鈣緩解紫外輻射對(duì)蠶豆幼苗的毒害效應(yīng)研究

周　琳，楊曉琳，蘇閃閃，王靜宇，包倩倩，楊甜甜，趙錦慧

(周口師范學(xué)院 生命科學(xué)與農(nóng)學(xué)學(xué)院，河南 周口 466001)

近年來(lái)由于大量污染物排放的增多，大氣臭氧層遭到了嚴(yán)重的破壞，地球失去了臭氧層的保護(hù)，紫外輻射對(duì)地球上的生命產(chǎn)生了危害．如果不能有效控制這種狀況，到2075 年大氣臭氧層將減少40%[1]，國(guó)際科學(xué)界已經(jīng)開始關(guān)注因臭氧層被破壞導(dǎo)致的紫外輻射的增強(qiáng)．據(jù)相關(guān)研究表明，紫外輻射過(guò)強(qiáng)會(huì)對(duì)植物乃至整個(gè)生物圈帶來(lái)無(wú)法預(yù)想的危害[2-3]，植物的生長(zhǎng)受到了抑制，長(zhǎng)久下來(lái)也會(huì)給人類的生存帶來(lái)威脅．本實(shí)驗(yàn)借鑒逆境植物生理學(xué)中的鈣調(diào)控理論[4]，以蠶豆嫩苗為研究對(duì)象，探究不同濃度鈣對(duì)紫外輻射條件下蠶豆嫩苗生理指標(biāo)的影響，旨在探索紫外輻射對(duì)植物造成傷害的緩解途徑．

1　材料與方法

1.1　實(shí)驗(yàn)材料

顆粒飽滿的蠶豆種子．

1.2　儀器

紫外燈、離心機(jī)、電子天平等．

1.3　實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1氯化鈣溶液配制

用電子天平稱取一定量的氯化鈣，配制出2 mmol/L和6 mmol/L的氯化鈣溶液．

1.3.2蠶豆種子消毒、萌發(fā)及嫩苗的培養(yǎng)

用5%的次氯酸鈉將蠶豆種子浸泡30 min，清洗干凈，浸泡24 h，將其分別移至鋪有濾紙的托盤中，上面覆蓋一層濾紙，在室溫下培養(yǎng)，并噴灑蒸餾水催芽，培養(yǎng)4 d后，將蒸餾水改為培養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)，直到長(zhǎng)出4～6片葉子．

1.3.3實(shí)驗(yàn)處理設(shè)置

將長(zhǎng)出4～6片真葉的蠶豆嫩葉分為1個(gè)對(duì)照組和6個(gè)處理組．對(duì)照組置于正常條件下培養(yǎng)；處理組1為蠶豆嫩苗每天紫外照射4 h，處理1 d；處理組2為蠶豆嫩苗紫外照射4 h，持續(xù)處理3 d；處理組3為蠶豆嫩苗每天紫外照射4 h，處理1 d，輻射結(jié)束后葉面噴灑濃度為2 mmol/L的氯化鈣溶液；處理組4為蠶豆嫩苗每天紫外輻射4 h，處理1 d，輻射結(jié)束后葉面噴灑6 mmol/L的 氯化鈣溶液；處理組5為蠶豆嫩苗每天紫外輻射4 h，連續(xù)處理3 d，輻射結(jié)束后葉面噴灑2 mmol/L 的氯化鈣溶液；處理組6為蠶豆嫩苗每天紫外輻射4 h，連續(xù)處理3 d，輻射結(jié)束后葉面噴灑6 mmol/L的氯化鈣溶液．紫外輻射上午8:00開始，12:00結(jié)束，葉面噴灑氯化鈣溶液中午12:00進(jìn)行，噴灑時(shí)以葉面無(wú)液滴滴落為宜，注意每盤每次噴灑量保持一致．各處理組培養(yǎng)結(jié)束后將嫩苗恢復(fù)培養(yǎng)1 d，而后取葉片測(cè)定蠶豆嫩苗中游離脯氨酸含量、丙二醛(MDA)的生成量、可溶性蛋白合成量以及過(guò)氧化物酶(POD)活性等生理指標(biāo)．

1.3.4生理指標(biāo)測(cè)定方法

葉綠素含量的測(cè)定：利用分光光度法[5]測(cè)定葉綠素合成量，用95%乙醇提取蠶豆嫩葉中的葉綠素，每個(gè)處理均設(shè)置重復(fù)(3個(gè))，葉綠素含量用平均值表示，下列所測(cè)指標(biāo)表示方法相同．

游離脯氨酸含量的測(cè)定：利用酸性茚三酮法[6]．

丙二醛含量的測(cè)定：利用硫代巴比妥酸法[7]．

可溶性蛋白含量的測(cè)定：利用考馬斯亮藍(lán)法[8]．

過(guò)氧化物酶(POD)活性的測(cè)定：利用愈創(chuàng)木酚比色法[8]．

可溶性糖含量的測(cè)定：利用蒽酮法[8]．

2　結(jié)果與分析

2.1　蠶豆嫩葉中葉綠素合成量在各種處理下受到的影響

表1　蠶豆嫩葉中葉綠素的生成量

表1是蠶豆嫩葉中葉綠素合成量在各種處理下受到的影響．在紫外光照射下，蠶豆嫩葉中葉綠素合成受到抑制，葉綠素的合成量下降，輻射時(shí)間越長(zhǎng)，下降越多．輻射后如果噴灑不同濃度的氯化鈣，則葉綠素合成量有所上升，其中噴灑6 mmol/L的氯化鈣葉綠素含量變化更明顯．由表1可知，6 mmol/L的氯化鈣對(duì)紫外照射下蠶豆嫩葉的緩解作用要強(qiáng)于 2 mmol/L對(duì)其的緩解．

2.2　蠶豆嫩葉中丙二醛生成量在各種處理下受到的影響

表2顯示的是蠶豆嫩葉中丙二醛生成量的變化．受到紫外輻射后，MDA生成量與對(duì)照比較增加，并且MDA生成量與脅迫時(shí)間成正比．蠶豆嫩葉在紫外輻射等惡劣環(huán)境中細(xì)胞自身會(huì)產(chǎn)生丙二醛，丙二醛含量超過(guò)一定量會(huì)使細(xì)胞膜系統(tǒng)受損害[9]．實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，紫外輻射脅迫會(huì)使膜系統(tǒng)受到傷害，脅迫時(shí)間越長(zhǎng)，膜系統(tǒng)所受到的傷害越大．脅迫后噴灑不同濃度的氯化鈣，則蠶豆嫩葉中的丙二醛生成量都有所降低，這說(shuō)明鈣能夠減輕紫外輻射對(duì)蠶豆葉片中磷脂的傷害．

表2　蠶豆嫩葉中丙二醛的生成量

2.3　蠶豆嫩葉中脯氨酸合成量在各種處理下的影響

表3　蠶豆嫩葉中脯氨酸的生成量

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3，紫外脅迫組及紫外脅迫+氯化鈣組與對(duì)照相比較，蠶豆嫩葉中游離脯氨酸合成量均增加，噴灑氯化鈣的實(shí)驗(yàn)組游離脯氨酸合成量增加更明顯．這說(shuō)明鈣能促進(jìn)蠶豆體內(nèi)游離脯氨酸的合成，而脯氨酸是調(diào)節(jié)滲透平衡的物質(zhì)，因此蠶豆嫩苗細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力會(huì)增強(qiáng)，使植物增強(qiáng)對(duì)外界的抵抗能力．

2.4　 蠶豆嫩葉中可溶性蛋白的合成在不同條件下受到的影響

表4顯示了紫外光照射對(duì)蠶豆嫩葉中可溶性蛋白合成的影響，紫外脅迫實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組相比可溶性蛋白合成量減少，外施氯化鈣后，可溶性蛋白合成量雖有所提高，但基本上未達(dá)到對(duì)照組水平．蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者，它主要在植物嫩苗期合成．有研究表明，植物細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)水平和蛋白質(zhì)合成對(duì)強(qiáng)UV-B 輻射更為敏感[10]．本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，紫外輻射對(duì)蠶豆嫩葉中可溶性蛋白合成確實(shí)有一定的破壞作用，并且輻射劑量與破壞程度呈正比，噴灑氯化鈣后可緩解這種破壞，說(shuō)明鈣能夠緩解紫外輻射對(duì)蠶豆嫩葉的傷害．

表4　蠶豆嫩苗可溶性蛋白的合成量

2.5　蠶豆嫩葉中可溶性糖合成量在各種處理下受到的影響

表5　蠶豆嫩葉中可溶性糖的生成量

表5顯示了不同處理對(duì)蠶豆嫩葉中可溶性糖生成量的影響．紫外脅迫下可溶性糖生成量減少，并且減少程度與輻射程度呈正比，噴灑氯化鈣后，可溶性糖生成量雖有所提高，但未達(dá)到對(duì)照組水平．這說(shuō)明鈣能有效減輕紫外輻射對(duì)蠶豆嫩苗生長(zhǎng)的抑制作用．

2.6　蠶豆嫩葉中過(guò)氧化物酶活性在紫外照射下受到的影響

表6　不同條件下蠶豆嫩葉中過(guò)氧化物酶活性

表6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，各處理組POD活性與正常培養(yǎng)下的蠶豆嫩葉中POD活性比較明顯上升，其中紫外輻射1 d下，POD活性增加了6.7%；紫外輻射3 d下，POD活性增加了8.6%；紫外輻射1 d + 2 mmol/L氯化鈣處理下，POD活性增加了7.7%；紫外輻射1 d + 6 mmol/L氯化鈣處理下，POD活性增加了8.3%；紫外輻射3 d + 2 mmol/L氯化鈣處理下，POD活性增加了16.4%；紫外輻射3 d + 6 mmol/L氯化鈣處理下，POD活性增加了19.4%．因此鈣能夠提高植物的抗逆性．

3　結(jié)論與討論

3.1　結(jié)論

本探究結(jié)果表明：蠶豆嫩苗葉片葉綠素、可溶性糖生成量在紫外照射下下降，可溶性蛋白合成量降低，游離脯氨酸和丙二醛生成量增加，過(guò)氧化物酶活性增強(qiáng)．外施不同濃度的氯化鈣后，葉綠素、可溶性蛋白、可溶性糖及游離脯氨酸含量都有不同程度的增加，過(guò)氧化物酶活性有不同程度的增強(qiáng)，但丙二醛生成量有不同程度的降低．

3.2　討論

大量研究顯示，紫外輻射等逆境條件對(duì)植物的生長(zhǎng)、發(fā)育會(huì)產(chǎn)生不良影響[11-12]．本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明：蠶豆經(jīng)6 mmol/L的鈣離子處理，其生理特征與正常處理的更接近，這說(shuō)明鈣能夠使蠶豆葉片中葉綠素含量增加，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)．蠶豆進(jìn)行光反應(yīng)需要葉綠素的參與，在光照、二氧化碳含量一定的條件下，植物進(jìn)行光合作用的速率與葉綠素有關(guān)．

植物在逆境下遭到損傷后體內(nèi)活性氧的積累、損傷和活性氧的種類會(huì)引起膜脂過(guò)氧化物產(chǎn)物丙二醛的產(chǎn)生．本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蠶豆嫩葉中丙二醛的生成量在紫外脅迫下明顯增加，但是蠶豆嫩葉在噴灑不同濃度的氯化鈣后丙二醛的生成量下降，這說(shuō)明鈣能夠抑制丙二醛的生成，使植物的膜系統(tǒng)免受傷害．

蠶豆嫩葉在紫外輻射條件下，游離脯氨酸生成量增加，并且與輻射時(shí)間成正比，輻射后噴灑氯化鈣，游離脯氨酸生成量繼續(xù)增加，這說(shuō)明鈣能促進(jìn)脯氨酸的合成，這與洪法水[13]等研究結(jié)果相似．

蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)的重要物質(zhì)．本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在紫外輻射條件下，蠶豆嫩苗中可溶性蛋白含量下降，用不同濃度氯化鈣溶液處理蠶豆嫩苗后，可溶性蛋白生成有所增加，并且與輻射時(shí)間呈正比．蛋白質(zhì)是重要的酶類物質(zhì)，它能夠參與細(xì)胞內(nèi)的多種化學(xué)反應(yīng)，對(duì)植物的生長(zhǎng)有重要的作用．

糖類是植物的主要養(yǎng)分物質(zhì)，而且糖類是光合作用的產(chǎn)物．本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，紫外輻射下蠶豆嫩苗葉片中可溶性糖合成量降低，并且輻射劑量越大，可溶性糖含量越低，這可能是由于紫外輻射處理后，蠶豆嫩苗葉片中葉綠體的類囊體薄膜遭到毀壞，光合速率下降，導(dǎo)致糖類無(wú)法正常積累．

過(guò)氧化物酶是保護(hù)植物生長(zhǎng)發(fā)育的一種酶類，由表6可知，蠶豆嫩葉在紫外輻射下體內(nèi)的過(guò)氧化物酶活性升高，這是植物自身的保護(hù)機(jī)制．在處理組中分別施加了不同濃度的氯化鈣，結(jié)果顯示蠶豆嫩葉中POD活性進(jìn)一步提高，這可減少外界環(huán)境對(duì)蠶豆的傷害．

由于近年來(lái)工業(yè)的迅速發(fā)展，污染物大量排放，嚴(yán)重破壞了大氣中的臭氧，據(jù)統(tǒng)計(jì)，過(guò)去20 年中，全球范圍內(nèi)的臭氧濃度減少了2%～3%，紫外輻射增強(qiáng)的全球性環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，所以研究鈣防御紫外照射對(duì)植物生命活動(dòng)的影響具有重要的意義．

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