黑小麥和普通小麥對(duì)增強(qiáng)UV－B輻射的敏感性研究

李曉陽(yáng)，張秀峰，韓榕

（山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，臨汾041004）

當(dāng)今世界隨著人類社會(huì)現(xiàn)代化、工業(yè)化的迅猛發(fā)展，不可避免的帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，其中臭氧層的破壞尤為嚴(yán)重。這將直接導(dǎo)致到達(dá)地表的太陽(yáng)紫外輻射（UV）增強(qiáng)。UV－B輻射的增強(qiáng)，對(duì)地球上的動(dòng)植物以至人類都將會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重的威脅［1］。

近年來(lái)，關(guān)于增強(qiáng)UV－B輻射對(duì)植物的影響，國(guó)內(nèi)外已有大量的報(bào)道，但增強(qiáng)UV－B輻射對(duì)不同作物以及同種作物不同亞種影響的對(duì)比研究相對(duì)較少。目前僅有C3、C4植物的對(duì)比研究，而何種植物對(duì)增強(qiáng)的UV－B輻射較為敏感已經(jīng)成為比較關(guān)注的問(wèn)題［2］。本研究以黑小麥和普通小麥［3］2個(gè)品種為研究材料來(lái)探討二者對(duì)增強(qiáng)UV－B輻射的敏感性。

黑小麥76號(hào)是利用小麥屬間遠(yuǎn)緣雜交和染色工程與組織培養(yǎng)等生物技術(shù)方法選育成功的新型黑小麥品種，具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，品質(zhì)超優(yōu)等特點(diǎn)，被譽(yù)為“蛋白麥”、“防癌麥”、“益壽麥”［4］。小麥作為人類生活不可缺少的食品，UV－B輻射對(duì)它產(chǎn)生的威脅引起了很多學(xué)者的關(guān)注［5－6，8］。很多農(nóng)作物品種之間對(duì)增強(qiáng)UV－B輻射的敏感性存在著較大差異，根據(jù)不同作物對(duì)增強(qiáng)UV－B輻射敏感程度不同，按當(dāng)?shù)豒V－B輻射分布的時(shí)空特征，種植適宜的作物，盡可能在紫外輻射強(qiáng)的地區(qū)種植抗UV－B輻射的作物［2］，以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。

本研究在本實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行，UV－B劑量為10．08 （kJ／m2）／d，相當(dāng)于臭氧下降20%、UV－B增強(qiáng)40%的強(qiáng)度。以此劑量對(duì)黑小麥和普通小麥進(jìn)行處理，從形態(tài)學(xué)特征、損傷程度、生理指標(biāo)等方面做出測(cè)定和統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而探討黑小麥和普通小麥對(duì)增強(qiáng)UV－B輻射的敏感性，旨在為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐以及遺傳育種提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 材料

供試材料為黑小麥（Triticale）品種‘黑小麥76號(hào)’和普通小麥（Triticum aestivum，cv．）品種‘臨優(yōu)7287’，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所提供。

1．2 方法

1．2．1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究共設(shè)置4個(gè)組［5］：黑小麥對(duì)照組（黑CK）、黑小麥紫外線B處理組（黑B）、普通小麥對(duì)照組（普CK）、普通小麥紫外線B處理組（普B）（表1）。

表1 各處理組的設(shè)置及處理程序Tab．1Establishment and treatment procedure of different groups

1．2．2 種子萌發(fā)

選取籽粒飽滿、大小均一的黑小麥和普通小麥種子，經(jīng)0．1%氯化汞表面消毒后，培養(yǎng)有盛濕紗布的培養(yǎng)皿內(nèi)，每盤(pán)50粒，25℃培養(yǎng)。分別在第2、4、6天取樣，取樣在次日處理前進(jìn)行，然后進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。

1．2．3 增強(qiáng)UV－B輻射處理

UV－B發(fā)生用 UV－B燈（南京華強(qiáng)，30W，297 nm）將其垂直懸于培養(yǎng)皿上方，采用10．08（KJ／m2）／d的輻射劑量處理萌發(fā)小麥。

1．2．4 指標(biāo)測(cè)定

1．2．4．1 形態(tài)指標(biāo)的的測(cè)量

隨機(jī)選取處理后的黑小麥和普通小麥，對(duì)株高、根長(zhǎng)依次進(jìn)行測(cè)量和記錄。測(cè)量幼苗胚芽鞘高度，以其平均值表示生長(zhǎng)勢(shì)［6］。

1．2．4．2 染色體切片的制作及鏡檢

染色體切片的制作按照文獻(xiàn)［5］中的方法進(jìn)行。

鏡檢及拍攝：采用數(shù)碼顯微鏡（NIKON E200）鏡檢，每次重復(fù)觀察5個(gè)根尖，每個(gè)根尖至少觀察1000個(gè)細(xì)胞，統(tǒng)計(jì)其細(xì)胞分裂數(shù)和畸變數(shù)。

1．2．4．3 生理指標(biāo)的測(cè)定

丙二醛（MDA）含量的測(cè)定參照文獻(xiàn)［7－8］中的方法；總多酚含量的測(cè)定參照文獻(xiàn)［9］中的方法，稍作改進(jìn)。

1．2．5 數(shù)據(jù)分析

所有指標(biāo)測(cè)定均重復(fù)3次，用t檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析，其中P＞0．05表示差異不顯著，0．01＜P＜0．05表示差異顯著，P＜0．01表示差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2．1 增強(qiáng)UV－B輻射對(duì)黑小麥和普通小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2．1．1 增強(qiáng)UV－B輻射對(duì)株高、根長(zhǎng)及生長(zhǎng)勢(shì)的影響

植物在遭受到UV－B輻射時(shí)，自身會(huì)表現(xiàn)出植株矮化、葉邊卷曲、株形縮小等一系列措施來(lái)自我保護(hù)［10］，本研究也得到相同的結(jié)果。

由表2可知，與對(duì)照組相比，經(jīng)UV－B輻射處理后，黑小麥和普通小麥均表現(xiàn)出株高降低、根長(zhǎng)變短、生長(zhǎng)勢(shì)減小的現(xiàn)象。且隨著輻射時(shí)間的增加，黑小麥和普通小麥株高和根長(zhǎng)的相對(duì)降低量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而其生長(zhǎng)勢(shì)的相對(duì)減少量變化較小，略有上升。

由增強(qiáng)UV－B輻射對(duì)二者的影響程度的比較結(jié)果可以看出，增強(qiáng)UV－B輻射后，對(duì)黑小麥的影響程度要大于普通小麥。隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，黑小麥的株高相對(duì)減少量由30．74%上升為55．13%，提高了24．39%，普通小麥由23．67%上升為30．87%，提高了7．20%，差異極顯著（P＜0．01）；黑小麥的根長(zhǎng)相對(duì)減少量由21．76%上升為54．16%，提高了32．40%，普通小麥由14．90%上升為31．90%，提高了17．00%，差異極顯著（P＜0．01）。

表2 各組小麥不同天數(shù)的株高、根長(zhǎng)及其生長(zhǎng)勢(shì)變化（平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差）Tab．2Plantheight，root length and growth potential of different kinds of wheat on different handling days

2．1．2 增強(qiáng)UV－B輻射對(duì)細(xì)胞有絲分裂及細(xì)胞畸變的影響

根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，小麥在生長(zhǎng)到第4d時(shí)生長(zhǎng)比較旺盛，因此選取生長(zhǎng)4d的小麥根尖進(jìn)行細(xì)胞分裂及染色體畸變的觀察。

從表3可知，生長(zhǎng)4d時(shí)的小麥根尖細(xì)胞，與對(duì)照組相比，經(jīng)UV－B輻射處理后的各組均表現(xiàn)為細(xì)胞分裂率下降、染色體畸變率上升。

由增強(qiáng)UV－B輻射對(duì)二者的影響程度的比較結(jié)果可見(jiàn)，增強(qiáng)UV－B輻射后，對(duì)黑小麥的影響程度相對(duì)較大。黑小麥的根尖細(xì)胞分裂率下降了2．92%，細(xì)胞分裂相對(duì)率下降了44．95%；普通小麥細(xì)胞的分裂率則下降了1．97%，細(xì)胞分裂相對(duì)率下降了31．72%，差異極顯著（P＜0．01）。與此相反，細(xì)胞畸變率則明顯升高。黑小麥的根尖細(xì)胞畸變率提高了4．32%，細(xì)胞的畸變相對(duì)率提高了1857．14%；普通小麥的細(xì)胞畸變率則上升了2．81%，細(xì)胞的畸變相對(duì)率上升了1416．67%，差異極顯著（P＜0．01）。

表3 不同小麥組4d時(shí)根尖細(xì)胞分裂及其畸變統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab．3Statistics of cell splitting－up and aberration in different kinds of wheat after handling 4days

2．2 增強(qiáng)UV－B輻射對(duì)黑小麥和普通小麥MDA及總多酚含量的影響

2．2．1 增強(qiáng)UV－B輻射對(duì)MDA含量的影響

增強(qiáng)UV－B輻射對(duì)MDA含量的影響見(jiàn)圖1。

由圖1可知，與對(duì)照組相比，增強(qiáng)UV－B輻射處理后，黑小麥和普通小麥根中的MDA含量均呈上升趨勢(shì)（2d時(shí)變化不明顯），且隨著輻射時(shí)間的增加，上升趨勢(shì)愈加明顯，差異顯著（0．01＜P＜0．05）。

通過(guò)比較可知，增強(qiáng)UV－B輻射對(duì)黑小麥根中MDA含量的影響明顯大于普通小麥。同時(shí)，隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，黑小麥根中的MDA相對(duì)增加量由7．14%上升至35．21%，提高了28．07%，差異極顯著（P＜0．01）。普通小麥則由2．32%上升至17．81%，提高了15．49%，差異極顯著（P＜0．01）。

圖1 增強(qiáng)UV－B輻射對(duì)黑小麥和普通小麥根中MDA含量的影響Fig．1The content of MDA in the roots of black wheatand common wheat after enhanced UV－B radiation

2．2．2 增強(qiáng)UV－B輻射對(duì)總多酚含量的影響

由圖2可知，與對(duì)照組相比，增強(qiáng)UV－B輻射處理后，黑小麥和普通小麥葉中的總多酚含量均呈上升趨勢(shì)，且隨著輻射天數(shù)的增加，上升趨勢(shì)更加明顯，差異顯著（0．01＜P＜0．05）。

通過(guò)比較可知，增強(qiáng)UV－B輻射對(duì)黑小麥葉中總多酚含量的影響明顯大于普通小麥。隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，黑小麥葉中的的總多酚相對(duì)增加量由12．19%上升至17．30%，提高了5．11%，差異顯著（0．01＜P＜0．05）；而普通小麥的葉中總多酚相對(duì)增加量維持在25%左右，基本保持不變，差異不顯著（P＞0．05）。

圖2 增強(qiáng)UV－B輻射對(duì)黑小麥和普通小麥葉中總多酚含量的影響ig．2The content of polyphenols in the leaves of black wheat and common wheat after enhanced UV－B radiation

3 討論

紫外線作為植物的非生物脅迫因素，具有比可見(jiàn)光更高的能量，所以在對(duì)植物進(jìn)行照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的活性氧，植物清除活性氧的產(chǎn)物MDA也在植物體內(nèi)大量積累。長(zhǎng)時(shí)間大劑量的UV－B輻射致使活性氧持續(xù)積累到較高水平，而清除能力抵不上活性氧增加的速度，從而不可避免地破壞了細(xì)胞膜系統(tǒng)［11］，導(dǎo)致質(zhì)膜過(guò)氧化，對(duì)植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)造成負(fù)面的嚴(yán)重影響。

當(dāng)植物遭受到UV－B的脅迫時(shí)，可以通過(guò)降低株高、減小葉面積以及葉片發(fā)生卷曲等一系列的形態(tài)變化來(lái)適應(yīng)周圍的環(huán)境。此外，細(xì)胞的分裂率也明顯的降低，并且發(fā)生了畸變，生理代謝紊亂。但是植物的自我調(diào)節(jié)能力有限，當(dāng)脅迫達(dá)到一定程度時(shí)，將會(huì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損傷。在本研究中，黑小麥和普通小麥在遭受到增強(qiáng)的UV－B脅迫時(shí)，二者皆受到了損傷，其中黑小麥比普通小麥更容易受到損傷，對(duì)增強(qiáng)的UV－B輻射敏感性相對(duì)較強(qiáng)，而普通小麥則相對(duì)表現(xiàn)出一定的抗性，在一定程度上可以抵抗UV－B的傷害。但是影響植物對(duì)增強(qiáng)UV－B輻射敏感性的因素是綜合起作用的，如環(huán)境因子與UV－B的協(xié)同作用，因此在這方面還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1）增強(qiáng)UV－B輻射后，黑小麥和普通小麥的株高、根長(zhǎng)、生長(zhǎng)勢(shì)以及細(xì)胞分裂率均呈下降的趨勢(shì)，而細(xì)胞畸變率、MDA和總多酚的含量上升。

2）隨著UV－B輻射時(shí)間的增加，各個(gè)指標(biāo)變化的程度明顯。即UV－B輻射的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)黑小麥和普通小麥的抑制作用就越明顯。

3）增強(qiáng)的UV－B輻射對(duì)黑小麥的株高、根長(zhǎng)、生長(zhǎng)勢(shì)、細(xì)胞分裂率、細(xì)胞畸變率及MDA和總多酚含量的影響均大于對(duì)普通小麥的影響。在該輻射劑量下，黑小麥較為敏感，而普通小麥則相對(duì)表現(xiàn)出一定的抗性。

［1］王春乙，郭建平，鄭有飛．二氧化碳、臭氧和紫外輻射與農(nóng)作物生產(chǎn)［M］．北京：氣象出版社，1997．

［2］李曼華，鄭有飛．UV－B增強(qiáng)對(duì)冬小麥和菠菜影響的對(duì)比試驗(yàn)［J］．南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，27（6）：800－805．

［3］魏亦農(nóng)，孔廣超．六倍體小黑麥與普通小麥對(duì)干旱脅迫反應(yīng)的比較研究［J］．石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，20（1）：8－10．

［4］孫善澄，孫玉，袁文業(yè)，等．優(yōu)質(zhì)黑粒小麥76的選育及品質(zhì)分析［J］．作物學(xué)報(bào)，1999，25（1）：50－54．

［5］韓榕．He－Ne激光對(duì)小麥增強(qiáng)UV－B輻射損傷的修復(fù)效應(yīng)及機(jī)理［D］．西安：西北大學(xué)，2002．

［6］韓榕，王勛陵，岳明，等．He－Ne激光對(duì)小麥幼苗增強(qiáng)UV－B輻射損傷修復(fù)的影響［J］．光子學(xué)報(bào)，2001，30（10）：1182－1187．

［7］王學(xué)奎等．植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)［M］．2版．北京：高等教育出版社，2006：280－281．

［8］郝金華，馬曉麗．He－Ne激光對(duì)UV－B輻射小麥幼苗抗氧化系統(tǒng)的影響［J］．武漢植物學(xué)研究，2007，25（4）：350－355．

［9］郭煒．紫外輻照導(dǎo)致植物細(xì)胞DNA損傷的彗星電泳檢測(cè)及生理指標(biāo)的測(cè)定［D］．濟(jì)南：山東大學(xué)，2008．

［10］唐麗娜，林文雄，吳杏春，等．UV－B輻射增強(qiáng)對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育及其產(chǎn)量形成的影響［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，13（10）：1278－1282．

［11］Huang S H B，Zhang J J，Liu X Z H，et al．Influence of supplemental ultraviolet－B radiation onlipid peroxidation of chinese cabbage［J］．Acta Agriculturea Boreali－Sinica，1998，13（3）：97－101．