（植物学专业论文）uvb辐射对紫萍（spirodela+polyhiza）生理生化效应的研究.pdf

华南师范大学硕士奶究生学位论文 u v - b 辐射对紫萍c 跏加如缸p o 咖触砸) 生理生化效应的研究 摘要 大气臭氧层的耗损导致到达地面的u v - b 辐射的增加，植物需要接受太阳光 进行光合作用，因而不可避免的受到太阳光中增强的u v - b 辐射的影响。本文以 紫萍( s p i r o d e l ap o f ) 啦z a ) 为材料，研究了紫萍在生理生化机制方面的响应，以 期为同类研究提供参考。 实验在自然光条件下附加强度为2 8 w m 2 的u v - b 辐射，每天处理8 小时( 8 ： o o 1 6 ：0 0 ) ，以自然光照条件下生长的紫萍为对照，探讨增强的u v - b 辐射对 植物生理生化的影响。实验研究结果如下： ( 1 ) u v - b 辐射处理后前2 天，紫萍超氧化物歧化酶( s o d ) 和抗坏血酸过氧化 物酶( a p ) 等抗氧化酶系统有不同程度的升高，随着u v - b 处理时间的延长， 紫萍体内抗氧化保护系统能力下降，s o d 和a p 的活性下降，并且非酶类抗氧化 物质抗坏血酸( a s a ) 含量一直低于对照组，而脯氨酸( p r o ) 的含量则一直在升高。 膜腊过氧化产物婀二醚( m d a ) 含量增加。叶绿体显微结构受到破坏，基粒类 囊体肿胀，排列疏松且发生弯曲；基质片层模糊，部分溶解；线粒体也受到一定 程度的损伤，内嵴模糊。 ( 2 ) u v - b 辐射使氮代谢发生了紊乱。u v - b 辐射处理后硝酸还原酶( n r ) 活性 呈先升后降的变化趋势，谷氨酸脱氢酶( g d h ) 活性在整个处理期间均低于对 照；u v - b 辐射导致硝态氮含量降低。这些都严重影响了紫萍对硝酸盐的吸收、 氮素的同化和氨基酸的合成，进而也影响了植物体内蛋白质的合成。 ( 3 ) 紫萍可以通过提高u v - b 吸收物质如类黄酮合成酶苯丙氨酸氨裂解酶( p a l ) 活性，促进类黄酮的积累来适应u v - b 辐射的胁迫。 关键词：类黄酮，丙二醛，氮代谢，苯丙氨酸氨基裂解酶，脯氨酸，活性氧，紫 萍，超氧化物歧化酶，u v - b 辐射 华南师范大学硕士奶究生学位论文 p h y s i o l o g i c a la n d b i o c h e m i c a l r e s p o n s e st os u p p l e m e n t a r y u v - br a d i a t i o ni n s p i r o d e l ap o l y h i z a a b s t r a c t w i t ht h ed e p l e t i o no fo z o n el a y e ri ns t r a t o s p h e r e ，s o l a ru v - br a d i a t i o no nt h e e a r t hs u r f a c ei si n c r e a s i n g p l a n t su s es u n l i g h tf o rp h o t o s y n t h e s i s ，a n di ti si n e v i t a b l e t h a t t h e y a r ea f f e c t e d b ye n h a b c e d u v - br a d i a t i o ni nt h e s u n l i g h t d u c k w e e d s ( s p i r o d e l ap o l y h i z a ) w e r eu s e da sm ye x p e r i m e n tm a t e r i a li nt h ep r e s e n tt h e s i st o s t u d yp h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i s t r y r e s p o n s e s t os u o o l e m e n t a r yu v - br a d i t i o n d u c k w e e d sw e r ei r r a d i a t e dw i t h s u p p l e m e n t a r y u v - bw i t ht h e i n t e n s i t y o f 2 8 w m 2f o r8hf r o m8 ：0 0 - 1 6 ：0 0p e rd a y p l a n t s g r o w ni n t h en a t u r a l l i g h t c o n d i t i o n sw i t h o u ts u p p l e m e n t a r yu v - br a d i a t i o nw e r eu s e da sc o n t r 0 1 t h er e s u l t s w e r ea sf 0 1 l o w s ： ( 1 ) s u p p l e m e n t a r yu v - b r a d i a t i o ni n c r e a s e ds u p e r o x i d ed i s m u t a s e ( s o d ) a n da p a c t i v i t yw i t h i n2d a y t r e a t m e n t w i t ht h ei n c r e a s eo fe x p o s u r et i m e ，t h ea n t i o x i d a t i v e a b i l i t yo fs p i r o d e l ap o l y h i z ad e r e a s e d ，s o da n d a p a c t i v i t i e sw e r ei n d u c e d ，a n da s a c o n t e n to ft r e a t e dp l a n t sw e r ea l w a y sl o w e rt h a nt h o s eo fc o n t r o lp l a n t s ，b u tt h e p r o l i n e ( p r o ) c o n t e n t si n t r e a t e dp l a n t si n c r e a s e d t h e s ef a c t o r sw o u l db r e a kt h e b a l a n c eo ft h em e t a b o l i s mo fr o sa n dt h ea c t i v e o x y g e na c c u m u l a t i o ni nl e a f y t h a l l u so f s p i r o d e l ap o l y h i z ac o u l d b et h er e s u l t ，t h em e m b r a n e l i p i dp e r o x i d a t i o n w a s a c c e l e r a t e d ( m d a c o n t e n t i n c r e a s e d ) ，u l t r a m i c r o s t r u c t u r e o f c h l o r o p l a s t w a s d a m a g e d ，p h o t o s y n t h e t i cc a p a c i t yd e r e a s e d , b i o m a s s ( d r yw e i g h t ) r e d u c e d ( 2 ) u n d e ru v - br a d i a t i o n ，t h en i t r o g e n o u sm e t a b o l i s mi nl e a f yt h a l l u so fs p i r o d e l a p o b h i z n w a si nd i s o r d e r t h ea c t i v i t i e so fn ri n c r e a s e df i s t l ya n dt h e nd e c r e a s e da f t e r u v - bt r e a t m e n t t h eg d ha c t i v i t i e so ft r e a t e dp l a n t sw e r el o w e rt h a nt h o s eo fc o n t r o l p l a n t sd u r i n g t h ew h o l e e x p e r i m e n t e n h a n c e d u v - br a d i a t i o nr e d u c e dt h ec o n t e n t so f n 0 3 一n i ns p i r o d e l ap o l y h i z a t h ep r e s e n tr e s u l t si n d i c a t e dt h a te n h a n c e du v - b r a d i a t i o na f f e c t e dt h ea b s o r p t i o no fn i t r a t e ，a s s i m i l a t i o no fn i t r o g e na n ds y n t h e s i so f 2 华南师范大学硕士奶究生学位论文 a m i n oa c i d s ( 3 ) u v - b r a d i a t i o ni n c r e a s e dt h ep h e n y l a l a n i n aa m m o n i a l y a s e ( p a l ) a c t i v i t yi nl e a f y t h a l l u so f d u c k w e e d s ，a n d a sa c o n s e q u e n c e ，f l a v o n o i d s w e r ea c c u m u l a t e d f l a v o n o i d ss y n t h e s i si n d u c e db ys u p p l e m e n t a r yu v - bi s a na d a p t i v er e s p o n s eo f d u c k w e e k su n d e re n h a n c e du v - br a d i t i o n k e y w o r d s ：f l a v o n o i d s ；m a l o n d i a l d e h y d e ( m d a ) ；n i t r o g e n m e t a b o l i s m ； p h e n y l a l a n i n aa m m o n i a l y a s e ( p a u ；p r o l i n e 口r o ) ；r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ( r o s ) ； s p i r o d e l ap o l y h i z a ；s u p e r o x i d ed i s m u t a s e ( s o d ) ；u l t r a v i o l e t _ b ( u v - b ) r a d i a t i o n 3 华南师范大学硕士奶究生学位论文 一、植物u v b 效应研究进展 太阳紫外辐射( u v ，2 0 0 - - 4 0 0 h m ) 依其生物效应的刁i 同可分为三类：超强效 应段( u v - c ，2 0 0 - - 2 4 0 n m ) ，强效应段( u v - b ，2 8 0 3 2 0 n m ) 和弱效应段( u v _ a ， 3 2 0 - - 4 0 0 n m ) 。大气平流层中的臭氧( 0 3 ) 对u v - c 、u v - b 和u v a 有不同程度 的吸收，当太阳u v 辐射经过大气平流层中的0 3 层时，u v - c 辐射几乎全部被 0 3 吸收，u v _ a 辐射可穿过0 3 层而全部到达地面，u v - b 辐射9 0 左右可被0 3 吸收，其余可到达地面，所以，大气0 3 量的变化主要影响地面的u v - b 辐射。 平流层中的0 3 吸收了对生物有杀伤作用的全部u v - c 和绝大部分的u v - b ，使地 球上的生物得以正常的生长和发育，但随着工农业的发展，臭氧层破坏物质的大 量释放，人类活动加剧了大气0 3 层的减弱、变薄，从而削弱了臭氧对u v - b 辐 射的过滤作用，致使地表的u v - b 辐射增强。据估计，1 9 9 4 - - 2 0 2 6 年间，臭氧层 将减少1 6 ( k e r r 等，1 9 9 3 ) 。2 0 0 0 年9 月，美国国家航宁航天局( n a s a ) 宣布， 安装在地球探测卫星上的仪器t o m s ( t o t a lo z o n em a p p i n gs p e c t r o m e t e r ) 探测到 南极臭氧空洞己达2 8 3 0 万平方公里，比1 9 9 8 年9 月1 9 目的面积增加了1 1 0 万 甲方公里，达到了有史以来的最大面积。我国上空的臭氧层衰竭趋势也有增无减： 从1 9 7 9 年到1 9 9 3 年，整个中国地区上空的平流层臭氧总量呈下降趋势，地区平 均臭氧下降了5 1 ，而仅在1 9 9 2 年到1 9 9 3 年，我国北纬2 0 。到2 5 。的区域上 空平流层臭氧总量下降了8 7 9 6 。据报道，大气中的0 3 量每减少1 ，地球表 面的u v - b 辐射强度就将增加2 ( s c o t t o 等，1 9 8 8 ) 。尽管u v - b 辐射在太阳辐 射中所占的量很小，但由于它能被一些重要生物大分子，如核酸、蛋白质等吸收， 同时还能影响大气质量和生物地球化学循环，因此，平流层中0 3 的耗损及由此 导致的太阳u v - b 辐射强度的增加，对生活在地球生物圈中各种生物以及它们生 存环境的质量都将会产生深刻影响。 植物是地球生物圈的一个重要组成部分。u v - b 辐射增强对植物的影响涉及 生理、生化、形态结构和生长发育等各方面。2 0 世纪8 0 年代以来，国外在u v - b 辐射影响植物生理、生化和生长发育等方面的研究比较活跃，在植物生长发育和 生理生化响应上也获得了许多有价值的科研成果，而我国在u v - b 辐射的生物学 效应方面的研究工作起步较晚，现将国内外u v - b 辐射对植物影响的相关研究做 4 华南师范大学硕士奶究生学位论文 一个简要的综述。 1 u v - b 辐射对植物生氏发育的影响 ( 1 ) 对植物生长的影响 在l _ r i 问或植物生长室中的实验都说明，u v - b 辐射增强使植物叶面积减小。 有人对人工模拟培养箱内的7 0 种作物进行研究发现，其中6 0 作物叶面积减小， 减小量达6 0 7 0 ( 冯虎元等，2 0 0 1 ) 。u v - b 辐射对叶面积的影响受其它环境 因素的影响。例如大豆在灌溉条件下，u v - b 辐射处理的叶面积显著减小，而在 干旱条件下，则减小不明显。 大量试验表明，高剂量的u v - b 辐射使植物矮化，主要原因是u v - b 使植物 体内的吲哚乙酸( i a a ) 光氧化而失去活性，形成光氧化产物如3 一甲基氧吲哚， 从而抑制植物节间伸长( t e v i n i 等，1 9 8 1 ；t e r a m u r a 等，1 9 8 6 ) 。其矮化程度随作物 种类、品种及不同生育期而不同，日紫外辐射程度越强，对植物的影响越大。 l o n g 等( 1 9 8 8 ) 发现菠菜活跃e 氏期间，u v - b 处理使得g a 活性降低。i a a 吸 收u v - b 后，氧化形成光氧化产物，如3 一甲基一2 一羟基吲哚，外施该产物可抑 制植物下胚轴的生长( t e v i n i 等，1 9 8 1 ) 。 ( 2 ) 对植物授粉和开花的影响 被子植物的花药对花粉有保护作用。花药壁可滤除9 8 以上的u v - b 辐射， 但当花粉转入柱头后至萌发的过程中，u v - b 则会对花粉的萌发构成威胁。体外 花粉萌发实验发现，u v - b 对花粉萌发有抑制作用( f l i n t 等，1 9 8 4 ) ，但目前还缺 乏体内的实验来证明u v - b 对花粉萌发的作用。在长同植物天仙子的开花中观察 到u v - b 辐射对其有抑制作用，但在矮牵牛、玉米雄花和高梁的开花中未观察到 u v - b 对其有抑制作用。u v - b 辐射还会引起植物花期的改变，m a r k 等( 1 9 9 6 ) 研 究发现几个欧洲的玉米品种的花期因u v - b 辐射而推迟，但矮牵牛的花期则被 u v - b 辐射提前。u v - b 辐射下灌木造苏( 巧l o m i xf r u t i c o s a ) 的花药提前一月脱 落，欧洲越桔花期和果期也因u v - b 辐射而提前( b j 6 r n 等，1 9 9 7 ) 。 ( 3 ) 对作物产量和品质的影响 u v - b 辐射能引起作物产量和品质下降。由于光合能力下降，大豆和小麦的生 物产量也随之降低。大豆、小麦单株平均生物量分别下降5 3 5 和2 5 5 5 ；籽 华南师范大学硕士奶究生学位论文 粒产量分别下降4 1 7 和2 9 2 ，从实验看，大豆受u v - b 辐射增加的影响较大， 而小麦对u v 辐射增加表现为迟钝。尽管小麦受u v 辐射的强度大于大豆，但小 麦产量下降小于大豆产量的下降( 郑有飞等，1 9 9 6 ) 。t e r a m u r a 等( 1 9 8 6 ) 连续6 年观察了u v - b 对大豆生长发育及产量的影响，发现大豆对u v - b 辐射最敏感时 期是从营养生长转向生殖生长阶段。研究还表明，植物对于u v - b 辐射的敏感性 还具有种问、品种间差异。在4 0 个被测定的大豆栽培品种中，4 1 对u v - b 不 敏感，以黄瓜为试材也得到类似结果。以裸子植物为材料发现，在1 0 个种的松 属植物中，u v - b 使3 种株高受到抑制，7 种总于重f 降。 2 u v - b 辐射对植物的生理效应的影响 ( 1 ) 对光合作用的影响 植物的光合作用是植物形态建成和农作物产量形成的基础。u v - b 辐射抑制 许多植物的光合作用已是公认的事实，分析其作用机理也是目前u v - b 辐射生物 效应研究最重要的组成部分之。根据掌握的资料可将u v - b 辐射抑制光合作用 的原因归纳为以下三点：( 1 ) 破坏光反应系统，特别是光系统i i ( p s i i ) 的反 应中心，引起光合电子传递效率下降并导致光合作用的光抑制，以至于叶绿体的 放氧活性下降。其原因可能是u v - b 辐射降低了叶绿素和类胡萝h 素的含量；光 系统反应中一山失活；抑制了光系统i i 的电子传递，使希尔反应活性下降。( 2 ) 光 合作用的关键酶( r u b i s c o ) 的含量和酶的活性下降，c 0 2 羧化能力降低。( 3 ) 增加植物气孔对外界环境变化的敏感程度，导致光合作用能力降低。 ( 2 ) 对呼吸作用的影响 u v - b 辐射对呼吸作用影响的报道较少，并且还存在一些争议。有人认为 u v - b 辐射能促进植物的呼吸作用，b r a n d l e 等( 1 9 7 7 ) 发现经5 小时u v - b 照射 的豌豆，呼吸作用明显提高。t e r a m u r a ( 1 9 8 3 ) 则认为u v - b 不影响大豆的呼吸 作用，并且用几种不同强度的u v - b 处理黑麦( s e c a l e c e r e a l e l ) ，呼吸作用变化没 有比较明显的规律。u v - b 对植物呼吸作用的不同影响可能与u v - b 辐射强度、 植物的种类、植物发育不同阶段及植物细胞中与呼吸作用相关的细胞器和酶的敏 感性有关。 ( 3 ) 对植物蒸腾作用的影响 华南师范大学硕士奶究生学位论文 u v - b 辐射会导致植物蒸腾速率f 降一般认为主要原因是u v - b 通过减少叶 表面气孔的开度，同时抑制根系活力，减少水分吸收，从而导致蒸腾速率的下降。 ( 4 ) 对植物衰老的影响 u v - b 辐射通过损伤膜系统而引起细胞衰老，由此来诱导植物的衰老。经 u v - b 照射的小麦叶片中丙二醛( m d a ) 含量明显上升( j o s h i 等，1 9 9 1 ) 。黄瓜 经u v - b 处理后，植株中丁二胺含量明显上升，多胺能在质膜表面形成一种离子 型结合体，阻止脂质过氧化作用。u v - bf ；0 r l 速叶绿体内膜的破坏，加速叶绿素 和蛋白质的分解。 3 u v - b 辐射对植物物质代谢的影响 ( 1 ) 对植物次生代谢的影响 植物的次生物质代谢具有重要的生态学意义，它决定着各类植物的进化历程 和生态适应性。近年来的研究发现，u v - b 辐射能诱导叶表面吸收紫外线的次生 物质增加，如类黄酮、花青素以及生物碱等，它们常分布在叶的的表皮细胞、叶 蜡和茸毛中，能明显吸收2 8 0 - - 3 1 5 n m 光波范围的紫外线( a w a d a 等，2 0 0 1 ) ，其 合成是植物抗u v - b 辐射的一种适应性反应( a d a p t i v er e s p o n s e ) 。b i e z a 等( 2 0 0 1 ) 发现抗u v - b 突变种显示出增加的类黄酮和酚醛类物质的积累。 ( 2 ) 对植物内源生长调节物质的影响 植物体内，内源激素在代谢、生长和形态建成等植物生理活动的各方面起重 要调= 宵作用。u v - b 辐射增强可使生长素( i a a ) 和赤霉素( g a ) 含量降低( h u a n g 等，1 9 9 7 ) ，而脱落酸( a b a ) 含量则明显上升( l i u d o 等，1 9 7 9 ) 。产生这一现象 可能与u v - b 辐射引起光氧化及过氧化物酶( p o d ) 活性提高而降低了i a a 含 量，u v - b 胁迫下促进类胡萝h 素( c a r ) 光解产生黄质醛并最终形成a b a 有关。 1 a a 和g a 含量的减少，减缓了细胞分裂和伸长，导致植株矮化，叶面积变小， 这可能有利于减少u v - b 辐射面积，从而使植物适应u v - b 辐射环境。a b a 含量 升高，导致叶片气孔关闭和游离脯氨酸的累积进而影响植物生长发育。研究还表 明，u v - b 辐射增强下，乙烯的产生也会加速( 安黎哲等，2 0 0 1 ) 。u v - b 辐射胁 迫引起的各种内源激素的变化必然导致其动态平衡的破坏，通过改变激素平衡调 节植物的某些生理过程，使植物从有利于生长反应向有利于适应周围环境变化的 7 华南师范大学硕士奶究生学位论文 反应转变。 ( 3 ) 对d n a 分子的损伤 核酸在u v - b 辐射波段有较大的吸收，u v - b 辐射对其有破坏作用。因外在 这方面有较多的研究，国内少见报道。研究表明，增加的u v - b 辐射导致植物叶 片核酸含量降低，并认为这是核酸降解速率增加和核酸合成速率降低共同作用的 结果。唐学玺等研究发现u v - b 辐射会加剧蒽对三角褐指藻d n a 的损伤( 唐学 玺，2 0 0 2 ) 。王艳( 2 0 0 1 ) 和李韶山等( 2 0 0 0 a ，2 0 0 0 b ) 研究u v - b 对水稻d n a 中 c p d 的诱导形成及其光、暗修复发现u v - b 辐射后不同品种的水稻d n a 中c p d 累积比对照明显增加，而u v - b 诱导的水稻d n a 中c p d 的清除以光修复为主， 不同品种c p d 暗修复能力相似，而光修复能力存在明显差异。 ( 4 ) 对基因表达的影响 o ，、s 0 2 、u v - b 等逆境胁迫下，一些植物会在一定时间内增强其抗氧化基 因的表达，而这些抗氧化基因主要是编码一些抗氧化酶，如s o d 、c a t 、a p 等。 同时研究还发现，植物在0 3 、s 0 2 、u v - b 等逆境胁迫下其抗氧化系统能力增强 最先主要是表现在c a t 的m r n a 增强，而c u z n - - s o d 和a p 的m r n a 表达上 升要在晚些时间才体现出来( w i l l e k e n s 等，1 9 9 4 ) 。 s t r i d ( 1 9 9 3 ) 研究发现，u v - b 辐射引起s o d ( 包括细胞质c u z n - - s o d 和 线粒体m n - - s o d ) 、参与a s a g s h 循环的a p 的m r n a 水平升高。u v - b 辐射 降低了叶绿体抗氧化防御酶c u z n - - s o d 的m r n a 水平，而且其下降程度与光 合有效辐射( p a r ) 强度有关( s t r i d 等，1 9 9 6 ) 。h i d e m a 等( 2 0 0 0 ) 报道了u v 辐射敏感的n o r i n 1 水稻c p d 光裂解酶失活，并证实该酶活性的丧失是由于酶结 构的改变而不是调节方面的突变。u v - b 辐射会降低编码蛋白质尤其使叶绿体中 参与光合作用的关键蛋白质的m r n a 含量，从而影响植物体内蛋白质的合成和 光合作用的进行( j o r d a n 等，1 9 9 2 ) 。所以，u v - b 辐射可在复制、转录和翻译水 平上影响植物的基因表达。 p a l 和查尔酮合成酶( c h s ) 是类黄酮生物合成的关键酶，u v - b 辐射可诱 导c h s m r n a 积累( 孙振令等，2 0 0 0 ) 。c h a p p e l 等( 1 9 8 4 ) 用莽草酸代谢途径 的主要酶p a l 、4 一香豆酸一c o a 连接酶( 4 c l ) 及c h s 的克隆作探针，发现用 华南师范大学硕士研究生学位论文 u v - b 辐射的欧芹细胞中p a l 的m r n a 在辐射后的4 小时最大，而c h s 的m r n a 在辐射后的6 小时最大。这可能说明u v - b 辐射诱导类黄酮的合成途径是：u v - b 辐射一p a l c h s 一类黄酮。 ( 5 ) 对蛋白质代谢的影响 蛋白质不仅是生物有机体的重要组成部分，而且作为生物催化反应的酶类， 在各种生理功能中起重要作用。蛋白质的最大吸收波长( 2 8 0 n m ) 正好处在u v - b 辐射波长范围内，因此蛋白质本身会受到u v - b 辐射的影响。冯国宁等( 1 9 9 以 菜豆为材料，从蛋白质合成与分解两个方而研究u v - b 辐射对蛋白质及其代谢的 影响，结果表明，u v - b 辐射处理使菜豆叶片中8 8 k d 等大分子量多肽的含量急 剧减少，而使3 5 k d 、3 3 k d 、2 9 k d 、1 0 1 4 k d 等小分子多肽的含量增加。s a n t o s ( 1 9 9 3 ) 认为u v - b 辐射使植物的蛋白质含量减少，有人则认为u v - b 辐射使一 些植物的蛋白质含量增加，而使另一些植物的蛋白质含量减少( t e v i n 等，1 9 8 1 ) 。 蛋白质含量增加可能是芳香族氨基酸合成加强的结果，芳香族氨基酸是黄酮类合 成的前体，而类黄酮物质有利于保护植物免遭u v - b 辐射的伤害。对u v - b 辐射 下蛋白质代谢研究结果的不一致现在有两种的看法：一是认为u v - b 辐射对蛋白 质含量的影响与植物种类有关。另一种观点认为u v - b 辐射下蛋白质代谢的变化 与植物的生长发育阶段有关。u v - b 辐射促进菜豆幼苗叶片中蛋白质的合成，而 降低了蛋白水解酶活性，使可溶性蛋白质含量上升，菜豆生长后期u v - b 辐射使 蛋白质的分解代谢加强，蛋白质含量减少( 冯国宁等，1 9 9 9 ) 。蛋白质代谢的这种 变化可能是植物的一种适应性反应，它有利于植物抵抗增强的u v - b 辐射。 4 u v - b 辐射对植物细胞膜的影响 植物细胞内部是一个由细胞膜和各种细胞器膜连接而成的膜系统，细胞膜系 统是植物细胞与外界进行物质交换和信息交流的屏障，其稳定性是细胞执行正常 生理功能的基础，因此植物适应逆境的能力与生物膜结构功能关系十分密切。一 些实验结果表明u v - b 辐射能够使植物细胞膜的透性发生变化，原因主要有两个 方面：一方面是改变植物细胞膜的酶系统。如启动高等植物细胞膜氧化还原系统 的h + - a t p a s e 工作，排出h + 而改变细胞膜的膜电位及氧自由基( 0 2 一和h 2 0 2 等) ， 使丙二醛( m d a ) 含量升高( 林文雄等，1 9 9 9 ；李海涛等，2 0 0 1 ) ，膜透性增加； 华南师范大学硕士奶究生学位论文 活性氧清除系统- - s o d 、c a t 、p o d 、a p 、脂氧合酶( l o x ) 等活性都会发生 相应的变化( 晏斌等，1 9 9 6 ；黄少白等，1 9 9 8 ) 。另一方面是破坏植物细胞膜的结 构物质。因为u v - b 辐射可能触发导致不饱和脂肪酸的过氧化的链式反应，进而 损害膜脂质中的不饱和脂肪酸。在黄瓜( c u c u m i ss a t i v u s ) 幼苗上的检测结果证 实，u v - b 辐射增强其叶片的细胞膜过氧化程度，降低膜的饱和脂肪酸未饱和脂 肪酸比值( k r a m e r 等，1 9 9 1 ；杨景宏等，2 0 0 0 b ；李韶山等，2 0 0 0 ) 。同时u v - b 还 破坏膜上的蛋白质，使蛋白质色氨酸基团光氧化，引起蛋白质结构发生变化 ( w a l r a n t 等，1 9 7 4 ) 。在u v - b 胁迫下膜结合的酶也是u v - b 伤害的最初对象之， 破坏正常酶的合成与分解之间的平衡。又有研究表明u v - b 可能仅破坏膜上某些 特定的通道，影响植物对p 、z n 等矿质元素的吸收速率，但对整个细胞结构影 响不大( w a l r a n t 等，1 9 7 4 ) 。另外，膜上还可能形成一些保护物质如丁二胺和亚 精胺等( k r a m e r 等，1 9 9 1 ) ，它们能在脂膜表面形成一种离子型的结合体，阻止 膜脂过氧化作用。这可能是植物抗u v - b 辐射的种反应。 5 u v - b 辐射与其它环境因子对植物的共同影响 自然界的生物接受的是环境因子的综合作用，而植物的u v - b 辐射效应也可 能会被其它环境因子所改变，所以，把u v - b 辐射与其它环境因子结合起来研究 它们对植物的共同影响更能反映实际情况。目前这方面的工作近几年才有报道， 主要集中在这儿个方面： ( 1 ) u v - b 辐射与矿质营养 植物在矿质营养缺乏的环境中，会提高对u v - b 辐射的抵抗力。u v - b 辐射 下，氮素亏缺对黄瓜可以起到一定的保护作用( h n u t 等，1 9 9 8 ) 。t e v i n i ( 1 9 9 5 ) 在 欧洲研究了些作物中u v - b 胁迫与氮素收支的关系，在实验中发现当氮含量达 到最高水平时，抗u v - b 辐射的保护色素含量大大降低，但有人研究发现高氮浓 度下u v - b 能促进植物生长以及合成较多的紫外吸收化合物( u v - a b s o r b i n g c o m p o u n d s ) ，而低浓度氮则抑制菜豆生长，减少叶绿素的合成，降低可溶性蛋 白质的含量( c a s a t i 等，1 9 9 9 ) 。这两种不同的结果说明矿质营养与u v - b 辐射相 互作用的机理需要进一步研究。 ( 2 ) u v - b 辐射与重金属污染。 1 0 华南师范大学硕士研究生学位论文 研究表明土壤镉( c d ) 污染会加剧u v - b 辐射对云杉( p i c e aa b i e s ) 的损伤， 针叶同化c 0 2 的速率下降，总叶绿素含量降低( d u b e 等，1 9 9 2 ) 。铜( c u ) 或铅( p b ) 与u v - b 协同作用抑制鱼腥藻的光合作用，从而降低生长速率，增强呼吸速率( r a i 等，1 9 9 6 ) 。但c u 、p b 与u v - b 辐射复合作用比单因子作用对鱼腥藻氮、磷代谢 抑制大( r a i 等，1 9 9 8 ) 。 ( 3 ) u v - b 辐射与臭氧( 0 3 ) 胁迫 对流层臭氧的增加和平流层臭氧减少引起的u v - b 辐射增强两者常阻协同或 叠加作用抑制植物的生长、发育和繁殖。通常，0 ，经气孔进入叶肉细胞，影响 细胞功能，u v - b 则通过表皮层而发挥作用，两者都能诱导自由基或活性氧的产 生以及植物抗氧化系统的增强，从而提高植物的防御功能( w i l l e k e n s 等，1 9 9 4 ) 。 研究表明，在u v - b 作用下，拟南芥的抗氧化酶系统如愈创木酚过氧化酶( g u a i a c o l p e r o x i d a s e ) 和a p 的活性均显著增加，而0 3 熏气则增高s o d 、p o d 、a p 及谷 胱甘肽还原酶( g r ) 的活性。两者协同作用促进c u z n s o d 异构酶( c u z n s o d i s o f o r m s ) 、p o d 和a p 的活性。说明u v - b 首先诱导拟南芥产生与p o d 有关的 酶，0 3 则激活超氧化物歧化酶和抗坏血酸一谷胱甘肽循环，u v - b 和0 3 相互作 用导致活性氧产生和脂质过氧化作用( r a o 等，1 9 9 6 ) 。 ( 4 ) u v - b 辐射与升温 研究认为升温可以补偿u v - b 辐射增强对植物抑制作用，修复u v - b 损伤的 能力增强。在较高温度( 2 2 ) 下u v - b 辐射对豌豆( p i s u ms a t i v u m ) 光合基因 c a b 的m r n a 转录水平的抑制程度较2 v 下的要低( h n u t 等，1 9 9 8 ) 。2 0 下增 强的u v - b 辐射显著抑制黄瓜的叶绿素合成和幼叶生长，2 5 c 下生长的黄瓜受 u v - b 辐射的抑制程度降低，并且2 5 下活性氧清除系统比2 0 。c 下强。目前人们 已经得到了基本一致的结论，即温度升高将加速u v - b 辐射诱导的dn a 损害的 修复。l is h a o s h a n 等( 2 0 0 2 a ，2 0 0 2 b ，2 0 0 4 ) 研究了u v - b 诱导的d n a 损伤的形 成和修复，发现u v - b 诱导环丁烷嘧啶二聚体和( 6 4 ) 光产物的形成和修复都 对具有温度依赖性。 ( 5 ) u v - b 辐射与干旱 水分胁迫会降低臭氧层衰减后u v - b 辐射对植物的负作用。正常水分状况下 1 1 华南师范大学硕士奶究生学位论文 生长的大豆、黄瓜和萝h 对增强的u v - b 辐射较为敏感，而干旱条件下u v - b 辐 射对三者的影向并不明显。可能是由于干旱对叶片中类黄酮合成增加及叶片加厚 能保护u v - b 辐射进入组织减少伤害( s t r i d 等，1 9 9 6 ) 。另有试验表明，在水分充 足条件下，u v - b 辐射增加使得大豆生长、干重及净光合速率都下降，而在干旱 条件下植株对u v - b 的反应都没有表现出来。 ( 6 ) u v - b 辐射与温室效应( c 0 2 倍增) 植物对温室效应的响应或u v - b 单独作用时常表现出促进和抑制两种相反的 趋势，因而有人提出c 0 2 倍增和u v - b 双因子作用相互抵消作用的假说，即浓度 升高的c 0 2 能抵消u v - b 对植物生长的抑制效应( c a l d w e l l 等，1 9 9 4 ) 。这种假说 已在一些研究中得到证实，u v - b 和c 0 2 倍增同时作用下，短叶松、大豆的生物 量积累表现出相互抵消效应( t e r a m u r a 等，1 9 9 0 ；赵广琦等，2 0 0 3 ) 。然而，增强 的u v - b 辐射和c 0 2 浓度升高的复合效应之怕 是否存在相互作用尚无定论。大多 数研究认为在自然生态系统中，二氧化碳浓度增加和u v - b 强度增加的效果可能 不能互相抵消，但将导致种问的竞争平衡改变，并且，从长远来说也会导致生活 在同一生态系统中不同物种多度的变化。 6 u v - b 辐射对植物种群、群落和生态系统的影响 近几年来，在植物群落、生态系统水平开展u v - b 辐射生物效应的研究逐渐 兴起。研究了u v - b 辐射对副极地区石楠灌丛和沙丘草地生态系统的植物种类、 物种结构、种群竞争、食物链、有机物分解的作用，对作物和杂草的相互作用以 及作物和病原真菌的相互作用。c a l d w e l l ( 1 9 9 5 ) 认为u v - b 的增强会导致森林和 草地生态形态的物种组分变化。j o h a n s o n 等( 1 9 9 5 ) 通过泔瑞典北部的一个北极 圈附近地区生态形态的调查发现，u v - b 辐射增强了分解作用。u v - b 直接影响分 解过程，同时也由于改变树叶的化学组分而间接影响分解作用。矮小灌木由于 u v - b 的增强而减少年增长量，常绿较落叶树更为明显。灌木的叶片厚度也由于 u v - b 而产生变化，常绿树的叶片较厚，落叶树的叶片较薄。u v - b 辐射改变陆地 植物问竞争并由此导致种群、群落的结构发生变化( r u n e c k l e s 等，1 9 9 4 ) ；抑制海 洋上层藻类的光合作用，影响海洋生态系统的初级生产力和碳循环( b e h r e n f e l d 等， 1 9 9 4 ) 。 华南师范大学硕士奶究生学位论文 近些年，虽然u v - b 辐射对群体、生态系统影响方面的研究进展没有大的突 破，但研究的范围和内容都有所扩大，重视了对自然植物群体和生态系统影响的 研究，出现了可喜的发展趋势( h a d e r , 2 0 0 0 ) 。 综上所述，植物对u v - b 辐射增强的响应及其机制已有较广泛的研究，从植 物形态结构、细胞结构、光合与呼吸作用、细胞保护酶和抗氧化系统、内源激素、 紫外接受蛋白、信号及其调控以及u v - b 与其它环境因子的交互作用等方面开展 了大量研究，取得了一些很有参考价值的成果，但目前u v - b 辐射对植物的效应 研究仍存在以下的问题：( 1 ) u v - b 辐射对植物生理生化影响的研究多集中在光合 作用和生长发育方面，其它方面的研究则很少。( 2 ) 有关生态学的研究多集中在 适应性方面，研究的尺度多为紫外辐射单一因子或紫外辐射与另一因子的结合作 用，这与自然界的实际情况存在着很大的距离，研究u v - b 辐射对自然生态系统 的影响更具重要意义。( 3 ) 就其研究结果而言，现在仍存在许多不一致的，还有 待进一步的研究探讨。( 4 ) 已有的研究较多是以草本植物尤其是农作物为对象， 而对木本植物和水生植物的研究不多。 根据目前研究现状和有关报告，u v - b 辐射影响研究的未来趋势是：( 1 ) 在陆 生植物方面，继续进行控制条件下的试验，同时增加户外试验的次数；确定u v - b 对自然生态系统的影响：研究u v - b 对低等植物如苔藓、真菌和蕨类植物生长和 繁殖周期的影响；进一步开展研究植物受过量u v - b 辐射的胁迫作用、竞争平衡 情况等的变化。( 2 ) 在水生生态系统方面，研究水生植物和微生物受到的胁迫及 其对渔业和水生生态系统的影响；获得u v - b 增强产生破坏的机制和可能的适应 范围的试验资料；建立过量u v - b 辐射、c 0 2 浓度增加、温度升高影响下生物量减 少的三维模式等。 本研究以淡水生态系统中重要的初级生产者高等单子叶水生植物紫萍为 材料，研究u v - b 辐射对紫萍生理生化及细胞超微结构的影响，探讨植物对u v - b 辐射的生理生化响应和生态适应性，为同类研究提供参考，并为后续分子水平的 研究奠定基础。 华南师范大学硕士奶究生学位论文 二、材料和方法 1 实验材料 紫萍( s p i r o d e l a p o l y r h i z a ) ，单子叶植物纲，浮萍科，紫萍属。叶状体扁平， 阔倒卵形，长5 - 8 毫米，前端钝圆，表面绿色，背面紫色，具掌状脉5 1 1 条， 背面中央生5 1 1 条根，根长3 - 5 厘米，白绿色；根基附近的一侧囊内形成圆形 新芽，萌发后，幼小叶状体渐从囊内浮出，由一细弱的柄与母体相连。花序有2 个雄花和1 个雌花。 本实验以紫萍为材料。采用溶液培养的方法，把紫萍培养在含1 0 0 0 m l 培养 液的塑料盆中，每4 天更换一次培养液。培养液配方参见石江华( 2 0 0 3 ) 。 2 u v - b 光源及u v - b 处理 u v - b 光源( q - p a n e l 紫外光管u v 一3 1 3 ，l a r g o ，g o t h e n b u r g ，s w e d e n ) ， 滤膜( c e l l u l o s ed i a c e t a t e 膜，s w e d e n ) 。处理组在自然光照条件下附加u v - b 辐 射，处理时问为8 ：0 0 至1 6 ：0 0 ，每天处理8 小时；对照组在自然光照条件卜 培养，不进行附加u v - b 辐射。辐射强度用i l l 4 0 0 型u v - b 辐射测量仪( u v - b r a d i o m e t e r 美国i n t e r n a t i o n a ll i g h t 公司产品) 测量，u v - b 强度为2 8 0 w m 2 。 3 实验方法 3 1 活性氧代谢指标的测定 ( 1 ) 丙二醛( m d a ) 含量的测