唇形科兰香草蓝色花粉形成观察与成分分析.pdf
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1、植物研究 2023,43(5):794 800Bulletin of Botanical Research唇形科兰香草蓝色花粉形成观察与成分分析杨庆华1,2 葛斌杰3 张大生4*(1.南京林业大学生物与环境学院,南京 210037;2.上海世博文化公园建设管理有限公司,上海 200126;3.上海辰山植物园华东野生濒危资源植物保育中心,上海 201602;4.上海辰山植物园,上海市资源植物功能基因组学重点实验室,中国科学院分子植物卓越中心辰山研究中心,上海 201602)摘 要 大部分植物的花粉为淡黄色,其他颜色的花粉较为少见。基于唇形科兰香草(Caryopterisincana)存在蓝色花粉
2、的现象,通过显微镜观察了不同发育时期的花药和花粉的颜色,并利用高效液相色谱仪和串联质谱仪分析了成熟花粉的花青素成分,结果如下:成熟花药和花粉呈蓝色,是由于富含花青素成分导致。幼蕾期、开花前期以及盛花期3个时期的花药和花粉颜色变化明显,分别为淡黄色、淡蓝色和蓝紫色。花粉的蓝色主要存在于花粉表面和绒毡层细胞中。对成熟花粉进行质谱分析,结果显示,花粉表面花青素6种类型成分都存在,其中含量最丰富的是能形成蓝色的飞燕草素 3-O-葡萄糖苷和锦葵色素 3,5-O-二葡萄糖苷成分,其次是芍药花色素糖苷、矢车菊素的糖苷和矮牵牛花色素糖苷,而天竺葵色素糖苷含量最低。关键词 兰香草;花药;花粉;花青素中图分类号:
3、Q949.777.6 文献标志码:A doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2023.05.016Observation on the Formation and Composition Analysis of Blue Pollen of CaryopterisincanaYANG Qinghua1,2 GE Binjie3 ZHANG Dasheng4*(1.College of Biological Environment,Nanjing Forestry University,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037;2.
4、Shanghai Expo Culture Park Construction Management Co.,Ltd.,Shanghai 200126;3.Eastern China Conservation Centre for Wild Endangered Plant Resources,Shanghai Chenshan Botanical Garden,Shanghai 201602;4.Shanghai Chenshan Scientific Research Center of CAS Center for Excellence in Molecular Plant Scienc
5、es,Shanghai Chenshan Botanical Garden,Shanghai 201602)Abstract In majority of plants,colorful pollen is rarely seen on the surface of pollen except light yellow.In this article,the existence of blue pollen was discovered in Caryopterisincana,and the color of anther and pollen at different developmen
6、tal stages was observed by microscope,and the anthocyanin components of mature pollen were analyzed by UPLC/MS(Ultra Performance Liquid Chromatography-tandem mass spectrometry).The results showed that mature anthers and pollens were blue due to the rich anthocyanins.The color of anther and pollen ch
7、anged obviously at young buds,early flowering buds and flowering stages,which were light yellow,light blue and blue purple respectively.The blue pigments of pollen mainly existed in the surface of pollen coat and tapetal cells by the cross-section observation.The UPLC/MS analysis showed that there w
8、ere six kinds of anthocyanins on the pollen surface at the flowering stage,among which the main blue components were Delphinidin 3-O-glucoside and Malvidin 3,5-O-diglucoside,followed by Peonidin,Cyanidin and Petunidin,基金项目:国家自然科学基金(32072620);上海市自然科学基金面上项目(22ZR1422400);上海市绿化和市容管理局项目(G202405,G192415)第
9、一作者简介:杨庆华(1980),男,高级工程师,主要从事植物资源与保育研究。*通信作者:E-mail:收稿日期:2023-03-07Foundation item:National Natural Science Foundation of China(32072620);National Natural Science Foundation of Shanghai(22ZR1422400);Special Fund for Scientific Research of Shanghai Landscaping&City Appearance Administrative Bureau(G20
10、2405,G192415)First author introduction:YANG Qinghua(1980),male,senior engineer,engaged in plant resources and conservation research.*Corresponding author:E-mail:Received date:2023-03-07杨庆华等:唇形科兰香草蓝色花粉形成观察与成分分析5 期while the content of Pelargonidin was the lowest.Key words Caryopterisincana;anther;poll
11、en;anthocyanin花粉是被子植物进行有性生殖的必要条件,包裹在雄性生殖器官花药囊中,当花药发育成熟开裂后,里面的花粉便会通过风、昆虫或者水等媒介进行传播,转移到雌蕊的柱头上进行受精1。高等植物的花粉最初是由小孢子母细胞通过减数分裂最终形成了成熟的花粉。一个成熟的花粉结构主要包括花粉外壁、花粉内壁、细胞质膜和其中的细胞质成分2。花粉外壁是由孢粉素和纤维素构成的特殊细胞壁,孢粉素是理化性质很稳定的有机聚合物,成分非常复杂,质地较硬,具有抗酸碱、抗压、抵御微生物侵入等作用3。花粉外壁除了具有保护花粉的功能以外,其表面还是各种脂类物质积聚的一个重要场所,这些表面覆盖物包括挥发性物质、脂类、色
12、素(如黄酮类、类胡萝卜素)和一些次生代谢物(如酚类、醛类)等不同的化合物,可以使得花粉具有一定的颜色或者特殊气味,来吸引昆虫和微生物进行采蜜和授粉4-6。观察发现,自然界中植物的花粉大多呈淡黄色,具有其他颜色花粉的现象非常罕见。植物的色素成分一般可以分为四大类:叶绿素、黄酮类、类胡萝卜素和甜菜苷7。已有研究表明,花粉的颜色主要是因为含有丰富的类胡萝卜素或黄酮类成分,故使花粉呈现出不同程度的淡黄色7-8。1968年,HESLOP-Harrison9首次发现百合(Lilium longiflorum)花粉中含有类胡萝卜素成分,但不确定类胡萝卜素如何形成以及与花粉外壁上孢粉素的形成是否存在关系。后来
13、,在向日葵(Helianthus annuus)和金盏菊(Calendula officinalis)等植物的花粉中均陆续发现存在类胡萝卜素成分的现象10-11。金盏菊的花粉成分分析结果表明,毛莨黄素、花药黄质、叶黄素、玉米黄质、-胡萝卜素和-胡萝卜素是其花粉外壁的主要成分11。Wakelin等12发现花菱草(Eschscholzia californica)存在橙色和白色花药(突变型)品种,橙色花药中的类胡萝卜素含量要比白色的高,并且认为类胡萝卜素成分与花粉参与有性生殖的过程无明显关系。Fambrini等13年研究了向日葵(Helianthus annuus)的橙色、黄色和乳白色的花粉时发现
14、,橙色花粉颜色的主要成分是由类胡萝卜素和叶黄素构成,当把橙色花粉的品种分别和黄色、乳白色的花粉的品种进行杂交时,发现F2代都是3 1的性状分离比,提示橙色是一个受单基因控制的性状,但类胡萝卜素的形成机制及突变原因并没有深入研究。黄酮类物质在花粉中干质量比为2%5%,主要是3号位双糖基化或三糖基化的堪菲醇,斛皮黄酮、异鼠李素10,但遗憾的是,对花粉黄酮类颜色产生的机制研 究 目 前 还 很 欠 缺。笔 者 在 进 行 兰 香 草(Caryopteris incana)花色调查时发现其中一种兰香草的成熟花粉呈现蓝紫色,这为研究花粉表面色素的形成提供了一个很好的研究材料。兰香草是唇形科(Lamiac
15、eae)莸属多年生草本植物,花叶并美,具有较长观赏期,且全株具迷人芳香,是一种优良的园林绿化、美化、香化植物14。除了观赏价值以外,兰香草还包含黄酮类、萜类、苷类、挥发油等多种化学成分,具有抗氧化、抗炎、抗肿瘤等多种药理作用15。野生兰香草资源十分丰富,适应性极强,存在大量的变异类型,主要分布于我国华东、广东、广西、湖南、湖北等地,在日本与朝鲜半岛亦有分布。由于彩色花粉的形成机制目前研究还鲜见报道,本研究拟通过显微观察方法对兰香草不同发育时期的花粉色素积累情况进行观察,并利用质谱检测花粉表面色素的成分,以期对植物花粉表面色素的形成和发生机制提供一定的理论参考依据。1 材料与方法1.1试验材料与
16、试剂试验材料与试剂本试验中所用兰香草活植物于2015年9月引自浙江省舟山市桃花岛(GBJ04972,29.840 670N,122.237 275E),种植于上海辰山植物园(31.075 001N,121.183 037E)隔离苗圃至今,每年可正常开花结实,在69月花期观察花形态特征,收集不同时期的新鲜花药和花粉用于试验。质谱所用试剂:甲醇(色谱纯,Merck公司);甲酸(色谱纯,Sigma-Aldrich公司)、盐酸(优级纯,信阳市化学试剂厂)、花青素标准品(纯度大于99%,isoReag公司)。1.2试验方法试验方法1.2.1不同时期花蕾不同时期花蕾、花药和花粉的观察花药和花粉的观察取不同
17、发育时期的新鲜花蕾各3个,在体视镜(OLYMPUSLG-PS2,日本)下观察花药和花粉的颜色,取成熟花药解离花粉制成涂片,徒手切片制作79543 卷植物研究花药横切面切片,在显微镜(OLYMPUSBX43,日本)下观察花粉颜色和结构。1.2.2花粉中花青素成分的靶向检测花粉中花青素成分的靶向检测1.2.2.1仪器与设备仪器与设备质谱检测委托嘉兴迈维代谢生物科技有限公司进行。超高效液相色谱仪(ExionLC AD,美国)和串联质谱(MS/MS)(QTRAP 6500+,美国)。质谱数据用软件Analyst 1.6.3处理。真空冷冻干燥仪(FreezeZone 6 L-84,美国);高速离心机(5
18、424R,德国);电子天平(AS 60/220.R2,波兰);球磨仪(MM400,德国)、超声波提取仪(KQ5200E,昆山舒美)、多管涡旋振荡器(MIX-200,上海)。1.2.2.2样品前处理样品前处理收集成熟时期的花粉进行真空冷冻干燥并研磨至粉末状,称取50 mg的粉末溶解于500 L提取液(80%的甲醇水溶液,含 0.1%盐酸)中;涡旋10 min,超声 10 min,离心(转速 12 000 r min-1,3 min),吸取上清液,重复操作1次;合并2次上清液,用微孔滤膜(孔径0.22 m)过滤样品,并保存于进样瓶中,用于LC-MS/MS分析。1.2.2.3仪器条件仪器条件液相条件
19、包括:(1)色谱柱:ACQUITY BEH C18 1.7 m,2.1 mm100 mm;(2)流动相:A相为超纯水(加入 0.1%的甲酸),B相为甲醇(加入 0.1%的甲酸);(3)洗脱梯度:0 min B 相比例为 5%,6 min增至50%,12 min增至95%,保持2 min,14 min降至 5%,并平衡 2 min;流速 0.35 mL min-1;柱温40;进样量2 L。质谱条件主要包括:电喷雾离子源温度550,正离子模式下质谱电压 5 500 V,气帘气 35 psi。在QTRAP 6500+中,每个离子对是根据优化的去簇电压和碰撞能进行扫描检测。1.2.2.4花青素的定性和
20、定量分析花青素的定性和定量分析基于标准品构建MWDB(Metware Database)数据库,对质谱检测的数据进行定性分析。利用软件Analyst 1.6.3处理质谱数据进行定量分析。根据标准品的保留时间与峰型的信息,对每种物质在不同样本中检测到的质谱峰进行校正,以确保定性定量的准确。分别配制0.01、0.05、0.10、0.50、1.00、5.00、10.00、50.00、100.00、500.00、1 000.00、2 000.00、50 000.00 mg L-1不同浓度的标准品溶液,获取各个浓度标准品的对应定量信号的质谱峰强度数据;以标品浓度为横坐标,峰面积为纵坐标,绘制不同物质的标
21、准曲线。将检测到的所有样本的积分峰面积代入标准曲线线性方程进一步带入计算公式计算后,最终得到实际样本中该物质的绝对含量数据。2 结果与分析2.1兰香草蓝色花药的形态观察兰香草蓝色花药的形态观察本研究使用的兰香草高约50 cm,基部稍木质化。叶对生,叶片厚纸质,披针形、卵形或长圆形,两面被短柔毛。顶生和腋生聚伞花序紧密(图1AB)。花萼杯状,外面密被短柔毛;花冠淡紫色或淡蓝色(图1C),二唇形,外被短柔毛,花冠管喉部有毛环,花冠5裂,下唇中裂片较大,边缘呈流苏状;雄蕊4枚,花开时与花柱均伸出花冠筒外,花药蓝紫色,药室纵裂,可见蓝紫色花粉粒(图1D,箭头所示处),花丝浅紫色。柱头2裂,呈线形分叉,
22、浅紫色。花果期 610月。为了排除花粉囊中其他杂质颜色的影响,将成熟花粉抖落在载玻片下进一步显微观察,可以看到花粉表面的确呈现为蓝色(图1E)。2.2兰香草花粉颜色的变化及存在位置兰香草花粉颜色的变化及存在位置为确定不同发育阶段花药和花粉颜色变化特征,观察了4个时期的花药和花粉的形态特征,结果如下:现蕾期()、生长期()、蓓蕾期()、开花期()的花蕾观察。结果显示,兰香草早期花蕾是一簇绿色球状小花苞,花瓣被紧紧包裹于花萼之内(图2A:)。随着花蕾继续发育,花萼部位出现浅蓝色色素(图2A:),花瓣顶端也逐渐变蓝(图2B);剥开花蕾,此时内部的花药呈现淡黄色(图2B,箭头处),花粉囊里面的花粉也呈
23、现为淡黄色(图2C)。花瓣随着发育逐渐变大,突出于花萼,花瓣颜色也逐渐全部转变成蓝色,此时花蕾仍然全部包裹着花药和雌蕊(图2A:);剥开花瓣,内部可以看到弯曲蜷缩的花药,但此时的花药和花丝已经开始逐步转变为蓝色(图2D),显微镜下观察可以看到花粉也转变为蓝色(图2E)。最后,花丝进一步延长伸出花瓣,花瓣颜色进一步加深呈蓝紫色(图2F),成熟的花药开裂露出里面蓝色的花粉(图2G)。为了分析花药蓝色存在的具体部位,笔者对蓓蕾期(第III期)的蓝色花药进行徒手切片观察。结果显示,兰香草的花粉囊由2个药室组成,每个药室中都充满了浅蓝色的花粉颗粒(图2H),蓝色796杨庆华等:唇形科兰香草蓝色花粉形成观
24、察与成分分析5 期花药的形成主要是由于花粉的蓝色导致。被子植物典型的药室结构一般由由外而内的外层、内层、中层和绒毡层4层壁细胞组成14。通过兰香草的花药横切面可以看出,外层、内层、中层并没有色素存在,但在药室内侧,也就是绒毡层部位观察到有浅蓝色的色素形成(图2H,黑色箭头处),尤其是靠近花丝和花粉囊连接处的绒毡层,更有较深的蓝色色素(图2H,红色箭头处)。提示花粉蓝色的形成可能是由绒毡层或小孢子共同产生颜色的结果。2.3兰香草蓝色花粉色素成分分析兰香草蓝色花粉色素成分分析植物中能够形成蓝色的色素主要是黄酮类的花青素成分7,结合上述观察到的兰香草花药和花粉颜色的变化趋势,推测蓝色花粉的形成也许与
25、花青素成分的存在有关。据此,选取了兰香草的花粉进行了花青素成分的靶向质谱定量检测。结果发现,在花粉中总共检测到6大类花青素的14种成分(表 1),包括矢车菊素、飞燕草素、锦葵色素、芍药花色素、天竺葵色素和矮牵牛花色素。其中含量最高的是飞燕草素 3-O-葡萄糖苷,为(1.7200.260)g g-1,其次是锦葵花色素3,5-O-二葡萄糖苷,为(1.0710.3t81)g g-1,而天竺葵类色素含量最低(表1,图3)。从这个结果可以推测,兰香草花粉的蓝色应该是由含量丰富的飞燕草素和锦葵花色素导致颜色的产生。3 讨论花青素广泛分布于花瓣、果实、叶片和茎等组织中,是构成花瓣和果实的主要色素之一,一般存
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