全 文 ：武汉植物学研究 2002, 20( 2) : 100～104
Journal of Wuhan Botanical Research
热胁迫对辣椒花药发育过程中 Ca2+分布的影响

阎春兰1　苗　琛2　王建波1


( 1.武汉大学植物发育生物学教育部重点实验室, 武汉　430072;
2.河南大学生物系, 开封　475000)
摘　要: 运用焦锑酸钾沉淀法,研究了不同热胁迫时间对辣椒(Cap sicum annuum L . )小孢子发生和花粉发育过程
中 Ca2+分布的影响。在小孢子母细胞中,细胞表面有少量 Ca2+ 分布,细胞核中基本上观察不到 Ca2+ , 热胁迫 12 h
后, 细胞质和细胞核中 Ca 2+ 明显增多, 液泡膜内侧也有许多 Ca2+ 分布, 热胁迫 24 h 后, 大量的 Ca 2+ 分布在细胞质
中、液泡膜上和液泡内;在四分体时期, 与小孢子母细胞相比,四分小孢子表面和细胞质中 Ca2+ 数量明显增加 ,热胁
迫 24 h 后, 细胞质和细胞核中 Ca 2+ 更多; 在小孢子中,大量 Ca2+分布在壁上、质膜内侧、液泡膜上,少量分布在细胞
质和细胞核中, 热胁迫 12 h 后, 质膜上 Ca2+ 增多, 24 h 后, 细胞质、细胞核中、质膜内侧的 Ca2+ 继续增多; 热胁迫对
成熟花粉中 Ca2+ 的分布无明显影响。
关键词: 热胁迫; 辣椒; 花粉发育; 钙; 焦锑酸钾沉淀法
中图分类号: Q942; Q945　　　　　文献标识码: A　　　　　文章编号: 1000-470X ( 2002) 02-0100-05
Effect of Heat Stress on Calcium Distribution in Pepper
Anther Development
YAN Chun-Lan1, M IAO Chen2 , WANG Jian-Bo 1
( 1. K ey Laboratory of MOE f or P lant De ve lop mental Biology, Wuhan Univ ersity , Wuhan　430072, C hina;
2. Dep artment of B iology , H enan Univ er si ty, Kaifeng　475000, China)
Abstract: Po tassium ant imonate w as used to lo cate loosely bound calcium in the pepper ( Cap-
sicum annuum L. ) anther under no rmal and heat st ress env ironments. ( i ) In microspore mo ther
cell, a few calcium precipitates deposited on the surface of the cel l, few in cytoplasm , and nearly no
pr ecipitates in the nucleus. A fter 12 h 40℃ heat st ress, ant imonate calcium deposits incr eased in
the cytoplasm and the nucleus, and many emerged on the inner sur face of vacuo le membrane. A f-
ter 24 h heat st ress, some cells part ly deformed, numerous calcium precipitates appear ed in the cy-
toplasm, and depo sited on the surface o f vacuole membr ane and in the vacuo les. ( ii) Compared to
po llen mother cell, ther e w as a significant increase in calcium deposits quant ities on the tet raspore
surface and in the cytoplasm . By heat st ressing 24 h, precipitates obv iously increased in the cyto-
plasm and nucleus o f tet raspore contrast to the control. ( iii) In m icrospo re, many calcium precipi-
tates depo sited on the baculae, inner surface o f plasma membrane, vacuole membr ane, w ith only a
few in the cytoplasm and nucleus. A fter 12 h exposure, precipitates on plasma membr ane became
abundant, a few in the cytoplasm and the peripheral nucleus, w hile no pr ecipitates w ere seen on
the vacuole membrane. As fo r the anthers t reated w ith 24 h-heat st ress, precipitates increased on
the inner surface of plasma membrane, cy toplasm and nucleus. ( iv ) In mature pollen, there w as a




通讯作者。
收稿日期: 2001-10-26,修回日期: 2001-11-29。
基金项目:湖北省自然科学基金和武汉大学植物发育生物学教育部重点实验室开放课题资助。
　作者简介:阎春兰( 1977- ) ,女,硕士,现从事植物逆境细胞生物学研究。
layer of calcium-induced precipitates on the po llen w all, but few in cytoplasm and plasma mem-
brane. No obvious calcium changes occurred on mature pollen by 12 h or 24 h heat exposur e.
Key words: Heat st ress; Cap sicum annuum L. ; Pollen development ; Calcium; Potassium anti-
monate technique
　　高温是影响植物生理过程的重要环境因素之
一,在我国长江以南地区高温对蔬菜作物的胁迫尤
为严重。严重的热胁迫会引起作物生理代谢紊乱和
结构的破坏以及细胞的死亡 [ 1, 2] , 但亚致死强度的热
胁迫会诱导细胞产生热激反应 ( heat-shock re-
sponse) , 开始转录新的 mRNA, 合成热激蛋白, 从
而在较大程度上保护细胞和植物体免遭更严重的热
损伤,并使细胞结构和生理活动恢复正常, 最终提高
植物的耐热性[ 2 4]。然而, 热激信号被细胞感受、转
导,进而激活热激蛋白基因表达的途径目前仍不清
楚[ 4]。
近年来的研究表明, Ca2+ 参与多种逆境胁迫过
程,如低温[ 5]、盐胁迫[ 6]、氧胁迫[ 7]等。在热胁迫研究
中,也初步发现了温度升高会引起培养原生质体对
Ca
2+吸收的变化[ 8] ,而施用外源 Ca2+ 能在一定程度
上提高植物的耐热性[ 9, 10]。这些研究多集中于热胁
迫对植物营养结构的影响,热胁迫对花粉发育影响
的研究则较少。为此,我们运用焦锑酸钾沉淀法研究
了不同热胁迫时间下小孢子发生和花粉发育过程中
Ca2+的分布特点,初步探讨了热胁迫对花粉发育的
影响。
1　材料和方法
供试辣椒( Cap sicum annuum L. )品种为湘研
一号, 种子种植于营养钵中, 置于温室(温度变化范
围 21～28℃)培养至开花。实验组分别在光照培养
箱中进行热胁迫处理( 40℃) 12 h 和 24 h,对照组在
正常温度下生长( 25℃) ,然后取不同长度花药, 从中
间横切为二, 以焦锑酸钾沉淀法制样 [ 10, 12] , 经丙酮
系列脱水, Spurr 树脂渗透、包埋, LKB8800型超薄
切片机切片, JEM -100/ CXII 型透射电镜观察与拍
照。对照切片经 0. 1 mo l/ L、pH8. 0的 EGTA, 37℃
处理 1. 5 h,再观察、拍照。
2　实验结果
2. 1　热胁迫前后小孢子母细胞中Ca2+ 的分布
小孢子母细胞内有许多小液泡, Ca2+ 沉淀颗粒
主要分布在细胞表面, 胞质中有少量分布, 细胞核中
基本上观察不到 Ca2+ 沉淀物(图版Ⅰ: 1)。药壁 4层
已分化,除绒毡层中有少量 Ca2+ 沉淀颗粒外, 其余
各层基本上观察不到 Ca2+ 沉淀物。
随着小孢子母细胞的发育,胞质内液泡变大。热
胁迫处理 12 h 后, Ca2+ 沉淀颗粒分布在细胞表面、
液泡膜内侧,数量比同期对照多;细胞质和细胞核中
Ca
2+ 沉淀颗粒明显增多(图版Ⅰ: 2)。此时,绒毡层开
始解体,周原质团中有大量 Ca2+ 沉淀颗粒, 特别是
小孢子母细胞与绒毡层相对的一面, Ca2+沉淀颗粒
很多;药壁其余 3层细胞均液泡化, 表皮细胞、中层
细胞中几乎无 Ca2+ 沉淀物, 药室内壁的细胞核和细
胞质中有 Ca2+沉淀颗粒(图版Ⅰ: 4)。
热胁迫处理 24 h 后, 胞质中有大量沉淀物, 液
泡膜内侧及液泡内部均可见大量 Ca2+ 沉淀颗粒(图
版Ⅰ: 3) ;此时,药壁各部分变形, 细胞质、细胞核中
可见非常多的沉淀物。
2. 2　热胁迫前后四分体时期 Ca2+的分布情况
四分体时期, 四分小孢子表面 Ca2+ 沉淀颗粒增
多, 且沉淀颗粒体积变大; 小孢子细胞质中 Ca2+ 沉
淀物均匀分布, 液泡表面有少量分布(图版Ⅰ: 5) , 此
时,绒毡层逐渐解体,周原质团存在于小孢子之间的
间隙中,这些周原质团中有许多 Ca2+ 沉淀颗粒; 在
表皮细胞、药室内壁细胞、中层细胞内 Ca2+ 主要分
布在细胞核和液泡内(图版Ⅰ: 6)。
热胁迫处理 24 h 后, 与同期对照相比, 四分小
孢子中的 Ca2+ 沉淀颗粒明显增多, 主要分布在胞
质、核中(图版Ⅰ: 7) ;解体的绒毡层、中层细胞、药室
内壁细胞、表皮细胞中大量的沉淀物也出现在细胞
质、细胞核中以及液泡膜上(图版Ⅱ: 8)。
2. 3　热胁迫前后小孢子中 Ca2+ 沉淀物的分布情况
小孢子时期,早期花粉细胞中胞质浓厚, 体积较
大的沉淀颗粒沿花粉表面分布,在相邻的花粉外壁
间隙能明显观察到这一分布趋势; 晚期接近成熟时,
细胞中有一个大液泡,细胞核靠边,除细胞壁上有一
层不连续的 Ca2+沉淀颗粒分布外, 细胞质和细胞核
中只有少量 Ca2+ 沉淀物, 细胞膜内侧、液泡膜上均
有大量的 Ca2+ 沉淀物(图版Ⅱ: 9)。此时, 绒毡层进
一步解体, 表皮细胞、药室内壁细胞、中层细胞均液
泡化, Ca2+ 沉淀颗粒数量比四分体时期增多,且主要
分布在胞间隙、液泡膜和细胞质中(图版Ⅱ: 10)。
101　第 2 期　　　　　　　　　　　阎春兰等: 热胁迫对辣椒花药发育过程中 Ca2+ 分布的影响
热胁迫处理 12 h 后, Ca2+ 沉淀颗粒除在花粉外
壁上有少量分布外,主要分布在细胞膜上, 细胞质和
靠边的细胞核中也有少量分布。与对照相比,此时液
泡膜上几乎不见 Ca2+沉淀物(图版Ⅱ: 11)。表皮细
胞、药室内壁细胞中的 Ca2+ 沉淀物比同期对照多,
主要分布在胞间隙和液泡膜上, 解体的绒毡层中
Ca2+沉淀物也很多(图版Ⅱ: 12)。
热胁迫处理 24 h后,花粉外壁上的Ca2+沉淀颗
粒不仅多,而且连成连续的一条带,质膜外侧、细胞
质、细胞核中均有大量分布, 尤其在细胞核中, Ca2+
沉淀物体积较大(图版Ⅱ: 13)。药壁各层情况同四分
体时期差不多。
2. 4　热胁迫前后成熟花粉中 Ca2+ 的分布情况
成熟花粉中贮藏了大量的淀粉粒和脂滴, 其
Ca
2+ 的分布具有以下特点: 细胞质中只有零星的
Ca
2+ 沉淀物, 花粉外壁上有一层 Ca2+ 沉淀颗粒覆
盖,而细胞膜上几乎无 Ca2+沉淀物(图版Ⅲ: 15)。绒
毡层仅余残迹,表皮细胞、药室内壁细胞和中层细胞
的质膜上分布有 Ca2+沉淀颗粒(图版Ⅲ: 16)。
热胁迫处理 12 h后,成熟花粉中Ca2+ 沉淀颗粒
的分布情况与对照差不多(图版Ⅲ: 17)。此时, 绒毡
层中 Ca2+ 沉淀物特别多, 中层细胞、药室内壁细胞、
表皮细胞均液泡化,细胞核和质膜上均有大量 Ca2+
沉淀颗粒(图版Ⅲ: 18)。
热胁迫处理 24 h 后,花粉中 Ca2+ 的分布与对
照、12 h 处理后情况类似(图版Ⅲ: 19)。绒毡层中
Ca
2+ 沉淀物特别多, 但表皮细胞、药室内壁细胞中
Ca
2+沉淀物少,胞间隙中很多(图版Ⅲ: 20)。
3　讨论
3. 1　正常花药发育过程中 Ca2+的分布特点
正常小孢子发生和花粉发育过程中 Ca2+ 的分
布具有以下 2个特点: ( 1)花粉胞质内 Ca2+沉淀颗
粒的变化: 小孢子母细胞中 Ca2+ 主要分布在质膜,
四分体时期胞质内均匀分布 Ca2+ , 单核花粉胞质内
Ca
2+颗粒分布在质膜内侧,且在将形成萌发孔处有
大量 Ca2+ 沉淀颗粒, 核中也有 Ca2+ 沉淀颗粒;成熟
花粉胞质中 Ca2+ 沉淀颗粒较少。在小孢子发生和发
育过程中, Ca2+数量和分布存在差异的现象在其它
植物,如烟草、小麦中也有类似的报道 [ 11, 12]。( 2)花
粉壁上 Ca2+ 沉淀颗粒的变化:四分小孢子表面逐渐
积累 Ca2+ 沉淀颗粒, 单核花粉表面 Ca2+ 明显增多,
成熟花粉表面有一层 Ca2+沉淀颗粒覆盖。Tian、孟
祥红等在水稻、小麦的研究中也观察到花粉表面积
累大量Ca2+ 的现象[ 12, 13]。
3. 2　热胁迫对花药中 Ca2+ 分布的影响
我们在研究中发现, 小孢子母细胞和单核花粉
中的 Ca2+ 分布在热胁迫后发生显著变化, 而成熟花
粉中的 Ca2+分布情况在热胁迫前后无什么差异。有
一些研究表明, 玉米花粉发育时,对高温敏感存在遗
传差异[ 14, 15]。Forova 等证明在花粉萌发过程中, 合
成 HSP( heat shock pro tein,热激蛋白)的能力是逐
渐丧失的,单核花粉粒HSR最强[ 16]。Gagliardi等研
究显示 HSP 合成能力逐渐丧失是由于无 HSPs
mRNA 的积累[ 17] ,所以,玉米花粉的热敏感性可能
是从单核到双核花粉粒的转变开始, 合成 HSPs 的
能力逐渐下降,花粉成熟时完全丧失。Magnard 等
则认为从单核到双核花粉粒的转变是花粉发育的一
个重要阶段,其特征是“早期”花粉基因表达关闭,
“晚期”花粉基因开始表达 [ 18]。我们的结果,从细胞
化学的角度进一步验证了前人从 HSP 合成及功能
角度所得到的结果, 即:热胁迫对成熟花粉没什么影
响, 而对于处于分裂期时期的,如小孢子母细胞、单
核花粉等影响较大。
大量的研究发现钙参与了植物对环境胁迫的反
应[ 19 21]。不同的逆境胁迫下, 如盐害 [ 6]、冷害[ 5]、氧胁
迫[ 7]等, 植物内 Ca2+ 水平显著升高,越来越多的证
据表明同一现象发生在热激或热胁迫过程中[ 8, 9, 22]。
在我们的实验中也发现热胁迫 12 h 后 Ca2+沉淀颗
粒增多,但辣椒经热胁迫处理 24 h 后,植株发生萎
蔫,药壁部分细胞变形,花药胞质、细胞核中 Ca2+ 沉
淀物非常多,并散乱分布。众所周知,适宜的钙浓度
对维持植物细胞功能是必须的,细胞内 Ca2+浓度的
瞬间升高是细胞感受外界刺激并激活启动细胞内一
系列信号转导过程的第一步, 但胞质中长时间的高
钙浓度会造成细胞毒害乃至细胞死亡[ 5, 8, 23]。也有研
究证明,能够及时恢复钙稳态的植物,对同一胁迫的
抗性也增强 [ 5, 9, 22]。这都说明胞内 Ca2+ 浓度的瞬间
升高对于细胞感受热胁迫起重要作用, 但钙稳态的
适时恢复对于避免细胞受到热伤害也是必须的。
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103　第 2 期　　　　　　　　　　　阎春兰等: 热胁迫对辣椒花药发育过程中 Ca2+ 分布的影响
图 版 说 明
EN .药室内壁细胞; EP . 表皮细胞; L . 脂滴; M .中层细胞; MM C.小孢子母细胞; N . 细胞核; P . 花粉; PM . 细胞质膜;
S. 淀粉粒; Sp.小孢子; T . 绒毡层细胞; V .液泡; →示 Ca2+沉淀颗粒
图版Ⅰ: 1.小孢子母细胞时期, 细胞表面有少量 Ca2+ 沉淀颗粒(×8 000) ; 2. 12 h 热胁迫后 ,小孢子母细胞细胞质和细胞核中
的 Ca 2+ 沉淀颗粒增多(×4 700) ; 3.热胁迫 24 h 后,小孢子母细胞细胞质、液泡和液泡膜上有大量 Ca2+ 沉淀颗粒(×4 800) ;
4.热胁迫 12 h 后,小孢子母细胞时期药壁中 Ca2+的分布情况(×1 850) ; 5.四分体时期, 四分小孢子表面和细胞质中均匀分布
有 Ca2+ 沉淀颗粒(×2 400) ; 6. 四分体时期药壁中 Ca2+的分布情况(×1 800) ; 7. 热胁迫 24 h 后, 四分小孢子细胞质和细胞核
中的 Ca2+ 沉淀颗粒增多(×2 300)
图版Ⅱ: 8. 热胁迫 24 h 后,四分体时期药壁中 Ca 2+ 的分布情况(×2 000) ; 9.小孢子时期, Ca2+ 沉淀颗粒主要分布在细胞质膜
和液泡膜上(×4 000) ; 10. 12 h 热胁迫处理后, 小孢子时期药壁中 Ca 2+ 的分布情况(×1 700) ; 11.热胁迫处理 12 h 后,小孢子
中许多的 Ca2+ 沉淀颗粒分布在质膜上, 仅少量分布在细胞质和靠边的细胞核中(×3 700) ; 12. 24 h 热胁迫处理后,小孢子时
期药壁中 Ca2+ 的分布情况(×1 700) ; 13.热胁迫处理24 h后, 小孢子中大量的 Ca2+沉淀颗粒分布在细胞质、细胞核、液泡和质
膜上(×4 900) ; 14. 对照,切片经 EGTA 处理,示螯合 Ca2+后的空洞(×8 900)
图版Ⅲ: 15. 成熟花粉中, Ca2+ 沉淀颗粒主要分布在花粉壁上, 细胞质和细胞膜上很少(×4 000) ; 16. 成熟花粉时期, 药壁中
Ca2+ 的分布情况(×2 400) ; 17.热胁迫 12 h 后, 成熟花粉中 Ca2+的分布情况, 与未处理前情况差不多(×3 900) ; 18. 热胁迫
12 h 后, 成熟花粉药壁中 Ca2+ 的分布情况(×2 600) ; 19. 热胁迫 24 h 后, 成熟花粉中 Ca 2+ 的分布情况,也与未处理前情况差
不多(×3 800) ; 20. 热胁迫 24 h 后, 成熟花粉药壁中 Ca2+ 的分布情况(×2 500)
Explanation of plates
EN . endot hecial cell; EP. epidermal cells; L . lipid body; M . middle la yer cell; MM C. micro spor e mother cell; N . nuc-
leus; P. po llen; PM . cyt oplasm membrane; S. sta rch gr ain; Sp. micro spo re ; T . tapetum cell; V . v acuo le. A rr ow s indicate cal-
cium precipitates
Plate Ⅰ: 1. M icr ospor e m other cell ( MMC) in normal anther , showing a few calcium precipita tes on the sur face o f MMC
(×8 000) ; 2. MMC in 12 h heat str ess ant her , with calcium precipita tes increased in the cy toplasm and nucleus (×4 700) ;
3. MMC exposed t o 24 h heat stress, show ing numerous calcium precipitates in t he cyt oplasm, v acuo les and on the sur face of
vacuole o f membrane (×4 800) ; 4. Calcium precipitates distribution in anther w all at MM C stages st ressed fo r 12 h
(×1 850) ; 5. T etr ad in normal anther , show ing calcium precipitat es on the sur face of tetr aspor e and cytoplasm (×2 400) ;
6. Calcium precipitates in anther wall at tetr ad stag e in no rmal envir onment (×1 800) ; 7. T et rad treat ed by 24 h heat str ess,
show ing calcium precipitat es incr eased and accumula ted in t he cy toplasm and nucleus (×2 300)
Plate Ⅱ: 8. Ca lcium precipit ates in anther w all tr eated by 24 h heat str ess in tet rad stage (×2 000) ; 9. M icr ospor e in no rm al
anther , show ing calcium precipitat es on the sur face of plasma membrane and vacuo le mem brane (×4 000) ; 10. Calcium pre-
cipitates in anther wall at micro spo re stag e exposed to 12 h heat str ess (×1 700) ; 11. M icr o spor e treat ed by 12 h hea t str ess,
show ing abundant calcium precipitat es on the plasma membrane, a few in cy toplasm and the per ipheral nucleus (×3 700) ;
12. Distr ibution o f calcium precipitates in ant her w all at micro spo re stag e st ressed by 24 h heat str ess(×1 700) ; 13. M ic-
ro spo re expo sed to 24 h heat str ess, show ing numerous calcium precipitat es in the cy toplasm , nucleus, v acuole and plasma
membrane (×4 900) ; 14. Calcium -free cont ro l section incubated in a solution o f EGT A (×8 900)
Plate Ⅲ: 15. Ma tur e pollen in no rm al anther , showing abundant calcium precipitates on the po llen w all, few in cytoplasm and
plasma mem brane (×4 000) ; 16. Distr ibution of calcium precipit ates in anther w all at mature pollen st age (×2 400) ; 17. Cal-
cium precipitates in 12 h heat -str essed matur e pollen (×3 900) ; 18. A fter 12 h exposur e to heat stress, numerous calcium
precipita tes w er e found in t he cy toplasm and nucleus in t he ant her w all at mat ur e pollen stag e (×2 600) ; 19. Distr ibution of
calcium precipitates in 24 h heat-str essed matur e po llen (×3 800) ; 20. Anther wall trea ted by 24 h heat st ress, show ing the
distribution of calcium precipitat es (×2 500)
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