明NaCl处理对花粉体外萌发和花粉管生长具有抑制作用.
NaCl处理下,适当增加培养基中ca<2+>浓度,百合花粉萌发率与盐处理相比显著升高,添加外源Ca<2+>一定程度上缓解了NaCl对花粉萌发的抑制作用,花粉管生长抑制也有所缓解;适当增加培养基中Ca<2+>浓度,对拟南芥花粉萌发及花粉管生长与百合花粉有相同的缓解效应.但是过量的外源Ca<2+>对花粉萌发起抑制作用.NaCl抑制花粉萌发的浓度比抑制植物生长的浓度小,说明花粉对NaCl较敏感,更易受到盐胁迫的伤害,同时也暗示NaCl对花粉的抑制作用可能更主要的是一种离子毒害,而不是渗透胁迫.2.NaCI和Ca<2+>处理对花粉细胞内Ca<2+>、Na<+>和K<+>含量的影响NaCl胁迫条件下,与对照相比萌发花粉内Ca<2+>、K<+>含量显著降低,Na<+>含量显著升高,花粉内离子平衡受到破坏,大量的Na<+>进入花粉细胞,破坏了细胞内Ca<2+>和K<+>的离子稳态,使二者不能行使正常的生理功能,可能是造成花粉萌发率降低的一个主要原因.
外源Ca<2+>明显提高NaCl胁迫下萌发过程中花粉Ca<2+>、K<+>含量,降低Na<+>含量,提高其K<+>/Na<+>比,维持细胞内的离子平衡,部分缓解了由NaCl胁迫造成的离子毒害.NaCl对花粉的抑制能够用Ca<2+>部分缓解,同时也证明了NaCl影响了花粉萌发过程中a<2+>的吸收和发挥生理作用.3.NaCI和Ca<2+>处理对花粉质膜相对透性及MDA含量的影响质膜透性的改变可以反映膜受伤害的程度,相对电导率是反映质膜透性的基本生理指标.NaCl处理花粉,相对电导率与对照相比显著增大,MDA的含量也显著增加,用Evans blue染色,花粉着色较对照深;培养基中添加适量的钙后,相对电导率和MDA含量与盐处理相比都显著降低,花粉染色表明花粉质膜受损害的程度降低.
NaCl处理花粉,细胞质膜透性增大,膜的完整性和稳定性受到破坏,从而使Na<+>-容易进入细胞,这可能是细胞内Na<+>含量增大的一个原因.增加培养基中的Ca<2+>浓度后,质膜透性降低,从而可能恢复由质膜介导的跨膜物质转运,以及Ca<2+>介导的信号转导,使花粉萌发这一生理过程可以顺利进行.4.NaCI和Ca<2+>处理对花粉SOD、淀粉酶活性及脯氨酸含量的影响盐胁迫下花粉内超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性比正常萌发花粉中SOD活性显著降低,表明花粉清除细胞中活性氧和自由基的能力下降,过多的活性氧和自由基可以对细胞造成损伤,不利于花粉的萌发.增加外源Ca2+后,SOD活性比盐胁迫下花粉内SOD活性显著升高,表明花粉清除活性氧和自由基的能力升高,有利于花粉的正常萌发.
盐处理条件下,花粉淀粉酶活性与对照相比显著降低,表明盐处理阻碍了花粉水解淀粉,缺少了物质和能量来源,从而抑制花粉萌发;适当浓度的钙可以大大增强淀粉酶的活性,淀粉水解的糖类提供了花粉萌发以及花粉管生长所需的物质和能源,缓解了NaCl对花粉的抑制作用.
盐胁迫下花粉内脯氨酸含量比正常萌发花粉中脯氨酸含量显著升高,表明盐胁迫抑制了花粉中脯氨酸的代谢,阻碍了脯氨酸转化为其他物质,花粉萌发受到抑制.而花粉在正常萌发过程中消耗细胞中的脯氨酸,可能转化为其他物质促进花粉萌发.增加培养基中的外源Ca<2+>后萌发花粉的脯氨酸含量比盐胁迫下花粉内脯氨酸含量显著降低,表明花粉能够进行脯氨酸代谢,缓解了NaCl对花粉脯氨酸代谢的抑制作用.5.NaCl和喷施钙对柱头花粉萌发及结实率的影响开花后喷施NaCl,柱头粘附的花粉数量与对照相比显著降低,并且结实率下降.添加适当浓度的钙喷施后,柱头粘附的花粉数量与喷施NaCl相比升高,结实率增加.
总之,NaCl处理下,花粉体外萌发及在柱头上的萌发和花粉管生长都受到抑制,从花粉细胞内离子含量、质膜透性、脯氨酸含量,SOD及淀粉酶活性等方面来看,NaCl胁迫导致花粉内离子平衡遭到破坏,有害物质逐渐积累,花粉的正常代谢不能正常进行,从而抑制了花粉萌发和花粉管的生长.NaCl处理下,适当的增加外源钙能够缓解NaCl胁迫对花粉的毒害作用,一定程度上促进了花粉萌发和花粉管的生长,降低了盐害.