全 文 ：园 　艺 　学 　报 　2002 , 29 (3) : 233～237
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期 : 2001 - 06 - 01 ; 修回日期 : 2001 - 09 - 19
基金项目 : 江苏省教委自然科学基金资助项目 (H9909418) ; 江苏省高校重点实验室开放基金资助项目 ( K99080)
黄瓜花药和花粉高温伤害与多胺和脯氨酸含量的关
系
缪　珉　曹碚生
(扬州大学农学院园艺系 , 扬州 225009)
摘 　要 : 黄瓜花药在开花期比花粉母细胞形成期 (阶段 1) 和单核花粉期 (阶段 2) 腐胺、精胺、亚精
胺含量较低 , 游离脯氨酸 (Pro) 含量较高。高温 (35 ℃/ 25 ℃) 使阶段 1、阶段 2 花药中上述 3 种内源多胺
含量及开花期花药和花粉中 Pro 含量下降。黄瓜花粉在萌发培养基上培养 1 h 时 3 种内源多胺含量达峰值 ,
此后下降 ; Pro 含量随着花粉萌发逐步下降 ; 高温 (35 ℃) 下黄瓜花粉萌发后 3 种内源多胺含量的上升和
Pro 水平的下降趋势被抑制 , 但耐热品系 XC21、NY21 受高温的影响小于热敏品系新泰密刺或不受影响 , 表
明多胺和 Pro 代谢与耐热性有关。外源鸟氨酸转氨酶 (OAT) 的抑制剂 3 氨基 - 2 , 3 - 二羟基安息香酸
( Gabaculine) 能降低黄瓜花粉的萌发能力 , 同时提高花粉中内源多胺的含量并降低 Pro 的含量 , 表明黄瓜花
粉萌发过程中可能存在由 Pro 合成多胺的途径。
关键词 : 黄瓜 ; 高温 ; 花药 ; 花粉 ; 多胺 ; 游离脯氨酸
中图分类号 : S 642. 2 　　文献标识码 : A 　　文章编号 : 05132353X (2002) 0320233205
高温下黄瓜花药发育不良、花粉活力下降并最终导致授粉受精不良 , 是夏季非单性结果黄瓜产量
和品质下降的重要原因〔1〕。目前关于作物雄性器官受到高温伤害的显微证据已有不少报道 , 如高温下
花药发育不良 , 绒毡层畸形 , 药室内壁解体 , 出现畸形花粉粒等〔2 ,3〕, 但关于高温对作物雄性器官造
成伤害生理生化方面的报道较少。大量研究表明 , 多胺和游离脯氨酸 ( Pro) 是作物雄性器官发育及
花粉萌发过程中的重要代谢物质〔4 ,5〕, 为此 , 作者研究了耐热性不同的黄瓜品系常温和高温下花药发
育和花粉萌发过程中内源多胺和 Pro 含量的变化 , 以期初步揭示高温伤害黄瓜花药发育和花粉萌发过
程的生化机理以及黄瓜不同品系雄性器官耐热性差异的原因。
已有研究表明 , 在一定的条件下 , 植物体内的 Pro 可转化为鸟氨酸 (Orn) , 而后进一步合成多
胺 , 鸟氨酸转氨酶 (OAT) 的逆向催化活性在此过程中起关键作用〔6 ,7〕。为了探索黄瓜花粉萌发过程
中多胺与 Pro 之间是否存在上述代谢上的关系 , 作者研究了外源多胺、外源 Pro 及 OAT的抑制剂 3 氨
基 - 2 , 3 - 二羟基安息香酸 ( Gabaculine) 对黄瓜花粉管生长及内源多胺和 Pro 含量的影响。
1 　材料与方法
材料为黄瓜 ( Cucumis sativus L. ) 耐热品系 XC21 (湘春 7 号株选品系 , 华北型) 、NY21 (台湾农友
公司提供 , 华南型) 及不耐热品系新泰密刺 (Xintaimici , 从南京市蔬菜研究所种子门市部购得 , 华北
型) 。试验于 1999～2000 年在扬州大学农学院园艺系蔬菜试验温室和人工气候室中进行。将试材播种
于 40 cm ×40 cm 盆中 , 以蛭石为基质 , 用 Hogland 完全营养液每 3 d 浇灌 1 次。温室昼温 23～28 ℃,
夜温 13～18 ℃。当植株陆续有雄花发生时 , 将其转移至气候室进行温度处理。气候室光照强度
1 000μmol·m - 2·s - 1 , 日照时间 14 h , 空气相对湿度 60 %～70 %。处理温度为 : 常温 25 ℃/ 15 ℃, 高
温 35 ℃/ 20 ℃。
花药发育期间的观测 : 据先前研究结果〔1〕, 黄瓜雄花蕾长度为 1 mm 时约处于花粉母细胞形成
期 , 5 mm 时约处于单核花粉期。故温度处理后 10 d , 选取大量长度为 1 mm 的雄花蕾 (阶段 1) , 一
部分摘下剥取花药 , 投入液氮保存 , 用于测定腐胺 (Put) 、精胺 (Spm) 、亚精胺 (Spd) 和 Pro 含量 ,
另一部分挂牌标记 , 继续处理 , 待标记雄花分别长至 5 mm (阶段 2) 和开花当天 (前 1 d 下午夹花 ,
防止污染) 剥取花药测定上述指标。并在开花当天取各处理花粉测定 Pro 含量 , 同时观测 25 ℃下花粉
培养 4 h 时的花粉管长度 (培养基成分 : 80 mg/ kg 硼酸 + 100 g/ kg 蔗糖 , 每次统计 100 粒) , 花药和花
粉的取样在早晨 6 时左右进行。试验重复 4 次。
花粉萌发期间的观测 : 取 3 品系正常花粉 , 在萌发培养基 (同上) 上常温 (25 ℃) 和高温
(35 ℃) 下培养 , 分别于培养 0 h、1 h、2 h、3 h、4 h 时 , 取花粉测定 3 种内源多胺和 Pro 含量 , 并
测量培养 4 h 时的花粉管长度 (每次统计 100 粒) 。试验重复 4 次。
外源 Gabaculine、Put 和 Pro 的作用试验 : 取新泰密刺正常花粉 , 在萌发培养基 (同上) 上于下述
　　　　　　　　5 种条件下萌发 : (1) 25 ℃; (2) 35 ℃; (3) 25 ℃,
培养基中加 10 - 4mol·L - 1 Gabaculine (Fluka) ; (4)
35 ℃, 培养基中加 10 - 4mol·L - 1 Put ; (5) 35 ℃,
培养基中加 2 mg·g - 1 Pro。观测培养 1 h 时花粉
中 3 种内源多胺和 Pro 的含量以及培养 4 h 时的
花粉管长度。试验重复 4 次。内源多胺含量的测
定参照马志超等的方法〔8〕, Pro 含量的测定参照
Bates 等的方法〔9〕。
2 　结果与分析
2. 1 　常温与高温下花药发育期间内源多胺和
Pro 含量的变化
图 1 表明 , 3 品系常温 (25 ℃) 下花药发育
过程中 3 种内源多胺的含量均在阶段 1、阶段 2
维持较高水平 , 至开花当天下降。其中 XC21、
NY21 在阶段 1、阶段 2 的含量高于新泰密刺 , 但
至开花当天 , 3 品系间差异不显著。高温
(35 ℃) 处理使新泰密刺花药阶段 1、阶段 2 的多
胺含量有所降低 , 其中阶段 2 下降幅度最大 , 而
对 XC21、NY21 的影响不显著。
由图 2 可知 , 3 品系在 25 ℃常温下花药中
Pro 含量在阶段 1、阶段 2 均维持较低水平 , 至
开花当天大幅上升。35 ℃高温对 3 品系花药阶段
1、阶段 2 的 Pro 含量影响不大 , 但显著降低开
花当天的水平。常温下开花当天 3 品系成熟花粉
中 Pro 的含量高于此时整个花药中的含量 , 表明
此时花药中花粉 Pro 的含量要高于其他非花粉成
分。高温下新泰密刺花粉中 Pro 含量大幅下降 ,
而在 XC21、NY21 中仍能维持较高水平。
2. 2 　常温与高温下花粉萌发期间内源多胺和
Pro 含量的变化
图 1 　不同温度下黄瓜花药各发育阶段内源多胺含量的变化
阶段 1 为花粉母细胞形成期 , 阶段 2 为单核花粉期 , 图 2 同。
图中短线为 4 次测量的标准差 , 图 2～4 同。
1. 新泰密刺 Xintaimici 25 ℃; 2. 新泰密刺 Xintaimici 35 ℃;
3. XC21 25 ℃; 4. XC21 35 ℃; 5. NY21 25 ℃; 6. NY21 35 ℃。
Fig. 1 　Changes of endogenous polyamines contents of
cucumber anthers at different developmental stages
growing under different temperatures
Stage 1 is pollen mother cell formation stage , stage 2 is monokaryotic
pollen stage , Fig. 2 is the same. Bars in Fig. 1 are SDs
from 4 measurements , Fig. 2 - 4 is the same.
432 　　　　　　　　　　　　　　　　　园 　　艺 　　学 　　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　29 卷
　　由图 3 可知 , 3 品系花粉萌发期间 3 种内源
多胺均在培养 1 h 时达峰值而后下降。高温处理
使新泰密刺花粉培养 1～3 h 期间的 3 种多胺含
量显著低于常温处理 , 其中以培养 1 h 时的峰值
下降幅度最大。高温处理使 XC21、NY21 花粉培
养 1 h 时 3 种多胺含量的峰值也有所下降 , 但下
降幅度小于新泰密刺 , 在培养 2～4 h 期间与常
温处理间差异不显著。
供试 3 品系常温下花粉萌发期间 Pro 含量均
呈逐步下降趋势。高温处理使新泰密刺的这一下
降趋势变缓 , 而对其他 2 品系影响不显著 (图
4) 。
图 2 　不同温度下黄瓜花药各发育阶段及成熟花粉中的 Pro 含量
Fig. 2 　Free proline contents of cucumber anthers at different
developmental stages and matural pollens growing
under different temperatures
1. 新泰密刺 Xintaimici 25 ℃; 2. 新泰密刺 Xintaimici 35 ℃;
3. XC21 25 ℃; 4. XC21 35 ℃; 5. NY21 25 ℃; 6. NY21 35 ℃. 图 3 　不同温度下黄瓜花粉萌发期间内源多胺含量的变化Fig. 3 　Changes of endogenous polyamines contents during
cucumber pollen germination under different temperatures
图 4 　不同温度下黄瓜花粉萌发期间 Pro 含量的变化
Fig. 4 　Changes of free proline contents during cucumber pollen
germination under different temperatures
表 1 　新泰密刺黄瓜花粉在常温和高温下培养 1 h 的内源多胺
和 Pro 含量及培养 4 h 的花粉管长度
Table 1 　Contents of endogenous polyamines and free proline of
1 h2germinated pollens and pollen tube length of 4 h2germinated
pollens of Xintaimici under different conditions
培 养 条 件
Cultural
conditions
花粉管长
Pollen tube
length (μm)
多 胺 Polyamine
(nmol·g - 1 FM)
Put Spm Spd
脯 氨 酸
Free proline
(mg·g - 1 FM)
25 ℃ 4 362 d 1 432 b 276 d 2 698 c 1. 238 a
35 ℃ 1 346 a 578 a 76 a 747 a 2. 236 c
25 ℃+ Gabaculine 2 754 b 746 a 172 c 1 059 b 1. 632 b
35 ℃+ Put 3 052 c — 124 b 1 148 b 2. 428 c
35 ℃+ Pro 3 174 c 1 024 b 128 b 827 a —
　　注 :不同培养条件的 PLSD 法多重比较 ,P = 0. 05。
Note : PLSD test between different germination conditions (between
lines) , P = 0. 05.
2. 4 　外源 Gabaculine、Put 和 Pro 对新泰密刺花粉管的影响
由表 1 可知 , 新泰密刺花粉培养 4 h 时的花粉管长度在 5 种培养之间存在显著差异 , 其中高温下
花粉管生长受抑最严重 , 外源 Pro 和外源 Put 能缓解高温对花粉管生长的抑制 , 常温下 Gabaculine 的
5323 期 　　　　　　　　　缪　珉等 : 黄瓜花药和花粉高温伤害与多胺和脯氨酸含量的关系 　　　　　　　　　
存在降低了花粉管的萌发长度。进一步测定花粉培养 1 h 时的内源多胺和 Pro 的含量 , 结果表明
Gabaculine 的存在会显著降低花粉中内源多胺的含量 , 提高 Pro 的含量。高温下外源 Put 可提高其他
2 种内源多胺的含量 , 但对 Pro 的含量无显著影响。外源 Pro 的施用能显著提高花粉内源 Put、Spm 的
含量 , 但对 Spd 不产生显著影响。
3 　讨论
多胺在植物细胞分裂过程中具有重要作用〔10〕, 黄瓜花药发育过程中阶段 1 至阶段 2 大约是花粉
母细胞形成及其减数分裂并形成单核花粉的时期〔1〕, 此期花药内源多胺含量的上升 (图 1) 可能与花
药组织中旺盛的细胞分裂有关。耐热性较强的 XC21、NY21 在花药发育阶段 1 和阶段 2 腐胺、精胺和
亚精胺的水平高于热敏品系新泰密刺 , 且高温下耐热品系内源多胺的下降幅度小于热敏品系 , 表明高
温导致的此期间 3 种内源多胺水平的下降与高温对黄瓜花药发育造成伤害关系密切。
Pro 是作物花粉萌发期间的重要代谢物质〔11〕, 黄瓜开花前花粉中 Pro 的大幅上升可能是为花粉即
将萌发积累原料。高温下热敏品系花粉中 Pro 含量锐减至极低水平 , 而耐热品系仍能维持相对较高的
水平 , 表明成熟花粉中 Pro 的大量积累对花粉的正常萌发至关重要。
尽管目前还不清楚多胺在作物花粉萌发过程中的具体作用 , 但从高温下热敏品系花粉萌发期间内
源多胺水平下降幅度明显大于耐热品系这一点 , 可以推测多胺在黄瓜花粉萌发过程中具有重要作用 ,
外源 Put 能缓解高温对花粉管生长的抑制支持了上述推测。
黄瓜花粉萌发期间 Pro 含量逐步下降 , 可能与 Pro 在花粉萌发期间被逐步消耗有关〔11〕。高温使新
泰密刺花粉萌发期间 Pro 含量一直维持较高水平 , 同时造成了花粉管生长的抑制 , 表明黄瓜花粉萌发
过程中 Pro 被消耗利用的重要性。
在 Pro 大量积累的植物组织中 , Pro 可转化为 Orn , 然后进一步合成多胺〔7〕。本试验中 , 黄瓜花粉
从开始萌发至萌发后 1 h , 多胺水平上升而 Pro 含量下降 , 且高温能同时抑制此期多胺水平的上升和
Pro 含量的下降 , 这一现象令笔者推测此时花粉中内源多胺和 Pro 之间可能存在上述代谢上的关系。
为初步验证这一推测 , 将 OAT的抑制剂 Gabaculine 加入花粉萌发培养基 , 结果表明 Gabaculine 显著抑
制了新泰密刺花粉萌发 1 h 后 Pro 的下降趋势 , 同时造成了内源多胺含量的下降 , 表明黄瓜花粉萌发
过程中可能存在由 Pro 至多胺的代谢途径。外源 Pro 能够提高花粉中 Put 的浓度 , 为此提供了进一步
的证据。抑制剂的存在降低了花粉的萌发能力 , 表明由 Pro 至多胺的代谢途径对黄瓜花粉的正常萌发
可能具有重要意义。
参考文献 :
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The Relationship Between Heat Injury and Polyamines or Proline Contents
During Anther Development and Pollen Germination in Cucumber
Miao Minmin and Cao Beisheng
( Department of Horticulture , Agricultural College of Yangzhou University , Yangzhou 225009 , China)
Abstract : Cucumber ( Cucumis sativus L. ) anthers had lower Put , Spm , Spd contents and higher free
proline (Pro) contents at anthesis than those at pollen mother cell formation stage and monokaryotic pollen stage ,
high temperature (35 ℃/ 20 ℃) could reduce Put , Spm , Spd contents at stage 1 and stage 2 , and reduce Pro
contents in anthers and pollens at anthesis. During cucumber pollen culturing , Put , Spm , Spd contents reached
max in 1 h then descended , Pro contents descended gradually , Put , Spm , Spd contents decreased and Pro
contents increased when cucumber pollen germinated under high temperature ( 35 ℃) . In heat sensitive line
Xintaimici , the effects of high temperature on physiological processes above were more serious than those in heat
tolerant line XC21 and NY21 , which indicated polyamine and Pro might play a key role in cucumber anther
development and pollen germination. Gabaculine , a inhibitor of ornithine aminotransferase , could inhibit
cucumber pollen germination , improve polyamine contents and reduce Pro contents during pollen germination ,
which indicated there might be a Pro to polyamine biochemistry route during cucumber pollen germination.
Key words : Cucumber ; High temperature ; Anther ; Pollen ; Polyamine ; Free proline
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