景天三七對紫外線B輻射敏感性研究

郭建軍，貴夢園，張佩佩,3，王 靜，王瀚博，李景原

(1.河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007； 2.鄭州財稅金融職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450048； 3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 廣東 廣州 510642)

景天三七對紫外線B輻射敏感性研究

郭建軍1,2，貴夢園1，張佩佩1,3，王 靜1，王瀚博1，李景原1

(1.河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007； 2.鄭州財稅金融職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450048； 3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 廣東 廣州 510642)

紫外線B(UV-B)輻射是重要的環(huán)境生態(tài)因子，對植物的生長發(fā)育有著重要的影響。本文以景天三七(SedumaizoonL.)為材料，研究UV-B輻射對其形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生化的影響，旨在探究景天三七對UV-B輻射敏感的機理。結(jié)果表明，在增強UV-B輻射條件下，葉表皮氣孔下陷，葉肉組織細(xì)胞的葉綠體相互聚攏成團狀，堆積在細(xì)胞中。葉片鮮質(zhì)量和光合色素含量急劇下降，類黃酮的含量升高不明顯?？寡趸赶到y(tǒng)中的SOD活性、POD活性下降，超氧陰離子產(chǎn)生速率明顯升高。增強UV-B打破了景天三七植物體的活性氧平衡，導(dǎo)致光合作用能力和修復(fù)能力下降。研究結(jié)果證明，在UV-B輻射條件下，景天三七形態(tài)結(jié)構(gòu)受到損傷、生理生化代謝受到抑制。景天三七不具備防御UV-B輻射的形態(tài)結(jié)構(gòu)，防御UV-B輻射的次生代謝產(chǎn)物含量低、修復(fù)UV-B輻射操作能力弱，因此景天三七是UV-B輻射敏感性植物。

UV-B；景天三七；形態(tài)結(jié)構(gòu)；生理生化

日光是植物在生長發(fā)育過程中不可缺少的環(huán)境因子。但是，日光中除了植物生長發(fā)育需要的光線外，還有對植物有害的紫外光。所幸地球的臭氧層屏蔽掉了大量紫外線，使地球上的生物免受紫外線輻射的傷害。然而伴隨著全球工業(yè)化的發(fā)展，過多鹵代物等化學(xué)物的排放，造成臭氧層的破壞，大氣中到達(dá)地球表面的紫外線輻射增多，尤其是紫外線B(UV-B)輻射增加最為顯著[1-2]。過量的UV-B輻射抑制植物生長和破壞生態(tài)平衡[3]。為此，1989年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)頒布了《關(guān)于臭氧層的蒙特利亞議定書》，旨在阻止臭氧層的進一步破壞。盡管如此，對臭氧層的破壞尚未發(fā)生本質(zhì)性好轉(zhuǎn)，2011年在南極洲上空形成了前所未有的臭氧空洞，到達(dá)地球表面的UV-B輻射增加趨勢依然在發(fā)展。大氣中臭氧層每減少1%，到達(dá)地球表面的UV-B輻射就會相應(yīng)地增加1.2%。氣象研究表明，破壞臭氧層的物質(zhì)(如氯氟烴類)可在大氣上空存留約100 a，在2050年之前，臭氧層的修復(fù)不會得到實質(zhì)性的改善[4]。因此，在相當(dāng)長的時間內(nèi)地球上的生物仍將面臨UV-B輻射增加的脅迫。

大量研究證明，過量紫外線輻射損傷DNA、蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，影響生物生長發(fā)育[5-6]。動物可以通過躲藏等行為減輕UV-B對其輻射傷害，但固定性生長的植物，只能通過調(diào)整自身形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理代謝來適應(yīng)UV-B的脅迫。研究發(fā)現(xiàn)，有些植物如松、蘆薈對UV-B輻射有較強的耐受性，增強UV-B輻射誘導(dǎo)，這些植物表皮角質(zhì)層增厚、多酚類次生代謝產(chǎn)物含量增加、SOD和POD抗氧化酶系統(tǒng)活性提高[7-8]，即植物通過表皮角質(zhì)層反射和屏蔽掉一部分紫外線輻射，通過多酚類次生代謝物吸收一部分紫外線輻射，通過SOD和POD抗氧化酶系統(tǒng)消除紫外線輻射產(chǎn)生的氧自由基危害，從而達(dá)到減輕或消除紫外線輻射產(chǎn)生的危害。目前研究植物抗紫外線輻射機理的報道較多，而研究紫外線輻射損傷植物機理的報道較少。為此，本研究以陰生植物(景天三七)為試驗材料，研究其對增強紫外線輻射的響應(yīng)，旨在發(fā)現(xiàn)增強紫外線輻射對其造成何種損傷？進而探索紫外線輻射損傷植物的機理，并為研究植物抗紫外線輻射機理提供反證依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料的種植

研究材料為景天三七(SedumaizoonL.) 苗。采用室內(nèi)人工光照扦插法培育景天三七，扦插于大小一致的營養(yǎng)缽中，每個營養(yǎng)缽中1株試驗苗，至景天三七生根后進行處理。取長勢均勻、生長良好的景天三七進行研究，培養(yǎng)室光周期為12 h(光照) / 12 h(黑暗)，溫度為白天25 ℃，晚上18 ℃，定時澆水，保證植物正常生長發(fā)育。

1.2 紫外線B(UV-B)的處理

試驗設(shè)置2個處理，對照組在自然光下生長，處理組除了照射自然光外，另增加UV-B輻射(南京牌UV-B燈管，40 W)，燈管距植物頂部約50 cm，每天10:00-12:00 進行UV-B增強輻射，輻射劑量為15 kJ·m-2·d-1(由UV-B型紫外線輻射計測量，北京師范大學(xué)光電儀器廠)，模擬赤道地區(qū)夏季前后臭氧層衰減15% 時的UV-B輻射強度，時間為2 d。每個處理設(shè)置30株，共60株,5次重復(fù)。然后，分別取處理植株葉片和對照植株葉片，觀察形態(tài)結(jié)構(gòu)和測量生理指標(biāo)。

1.3 形態(tài)結(jié)構(gòu)的觀察

做新鮮葉片徒手切片，或?qū)⒈砥ぶ瞥膳R時裝片，將裝片置于Axioskop 40 (Carl Zeiss)顯微鏡下觀察葉片結(jié)構(gòu)，用數(shù)碼相機拍攝。

1.4 生理指標(biāo)的測定

葉綠素、類胡蘿卜素含量的測定采用80%丙酮浸提法[9]；類黃酮采用甲醇浸提液浸提法[10]；超氧陰離子產(chǎn)生速率采用羥胺氧化法測定[11]；超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)分別采用氮藍(lán)四唑(NBT)法和愈創(chuàng)木酚比色測定法[12]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

各項指標(biāo)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差采用Excel 2007分析獲得，采用SPSS 13.0單因素方差分析對不同處理條件下景天三七生長影響進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 UV-B輻射對景天三七形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

形態(tài)學(xué)觀察結(jié)果表明，自然生長條件下的景天三七植株綠色，葉片自然舒展，整個葉片表面光滑，角質(zhì)層很薄，葉片呈墨綠色(圖1-A)；在增強UV-B輻射后，景天三七的葉片形狀嚴(yán)重變形，有微枯焦現(xiàn)象，葉片失去本來的綠色，呈現(xiàn)黃綠色，整個葉片表面凸凹不平(圖1-B)。在光學(xué)顯微鏡下觀察到葉片上表皮氣孔分布密集，清晰可見，氣孔由2個腎形細(xì)胞組成，且在氣孔中有葉綠體分布，在增強UV-B輻射后下陷(圖1-C)。在增強UV-B輻射后，葉肉組織中的大液泡界限不明顯，多個葉綠體相互聚攏成團狀，堆積在細(xì)胞中，只有少部分葉綠體零星散布葉肉細(xì)胞中(圖1-D)。

A：對照組植株葉片表面光滑，呈墨綠色；B：增強UV-B輻射后，葉片微枯變形，葉片表面凸凹不平，呈枯黃色；C：葉片上表皮氣孔，氣孔由兩個腎形細(xì)胞組成，在增強UV-B輻射后下陷；D：在增強UV-B輻射后，葉肉組織細(xì)胞中多個葉綠體相互聚攏成團狀。

A: The leaves of CK control were smooth and take on dark green; B: Elevated UV-B radiation, the leaves slightly withered deformation, the surface ofleaf was uneven and yellow; C: Stomatal stomata in the leaves, stomata composed of two renal cells, Stomatal sag after elevated UV-B radiation; D: Afer elevated UV-B radiation, The chloroplasts were gathered together in mesophyll cells.

圖1 UV-B輻射對景天三七葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響
Fig.1 Effects of UV-B radiation on structure of leaves ofSedumaizoon

2.2 UV-B輻射對景天三七光合色素的影響

在景天三七發(fā)育過程中光合色素的含量隨著葉片的位置從上到下逐漸降低，上部葉含量最高，中部葉次之，下部葉含量最少(圖2)。增強UV-B處理后，景天三七葉片中的光合色素與對照組相比均降低，其中上部葉和中部葉中的光合色素受影響程度較大，葉綠素a 含量在上部葉和中部葉中達(dá)到極顯著差異(P<0.01)(圖2-A)；在下部葉中也達(dá)到顯著差異(P<0.05)；葉綠素b含量的降低雖然在上部葉和下部葉中并沒有達(dá)到顯著性差異，但在中部葉處理組與對照相比達(dá)到極顯著差異(圖2-B)；由圖2-C可以看出，在UV-B輻射增強后，葉綠素a/b含量相較于對照組升高，說明葉綠素b對UV-B輻射的敏感性要大于葉綠素a。在UV-B輻射后類胡蘿卜的含量在3個時期均低于對照組，且都達(dá)到顯著性差異(圖2-D)。由此可知，增強UV-B輻射可降低景天三七葉片內(nèi)光合色素的含量，說明UV-B輻射可能直接或間接地破壞了葉綠素和類胡蘿卜素的合成和積累，進而降低景天三七葉片的光合作用能力。

2.3 UV-B對景天三七類黃酮的含量的影響

在自然條件下，景天三七葉片中類黃酮的含量在上部葉中最高，下部葉次之，在中部葉中最低(圖3-A)。在UV-B輻射增強下，上部葉中類黃酮的含量較對照降低，并達(dá)到顯著性差異；在中部葉中類黃酮的含量明顯增加，并未達(dá)到顯著性差異；而在下部葉中其含量增加不明顯，也未達(dá)到顯著性差異。在景天三七中類黃酮的含量在上部葉中含量最高，隨著葉片的成熟類黃酮的含量降低，葉片逐漸衰老，類黃酮的含量又再次上升，即在景天三七不同的發(fā)育時期，其類黃酮含量是不同的。在UV-B輻射后，類黃酮的含量增加，是中部葉對UV-B脅迫的一種積累效應(yīng)；上部葉生長于植株的頂端，距離UV-B輻射的距離最近，故受到的UV-B輻射強度最大，且上部葉正處于快速伸展期，受UV-B輻射的影響最為明顯。

*顯著差異(P<0.05)，**極顯著差異(P<0.01)。下同。* Significant difference (P<0.05), ** Extremely significant difference (P<0.05). The same as below.

2.4 UV-B對景天三七抗氧化系統(tǒng)的影響

UV-B輻射處理后的景天三七，與未照射UV-B的對照相比，不同時期SOD活性變化差異較大(圖3-B)。在增強UV-B輻射后，上部葉片和中部葉片中的SOD活性下降均達(dá)到極顯著差異，其中UV-B輻射對上部葉中SOD活性的影響效果最為明顯，說明UV-B輻射會對SOD的含量以及活性造成影響，且上部葉的敏感性最強。在下部葉中，UV-B照射后SOD活性略有增加，但是并未達(dá)到顯著差異，說明在低強度UV-B輻射(下部葉距離UV-B輻射相對較遠(yuǎn))下，可以提高SOD活性。

UV-B照射后，對景天三七葉片中POD活性產(chǎn)生了明顯的影響(圖3-C)。在上部葉和中部葉中，POD活性在增強UV-B輻射發(fā)生顯著性降低；而自然條件下生長的下部葉中其POD含量相較于上部葉和中部葉高，在增強UV-B輻射后，其POD活性升高，但并未達(dá)到顯著性差異。說明景天三七不同葉齡中POD活性存在差異，POD活性的改變也是對增強UV-B輻射響應(yīng)的一種形式。

圖3 UV-B輻射對景天三七葉片中類黃酮 、SOD、POD 和超氧陰離子產(chǎn)生速率的影響Fig.3 Effects of UV-B radiation on flavonoid contents, SOD activity, POD activity and superoxide anion generation rate in leaf of Sedum aizoon

在景天三七葉片的不同發(fā)育時期，其超氧陰離子產(chǎn)生速率存在差異，其中上部葉中產(chǎn)生速率最低，隨著葉片的發(fā)育成熟及老化，葉片中產(chǎn)生的自由基增多、速率加快，連續(xù)誘發(fā)生物膜膜脂的過氧化反應(yīng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞的損傷、衰老和死亡。在UV-B輻射的脅迫下，葉片不同時期超氧陰離子產(chǎn)生速率均明顯升高，尤其是在上部葉中超氧陰離子產(chǎn)生速率增幅最大，表明上部葉在UV-B輻射下產(chǎn)生大量自由基，其產(chǎn)生自由基的速率明顯加快，并達(dá)到極顯著差異，由此可知上部葉對UV-B輻射的敏感性最強，達(dá)到極顯著差異；在中部葉中，超氧陰離子產(chǎn)生速率的增高也達(dá)到了極顯著差異；下部葉中其產(chǎn)生速率雖有增加，但并未達(dá)到顯著性差異(圖3-D)。說明下部葉的超氧陰離子產(chǎn)生速率已超出自身的清除速率，故在UV-B輻射的照射下，進一步加劇了自由基的積累。

3 結(jié)論與討論

不同植物對UV-B輻射的敏感性有很大差異[13-16]。目前研究植物抗紫外線輻射機理的報道大多選用抗紫外線輻射能力較強的植物，而對抗紫外線輻射能力差的植物則較少研究，因此有必要系統(tǒng)地探討紫外線輻射對抗紫外線能力較弱的植物造成哪些損傷，進而探索紫外線輻射損傷植物的機理，為研究植物抗紫外輻射機理提供的反向證據(jù)。

葉綠體在受到外界環(huán)境光刺激時，會發(fā)生向光移動(聚集反應(yīng))或遠(yuǎn)離光照(回避反應(yīng))的運動，從而適應(yīng)環(huán)境中光的變化[17-18]。景天三七在受到UV-B輻射后，少數(shù)葉綠體呈散狀分布于細(xì)胞內(nèi)部外，多數(shù)葉綠體相互聚攏呈團狀，以延長UV-B輻射的路徑來減輕部分葉綠體受UV-B輻射的傷害程度，這是景天三七葉綠體應(yīng)對UV-B輻射的一種防御方式。但葉綠體聚攏的方式也降低了景天三七中葉綠體接觸、吸收和傳遞光能的能力，進而對植株的光合作用能力產(chǎn)生影響，說明景天三七是UV-B敏感性植物。

UV-B照射植物時會產(chǎn)生更多的活性氧，使細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)發(fā)生過氧化作用，促使植物體內(nèi)產(chǎn)生類黃酮、酚類、香豆酸等紫外吸收物質(zhì)，清除植物體內(nèi)過多的活性氧，保持植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和清除之間的平衡[19-22]。植物體還可以提高自身抗氧化酶系統(tǒng)的活性，并通過氧化還原反應(yīng)清除體內(nèi)活性氧，因此，增強抗氧化性酶活性能夠緩解植物受UV-B輻射的脅迫，提高植物對UV-B輻射的抗性和適應(yīng)性。然而景天三七的SOD活性、POD活性很低，這可能是由于過量的UV-B輻射使植株內(nèi)的活性氧含量超過了景天三七的自我調(diào)節(jié)和恢復(fù)的能力，導(dǎo)致景天三七抗UV-B輻射能力變?nèi)酢?/p>

總之，本研究證明景天三七對UV-B輻射的敏感性強。在形態(tài)結(jié)構(gòu)上，葉片角質(zhì)層薄，不具備反射或屏蔽UV-B輻射的能力，其葉片在受到UV-B輻射后有葉表面凹凸不平、氣孔下陷、葉綠體聚攏成團等現(xiàn)象；在保護和修復(fù)機制上，景天三七中類黃酮含量較低，不能有效吸收紫外線輻射。葉片組織中SOD活性和POD活性低下，不能有效清除體內(nèi)過多的活性氧，故景天三七不能有效避免UV-B輻射對其傷害，是對UV-B輻射敏感性植物，該研究結(jié)果是研究抗UV-B輻射機理的反向證據(jù)。

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(責(zé)任編輯：朱秀英)

Sensitivity ofSedumaizoonto the enhanced ultraviolet B radiation

GUO Jianjun1,2，GUI Mengyuan1，ZHANG Peipei1,3，WANG Jing1，WANG Hanbo1，LI Jingyuan1

(1.College of Life Sciences, Henan Normal University, Xinxiang 453000, China; 2.Zhengzhou Vocational College of Finance and Taxation, Zhengzhou 450048, China; 3.College of Agronory, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Ultraviolet B (UV-B) radiation is an important environment-ecological factor, which has an important influence on the growth and development of plants. In this paper we usedSedumaizoonL. as experimental materials to study the effects of UV-B radiation on morphological structure and physiological and biochemical reactions, and aimed aiming to explore the sensitive mechanism of UV-B radiation onSedumaizoonL.. The results showed that under the conditions of enhanced UV-B radiation, leaf stomata caved in, the mesophyll chloroplasts were gathered into ball shape and accumulated in cells. The fresh weight and the content of photosynthetic pigment in leaves decreased sharply, and the content of flavonoids was not obviously increased. The activity of SOD and the POD in antioxidant enzyme system decreased, and the production rate of superoxide anion increased significantly. The balance of generation and elimination of ROS was broken with enhanced UV-B radiation, which resulted in the decrease of the capacity of photosynthesis and repairation decreased. It followed that under the UV-B radiation, the morphological structure ofSedumaizoonL. were was damaged and the physiological and biochemical metabolism was inhibited. ForSedumaizoonL., there was not morphological structure that could defense defend against UV-B radiation, .the The content of secondary metabolites in defendsing against UV-B radiation was low, and the repairation capacity was weak, soSedumaizoonL. was a plant that was sensitive to UV-B radiation.

UV-B;SedumaizoonL.; morphological structure; physiology

2016-04-00

國家自然科學(xué)基金項目(31270225，31300163)

郭建軍(1963-)，男，河南鄭州市人，特級教師，主要從事發(fā)育生物學(xué)方面的研究工作。

李景原(1963-)，男，河南新鄉(xiāng)市人，教授，碩士生導(dǎo)師。

1000-2340(2017)01-0071-05

R287

A