（细胞生物学专业论文）库拉索芦荟对增强uvb辐射的响应.pdf

摘要 本文以芦荟属植物库拉索芦荟( 爿，d ev p ，dl ) 为研究对象，在获得自然光源的同时用 波长为3 0 8 n m 的u v b 辐射灯照射，以增强u v b 辐射。然后，运用植物化学、高效液相色 谱技术等方法测定了u v b 辐射对库拉索芦荟叶片生理生化的影响。应用常规石蜡切片、 荧光显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等方法，观察u v b 辐射对芦荟叶细胞显 微结构和超微结构的影响。研究结果显示，增强u v b 辐射处理后的芦荟叶绿素a 和胡萝 h 素的含量略有增加，分别为o 0 8 和1 8 ，叶绿素b 降低了o 0 6 ，数理统计结果显示 增强u v b 辐射对叶绿素含量的影响没有显著性差异；幼叶、成熟叶和老叶三个叶龄的可 溶性糖含量分别降低了1 7 、1 5 4 和3 1 9 ；而芦荟大黄素含量和蛋白质含量都有所升 高。在荧光显微镜下，看到具有散发荧光性质的慧醌类物质分布在芦荟叶的表皮和维管束。 在扫描电子显微镜下看到芦荟叶表面覆盖着层厚厚的角质层，u v b 辐射处理后，气孔 开度减小，气孔器周围的蜡质明显增多，芦荟叶表皮变厚。透射电子显微镜观察结果表明， 经u v b 辐射处理后最明显的一个变化是内膜系统不仅没有受到破坏，反而特别发达，高 尔基体分泌活动旺盛，内质网发达，类囊体膜片层数目增加。据此，作者分析，在增强 u v b 辐射条件下，库拉索芦荟叶绿素含量降低不明显、生长发育正常，证明库拉索芦荟 属于紫外线迟钝型植物。库拉索芦荟之所以抗u v b 辐射，一方面因为其叶表面有很厚的 角质层，使进入植物体组织内部的紫外线量减少；另一方面是因为芦荟叶中含有芦荟大黄 素等蒽醌类物质，这类物质能吸收部分紫外线，从而保护植物组织和细胞免受紫外线伤害。 研究结果有助于了解植物在结构、生理上适应u v - b 辐射的机理，为针对同益增强的u v b 辐射采取有效保护对策提供理论依据。 关键词：芦荟：紫外线b ； 叶；结构；适应机理 i i a b s t r a c t 爿如ew ，口l w a ss u p p l i e d 谢血e l l l l a n c e du v - br a d i a t i o nb yt l l eu v br a d i a t i o nl a m p w h i c hg “eo f rm es p e c 仃啪o f3 0 8 l l t l lb e s i d e st h es u i l sr a y1 1 1 em e m o d so fp l 肌tc h e m i s 郇 a n dm et e c h n o l o g yo fh p l cw e r eu s e dt 0i n v e s 姆l t em ep h y s i o l o 西c a la 1 1 d b i o c h e m i c a li m p a c t o nm e 口如pl e a v e so fm ee n l 瑚c e du v _ br a d i a t i o n t h ec i 脚1 9 e so fm i c m s t r u c t u r ea n d l l l t m s t m c t u r co f 咖gl 船fu i l d e re i l h a l l c e du v - br a d i a t i o n ( 18 k j m 之d 1 ) w e r ed e t e c t e db yt h e r e g u l a rp a r 炳nm e t l l o d ， n u o r e s c e n c e1 i l i c r o s c o p y ， s c a i l i l i l l g e l e c t r o n m i c m s c o p y a 1 1 d t r a n s m i s s i o ne l e c 订o nm i c r o s c o p y t h er e s u l t ss h o w e dt h a t 也ec o n t e n to fc h l o r o p h y l laa n d c 抓t i n o i di nt h et r e a t e dg r o u pt 1 1 a tw a s0 0 8 a 1 1 d1 8 r e s p e c t i v c l y ，w h n et i l ec o n t e i l to f c h l o m p h y l lbd e c r e a s e d0 0 6 a 耐m a m e m a 廿c a l s t a t i s t i c ss h o w e dt h a tm e r ew a sn o s i g n i f i c 姐te 疵c t s oo nm ew h o k m ec o n t e n to fc 1 1 l o r o p h y l lk 印ts 诅b i l i z a t i o n 1 1 1 es o l u b l e p 0 1 y s a c c h a r i d ed e c r c a s e da1 i m e o nm e o t l l e rh 锄dt 1 1 ec o n 懒呲o fa l o e e m o d i na n dm es 0 1 u b l e p r o t e i ni r l c r e a s e ds l i g h t l yu d e rm ef l u o r e s c e n c em i c r o s c o p e ，t h ea i l t h r a q u i n o n e 谢t h 也e c i l a m c t e ro fg i v i n go f rn u o r e s c e n c ew 嬲d i s 埘b u t e di nt l l ee p i d e 廿n a la i l dt h ev a s c u l a rb 岫d l e a c c o r d n gt ot h ep h o t o st a k e i lb ys c 锄i n ge l e c 仃m cm i c r o s c o p e ，也e r ew a s at h i c k1 a y e ro f c u t i c l eo n l el e a fs u r f a c e ，i tw a so b v i o u st 1 1 a tt i l ew a ) ( s u h d u n d i n gm es t o m ai n c r e a s c da n dt l l e 印i d e m l a lg o tt h i c k e ro f 日z d p 仃c a t c d 砸t 1 1e n l 幽c e du v _ br a d i a t i o n ，、v h i c hd e c r c a s e dt h e a m o u n to fl i g h ti n c ot h ei n n e rt i s s u eo f 口f o 廿c o m p a r e d 、i m 也ec o n t r o lg r o u p ，t h em o s t r e m a r k a b l ec h a n g eo fa l l t h er e s u l t so f t h et r a n s l t l i s s i o ne l e c t r i m i cm i c r o s c o p ei nd 肠已l e a f w a s t l l e 、e l ld e v e l o p e dm e m b 舢es y s t e m ：t l ea c t i v eg o l g ic o m p l e x ，t h ep m s p e r o u se n d o p l a s m i c r e t i c u l 哪a n d 也e m c r e 龉e dn 啪b e ro f t h e t l l y l a l 【o i dm e m b r a n el a y e lb 惦e d o nt 王l e 岛c tt l l a ft 1 1 e i c h l o r o p h y l lc o m e n td e c r e a s e ds l i g h t l ya 1 1 dt h eg r o w c l la sw e l la st h ed “e l o p m e m w a sn a r m a l ， w ec o n s i d e r e d 口如pa sat o l e r a i l tt y p et oe n h 锄c e du 、l br a d i a t i o n t w oc h a r a c t e r so f 口z o p c o n t i b u t 司t ot h ec a p a b i l i t yo ft o l e f a l l tt oe n h a l l c e du v - bf a d i a t i o n ，o n ew a st h et h t c kl a y e ro f c u t i c l ew h i c hp r c v e n tp a r to fu v - br a d i a t i o np e n e t m t i n gi n t ot l l em e s o p h y l lt i s s u e ，t | l eo t h c r w a st 1 1 ea i l t l l r a q u i o n es u c ha sa l o e e m o d i nw i l i c hw o r k e da su v br a d i a t i o na b s o r b e n tm a t e r i a l 柚dc o n s c q u e n t l yw e a l 【e nt h ei m p a i rt ot h ep l a n tt i s s u ea 1 1 dc e l l t h er e s u l t sw a sh e l p m lt o i n v e s t i g a t et h ea d a p t i v em e c h a l l i s mo fp l 卸ts t r u c t u r e l y 锄dp h y s i o l o g i c a l l ya i l dc o u l do 饪- e r e d t h et h e o r yb a s e st ot a k et i l ee 髓c t i v es t 印st op r o t e c tt h ep l a n t 舶me n h a n c e du v - br a d i a t i o n g r a d u a l l y k e yw o r d s ：疗，d p ；u v _ br a d i a t i o n ；l e a fs t r u c t u r e ；a d a p t i v em e c l 珀n i s m 缩写与简称 a b aa b s c i s i ca c i d 脱落酸 a pa s c o r b i ca c i dp e r o x i d a s e 抗坏血酸过氧化物酶 a s aa s c o r b i ca c i d 抗坏血酸 c a rc 锄f o t c n o i d 类胡萝h 素 c a tc 砌a s e 过氧化氢酶 c h l a c h l o r o p h y l la 叶绿素a c h l b c h l o r o p h y ub 叶绿素b c h sd l a k o n es y n m a s e 查尔酮合成酶 d n a d e o x 河b o n u c l e j ca c j d脱氧核糖核酸 g r g i u l a t h i o r l cr e d l l c t a s e 谷胱甘肽还原酶 g s h r e d u c e dg l u “删o n e还原型谷胱甘肽 g s s h o x i d i z e dg l u t a t h i o n e氧化型谷胱甘肽 h p l c h i g l le 艏c i e n c yl i q l l i dc h m m a t o g r a p h y高效液相色谱 i a a i n d o l e a c e d ca c i d吲哚乙酸 p a l p h e i l y l a l a n i n ea i 姗o n i a l y 骶e 苯丙氨酸解氨酶 p a r p h o t o s y n t h e s i sa c t i v em d i a t i o n 光合有效辐射 p o d p e r o x i d 弱e 过氧化物酶 p s i i p h o t o s y s t 咖i i 光系统i i r n a r i b o 咖c l e i c a c i d 核糖核酸 r u b p 1 ，5 一r i b u l o s ed i p h o s p h a t e 1 ，5 一二磷酸核酮糖 s e m 、 s c 卸m n gd e c t r o n i cm i c t o s c o p e 扫描电子显微镜 s o d s u p e r o x i d ed i s m u t a s e 超氧化物歧化酶 t e mt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e透射电子显微镜 u v b u l 仃a v i o l e t b紫外线一b v e a - t o c o p h e n o l n 一生育酚 前言 1 前言 山于人类的活动产生了大量的氟氯烃、氮氧化物及其它化学物质，导致大气臭氧层减 薄，使到达地球表面的紫外线增加，这已经成为全球性的环境问题之一。当前，引起人们 普遍关注的地球大气化学组成中，除了引起全球变暖的c 0 2 气体之外，另一类物质便是 氟氯烃类化台物。1 9 2 8 年，人类发明了氟氯烃类化合物，并将其广泛应用于喷雾器、泡 沫、制冷、溶剂和灭火器等工业中。随着现代工业的发展，大气中氟氯烃类浓度逐年增加。 据世界气象组织报告，大气中氟氯烃类浓度的年增率为7 【1 。当氟氯烃类化合物被排放 到平流层的顶部时，会被光降解而释放出氯原予，这些氯原子可以催化臭氧分子转化为氧 分子，消耗对地表环境具有保护作用的臭氧层口】。卫星观测资料表明，自2 0 世纪7 0 年代 以来，全球奥氧总量明姓减少，1 9 7 9 年一1 9 9 0 年，全球臭氧总量大致下降了3 。南极 附近的减少尤为严重，臭氧量低于全球平均值的3 0 4 0 ，出现了“南极臭氧洞”n4 j 。 1 9 9 4 年到1 9 9 6 年南极臭氧洞还在扩大，最近从安装在俄罗斯和美国卫星上的探测器发回 的数据获悉，“南极良氧洞”面积己达2 4 0 0 平方公罩，最薄处只有1 0 0 多布森椎位 ( 1 0 0 d o b n ，桐当于1 毫米厚度) 口j 。尽管破坏臭氧层的氟氯烃类化台物扫# 放量减少， 但是平流层中臭氧浓度仍呈下降趋势2 0 1 0 一2 0 1 9 年北半球臭氧层的减少将达到最大 值，科学家预计到2 0 5 0 年，臭氧层爿会恢复到1 9 8 0 年的水平【6 j 。 奥氧层对太阳中的紫外线有较强吸收作用，从而保护地球表面的生物免于来自太阳紫 外线辐射的侵害。根据太阳紫外线辐射的生物效虚和波长不同，将其分为三类。u v - c ， 波长为2 0 0 2 8 0 m ，属于超强效应波段u v _ c 对生命有极强的杀伤力，所幸的是臭氧层 对u v - c 有很强的吸收，即使平流层臭氧浓度减少到现在的1 0 ，仍能吸收f 1 光中几乎全 部的u v - c f ”。因此，平流层臭氧浓度1 硪少对于到达地球表面的u v - c 辐射量没有显著的 影响。u v - a ，波长为3 2 0 - 4 0 0 n m ，属于弱效应波段，对生物的辐射效应较弱。由于u u a 的穿透能力很强，太阳中的u v _ a 都能到达地球表面，因此，平流层臭氧浓度减少对于到 达地球表面的u v - a 的辐射量及其对生物的影响没有明显变化。u v - b ，波长为2 8 0 一3 2 0 m ， 属于强效应波段，为生物有效辐射。平流层臭氧能吸收9 0 的u v b 辐射，从而保护地表 生物免于来自太阳的u v - b 辐射的侵害。由于平流层臭氧是日光中u v - b 辐射的主要衰减 器，臭氧减少的一个直接后果是使到达地表的u v - b 辐射明显增强，据报道，大气中的臭 器，臭氧减少的一个直接后果是使到达地表的u v - b 辐射明显增强，据报道，大气中的臭 1 前言 氧量每减少l ，到达地面的紫外线量增加2 【8 ，9 1 。超剂量的u v b 辐射对人类健康、动 植物生长、地球生态、物质循环、材料以及对流层大气组成和空气质量等造成严重的影响 川。 因此，关于地表u v b 辐射增强的生物学效应的研究，是近年来国际上研究的热点 之一，迄今已有大量关于u v - b 辐射对植物影响的研究报道 1 棚。 1 1u v b 辐射对植物生长发育的影响 1 1 1 增强u v _ b 辐射对植物形态的影响 植物的形态在一定程度上影响着植物对u v - b 辐射的敏感性。增强的u u b 辐射减 缓主茎和侧枝伸长速度，使植物节间缩短，植株矮化，聚生成丛状，这样有利于上层叶和 外部叶对下层叶及内部叶的保护1 7 2 0 】。进一步的实验结果表明，增强的u v _ b 辐射导致的 节问缩短是由于细胞数目的减少，而不是细胞长度的变短【2 1 1 。在大田和温室不同的栽培 条件下的实验表明，u v b 辐射使大多数植物表现出叶面积减小、叶片增厚2 甜、叶面积指 数降低等形态变化2 3 1 。植物体在增强u v - b 辐射的作用下叶片发生褐变现象，甚至出现萎 黄病以及局部组织的坏死1 2 4 ，2 蚋。z i s k a 等的研究表明，增强u v - b 辐射会导致植物器官生 长不均匀、根冠比改变、顶端优势解除【2 6 1 。植株形态上的变化推迟了小麦群体的物候期， 同时，增强u v b 辐射使分蘖数降低，死苗数增加，第一叶面积、叶面积指数、株高降低， 这导致总生物量、谷物产量和谷粒品质改变【1 9 2 3 ，2 w 。 总之，增强u v - b 辐射对多数植物的形态变化呈不良影响，但是叶片的比表面积、厚 度，植物的株高、冠形等受增强u v - b 辐射的影响是有限的，影响程度因植物的品种，不 同的生长条件而异。 1 1 2 增强u v _ b 辐射对植物结构的影响 增强的u v b 辐射还引起了叶解剖结构的改变，叶片光学结构的改变使透过叶表皮的 入射光量发生变化，从而影响光合作用的进行。处于不同成长阶段的叶片对进入到植物体 内入射光总量的调节作用有一定的差异，实验表明，幼叶时期可以反射3 6 的入射光， 成熟叶可以反射1 0 4 0 口8 。3 0 】。如果在反射量不变的条件下，增加u v - b 辐射将会有更多 的光透过表皮渗透到叶肉组织。不同的植物采取不同的应对方法，通常通过增加叶片厚度 来减少u v b 辐射对内部组织的损伤瞄1 ，3 引。根据b o m m a i l 和v o g e l m a l l l l 报道，增强u v - b 辐射使所珊s 把口衄郴份f r 括叶片厚度增加4 5 【3 3 1 。i s a b e l 用增强u v - b 辐射处理马铃薯结 l 前言 果显示，经u v - b 照射后的叶片厚度为2 3 2 5 1 3 0 帅，对照组为1 9 2 5 1 5 5 ，增加 了2 0 。增强的u v - b 辐射使有些植物的叶片变薄，k a k a i l i 发现处理后的棉花叶片变薄， 而栅栏组织的细胞层数却有一定数目的增加1 3 5 l 。细胞数量的增加使细胞壁的总表面积增 加，这可以阻止部分有害u v b 辐射到达叶肉组织。叶面积的减少也是增强u v - b 引起的 重要生理效应之一，t e v i n i 认为叶面积的减少是由细胞体积的变小或者叶结构的变化引起 的f 3 6 】，进一步的实验表明，u v b 辐射促进细胞分裂的作用大于对细胞生长的作用【3 7 ，3 引。 u v b 辐射不仅改变着植物的解剖结构，同时也对植物的超微结构有一定的影响。 1 5 1 6 k j m - 2d _ i 的u v - b 辐射使叶绿体类囊体的片层结构及叶绿体膜受到破坏眦4 0 1 。b r i t z 所做实验的超微结构照片显示，增强的u v - b 辐射使黄瓜淀粉粒的积累增加【4 ”，从 肼d ，f c 口”印淞的超微结构照片也可以看出，维管束细胞叶绿体经u v m 照射后的淀粉粒 含量高于对照 4 0 l 。研究还发现有些植物的韧皮部维管束细胞数量减少、直径变小，气孔 密度降低1 4 “。 1 1 3 增强u v 喝辐射对植物生物量积累的影响 u v _ b 辐射的增加会影响一些植物的生产力。根据对2 3 种农作物1 8 年的跟踪研究发 现，6 0 的受试品种生物量的干重减少，3 5 变化不大，5 的农作物干重增加l ，这可 能与作物的品种、不同的生态型、u v - b 辐射的强度、队r ：u v - a ：u v b 的比例以及生 长条件( 大田或者温室、栽培条件、营养状况以及温度湿度等) 等因素有关。m a z z a 等曾 报道增强u v - b 辐射降低温带地区大麦生物量积累的速率和产量，产量的降低是由于增强 的u v _ b 辐射抑制植物的生长发育，如：植物叶片伸展面积的减少，幼苗期总生物量的积 累缓慢【4 3 】。尽管多数报道显示，增强u v - b 辐射会降低植物的生产力，但是也有个别学 者的研究结果与之相反，他们发现，在自然条件下生长的植物幼苗，它们植株的高度以及 枝条和根的生物量积累并没有受到增强u v _ b 辐射的影响。z h a o 等用剂量为8 k j m 。的 u v - b 照射棉花，发现生物量的积累没有变化，而当剂量为1 5 k j i n _ 2 时，生物量的积累减 少了6 9 【删。冯虎元等对1 0 个大豆品种进行增强的u v - b 辐射的实验表明，在田问条件 下，l o 个品种都非常敏感，多数大豆品种由于物候期发生改变，光合作用色素和类胡萝 h 素含量降低等因素的综合作用，使根茎叶生物量、总叶面积和总叶片数减少，株高和产 量降低4 5 1 。同时，增强u v - b 辐射对同一株植物生物量积累的影响还存在器官的差异性， 对于植物干物质分配，在双子叶植物中，较多的被分配到叶，而较少进入到茎和根。 1 1 4 增强u v _ b 辐射对农作物产量的影响 1 前言 由于研究者选用的实验材料物种各异，植物的栽培条件不同以及所采取增强u v - b 辐射的波长、强度不一致，因此，在评价增强u v - b 辐射对农作物产量的影响时，得出的 结论也不尽相同。t c r a m u m 对1 6 个水稻品种进行增强u v _ b 辐射处理，发现其中有1 3 个品种的穗数减少，9 个品种的穗重降低【4 6 】。对大田条件下6 种作物的研究发现，u v - b 辐射强度增加l o ，作物产影响不大，增加4 0 时则引起作物减产。u v - b 辐射显著降 低大豆的豆荚数，但其粒数和粒重的降低在统计学上不显著【4 “。m a r k 等报道了中欧和南 欧的8 个玉米品种的产量因u 、，- b 辐射而降低【4 8 1 。作物产量与授粉状况密切相关，u v - b 辐射可能通过植物的开花过程及受精作用而影响作物的产量。t e v i n i 在对长f 1 植物天仙子 的丌花实验中观察到，被子植物的花药壁可滤除9 8 以上的u v _ b 辐射，但当花粉转入柱 头后直至萌发的过程中，u v - b 辐射则抑制花粉的萌发而影响受精作用j 。t 0 r a b j n e j a d 对 3 4 种植物的研究发现u v b 辐射影响植物的减数分裂过程，花粉的生成受到抑制，另外 还阻止受精过程中花粉管的生长p o 】。 增强u v - b 辐射对农作物产量的影响是生物和非生物因素与u v - b 辐射共同作用的结 果，叶绿素含量的下降、光合作用的抑制、叶面积的减少、物候期的推迟以及种间竞争平 衡的改变都会导致农作物产量的下降。 1 2 增强u v b 辐射对植物生理生化特征的影响 1 2 1 增强u v _ b 辐射对植物大分子的影响 u v b 辐射强度增加的宏观表现是植物生长状况的改变，这些变化的根本原因在于 植物体内化学组成的变化引j ，光合作用过程酶活性受到抑制，色素组成改变【5 引，抗氧 化基因的表达被诱导5 孤，膜系统脂质的组成、酶的含量也会发生改变】。植物细胞中 的蛋白质、核酸、脂类以及色素等都是u v m 辐射作用的靶位点嶂”。u v - b 辐射可以产 生多种d n a 产物【5 6 l ，其中主要的生物化学效应是使同一条链上相邻的两个嘧啶碱基以 共价键形成嘧啶二聚体，环丁烷嘧啶二聚体( c y c l o b u t a n e p 蜘m i d i n ed i m e r s ，c p d s ) 和6 4 光产物( p y r i m i d i n e 6 4p 蜘m i d i n o n cp h o t o p m d u c t s ，6 4 p p s ) ，如t t 、t c 、c c 二聚体等 1 5 7 ，掘。d n a 分子中一旦形成二聚体，d n a 双链问的氢键和双螺旋结构就会受到破坏， d n a 复制、转录则不能正常进行【删。u v - b 辐射还可以引起d n a 蛋白的交连，d n a 链的断裂，碱基对的插入、缺失等【删。u v - b 辐射通过对氨基酸侧链的修饰或破坏作用， 4 l 前言 引起蛋白质和酶的失活【6 1 】。微管蛋白含有大量的芳香族氨基酸侧链，这些含有苯环以 其它共轭集团的氨基酸在u v - b 波段又强烈的吸收，因此对紫外线比较敏感，微管蛋白 的破坏影响植物形态的建成、体内物质运输、细胞分裂等生理功能衅i 。单( m g d g ) 、双 半乳糖基甘油二酯( d g d g ) 是组成叶绿体膜的成分，m g d g 、d g d g 的不饱和双键是维 持膜流动性的所必需的，同时m g d g d g d g 的比例也影响着膜的稳定性，这些脂类的 不饱和双键吸收u v - b 辐射，引起了膜结构破坏1 6 ”。 1 2 2 增强u v - b 辐射对植物光合作用的影响 植物的光合作用是物质形成的基础，u v b 辐射对光合系统的作用影响直接影响着植 物的形态建成和生物量的积累，对光合作用的影响，主要是破坏光合作用的场所，如p s i i 。多数研究结果表明，u v b 辐射使植物体内叶绿素含量下降、叶绿体的超微结构破坏、 光合色素降解，从而导致光合速率下降。有研究结果表明，增强u v - b 辐射引起的p s1 i 反应中心的破坏，d 1 蛋白的降解，使电子传递受阻，叶绿素因吸收光而激发的高能电子 传递不出去，积累的能量使叶绿素的卟琳环发生光氧化一开环，导致光合作用的光抑制， 致使叶绿体放氧活性下降f 删。增强u v _ b 辐射破坏的主要对象是光合色素( p h o t o s ”t l c t i c p i g m e n t s ) ，在较低的光合有效辐射下，如果给予较强的u v 毋辐射，叶绿素浓度明显降低， 而且叶绿素a 比叶绿素b 更易受到破坏。o k a d am 等认为一定强度的u v b 辐射使r u b p 羧化酶的肽链结构破坏，使羧化率下降，同时增强的u v b 辐射降低r u b p 羧化酶基因的 转录水平【6 5 卅l 。r l l b p 羧化酶是卡尔文循环( c a l v i nc y c l e ) 的关键酶，它受到破坏，就阻碍 了该循环的进行，电子传递受阻和a t p 合成酶的破坏，降低了同化力( a t p 和n a d p h ) 的 形成。z h a n g 的实验证实，增强的u v _ b 辐射使a t p 酶的数量和活性均降低，a t p 酶 的破坏会导致各种耗能生理活动 如离子过膜) 受到抑制。u v i b 辐射对光合作用的影响最 终使生物量的积累和农作物产量下发生改变。 1 2 3 增强u v b 辐射对植物生长调节物质的影响 增强u v b 辐射可以引起内源激素的变化，从而影响植物的生长、发育以及繁殖等生 命活动。l i n d o 发现a b a 在紫外波长的范围内有强烈的吸收，光下很容易被降解失活， u v b 辐射引起了植物体内a b a 水平的下降。杨景宏等用增强u v - b 辐射处理小麦却 发现，小麦叶片内源脱落酸( a b a ) 含量增高7 0 1 。安黎哲的实验结果表明，增强u v - b l 前言 辐射处理后的番茄叶片，乙烯产生加速【1 3 】。r o s 发现增强的u v b 辐射使向r 葵中i a a 的含量下降，并认为队a 的降解是光氧化作用产生的【7 l 】。m a r k 和t e v i n i 认为，t f 是由于 f a a 的减少阻止了茎的伸长f 4 3 j 。植物激素调节和胁迫适应的关系是一个很复杂的问题， 增强u v b 辐射与植物激素调节的关系有待进一步的研究。 1 2 4 增强u v - b 辐射对植物膜系统的影响 膜系统是增强u v - b 辐射对植物伤害的重要靶位点之一，增强u v - b 辐射对膜系统的 伤害主要表现在破坏膜蛋白、色素蛋白复合体【7 2 j ，并诱导毒性氧自由基的产生【7 3 _ 7 ”。氧 自由基攻击叶绿体类囊体膜中的不饱和脂肪酸，不饱和脂肪酸发生超氧化，膜的流动性和 稳定性降低，导致物质的泄漏，从而影响光合磷酸化、矿质营养吸收等生理作用【7 6 】。另 外毒性氧自由基也会破坏由微管和微丝组成的细胞骨架，阻碍细胞分裂。s o d 、p o d 和 c a t 是抗氧化酶系统的几个关键酶，氧自由基在s o d 的催化作用下被氧化成h 2 0 2 ，接着 在过氧化氢酶的催化下转变成无毒的水和氧气。这几种酶活性的增加使过量的毒性氧自由 基的清除加速，防止膜脂的过氧化，从而保持膜系统的完整性。有实验表明马铃薯经增强 的u v - b 辐射处理后，s o d 活性显著增加【7 7 1 ，而向同葵的s o d 和c a t 活性均提高口鄙。 1 1 3 增强u v _ b 辐射与其它因素的协同作用对植物的影响 自然的生存条件下，植物在适应增强u v b 辐射的同时还面临着其它环境条件的变 化，比如，高温、干旱、营养缺乏等，近年来，关于增强u v - b 辐射和其它因子对植物的 复合效应的研究日渐增多【7 9 】。研究干旱、高温、水胁迫、盐胁迫、营养缺乏以及病虫害 等环境因素在植物适应u v b 辐射过程中的作用，由于实验条件不同，结果也大相径庭。 其中主要是因为植物对u v b 辐射的敏感程度和对其它生态因子( 如水分、矿质、温度等) 的需求存在种间差异。在干旱和u v b 辐射的共胁迫实验中发现，u v b 辐射对植物生理 和生化的影响远大于干旱的作用【8 0 1 。也有实验结果证实，同时提高c 0 2 和u v - b 辐射的 剂量可以增加白三叶草的生物量，并促进它的开花哺”。m a r k 认为在植物适宜的生长温度 下，升高一定的温度有利于提高植物体抗紫外线的能力 4 8 】。较强的光合有效辐射( p a r ) 能 够降低大豆对u v - b 辐射的敏感性，即较高的p a r i i b 辐射比例关系利于植物适应增强 u v - b 辐射【8 2 j 。对2 3 个大豆品种的研究表明，植物在温室中对u v b 辐射的敏感度大于 m 问的情况【8 3 】，这说明变化着的光照、温度、湿度等条件对植物适应u v b 辐射有利。增 6 1 前言 强的u v - b 辐射引起植物体表防御性物质的增加、角质层厚度的变化以及植物碳水化合物 含量的变化均能够改变昆虫或真菌对植物的行为。 1 4 植物对增强u v b 辐射的适应性 植物需要利用太阳光进行光合作用，不可避免的要受到来自太阳光的u v - b 辐射的伤 害，因而在长期进化的过程中形成了一套适应机制。植物能否在u v - b 辐射强度高的环境 中存活下来，取决于植物对环境的适应性以及对这种伤害的自我修复能力，植物主要通过 以下几种途径避免增强的u v - b 辐射对机体的伤害。 1 4 1 表皮及其附属结构的反射作用 表皮是植物体抵御外来侵害的第一道屏障【8 5 t 蚓，增强u v _ b 辐射要对植物产生影响， 首先必须穿透植物叶片的外层组织才能作用于敏感目标。表皮上经常覆盖着一层表皮毛或 角质，可以增加表皮对有害光线的散射和反射。表皮解剖结构变化，如表皮细胞变短或细 胞体积变小、上表皮蜡质的增厚均有可能降低u v - b 辐射的穿透率，减少u v b 辐射抵达敏 感目标的量。h 0 1 m e s 的研究发现，桉树叶表面的角质层可以反射1 0 3 0 的入射光【s 7 l 。 1 4 2 类黄酮类物质抗u 、- b 辐射的机理 在诸多研究增强u v - b 辐射对植物影响的结果中，有两个比较明显的共有现象：一是 叶片细胞内u v b 吸收物质，尤其是次生性代谢物，在受试植物中都变现出不同程度的增 加：二是催化合成这些u v - b 物质的关键酶，比如u v - b 辐射诱发p a l 或c h s 的生成增 加。目前认为类黄酮类物质抗u v _ b 辐射的机理主要有两种。一种观点认为u v b 辐射增 强后，类黄酮类物质含量增加，增加的类黄酮类物质是作为一种自由基的清除剂，从而执 行保护功能，在许多逆境实验中，都发现类黄酮类物质积累的现象 8 ”。 另一种观点认为 类黄酮、花色苷以及某些酚类物质强烈吸收2 8 0 一3 8 0 n m 波长范围的紫外线，并且发出荧 光【8 9 】。因此能够过滤一部分u v - b 辐射，减轻了u v - b 辐射对核酸、蛋白质以及脂类等大 分子的破坏作用，有效防止对内部组织的进一步伤害。类黄酮类物质在不同的植物体内的 分布位置不同，在蚕豆、黄豆等双子叶植物中，类黄酮类物质通常仅限于植物的表皮层， 而在大麦、玉米等单子叶植物中，类黄酮类物质在表皮和叶肉组织都有分布【9 们。在u v _ b 7 1 前言 辐射下，类黄酮的含量有所增加，同时内源酚类物质的含量也升高1 9 “。h i d e m a 和s a t o 研 究发现，不同水稻品种对u v b 辐射的抗性与紫外线吸收物质的累积能力证相关【9 2 ”j 。缺 乏类黄酮类物质合成能力的一些植株，对u v _ b 辐射超敏感，而那些具有合成类黄酮类物 质以及其它酚类物质的植株则可以耐受较高强度的u v b 辐射【9 4 ，9 5 】。f 是由于这些分布在 植物体表层的化学物质能够有效地吸收紫外线，保护内部组织免受伤害1 9 6 。9 3 1 。进一步的研 究证实，类黄酮含量的增加u v - b 辐射可诱导类黄酮合成途径的关键酶查尔酮合成酶 ( c h s ) 基因的表达，从而使类黄酮合成增加岬j 。 1 4 3 酶促和非酶促两大保护系统对毒性氧自由基的清除作用 植物在长期进化过程中形成了酶促和非酶促两大保护系统，使植物具有清除活性氧的 能力，因而能够保证活性氧在植物体内处于一种平衡状态，不造成对质膜的伤害。植物体 内活性氧清除的酶促反应系统主要包括s o d ( 超氧化物歧化酶) 、c a t ( 过氧化氢酶) 、 p o d ( 过氧化物酶) 、a p ( 抗坏血酸过氧化物酶) 、g r ( 谷胱甘肽还原酶) 等。植物体内 非酶促保护系统包括a s a ( 抗坏血酸) 、v e ( q 生育酚) 、g s h ( 谷胱甘肽) 、c a r ( 类 胡萝h 素) 以及些含巯基的低分子化合物，这些物质可以清除氧自由基，都是很好的膜 保护剂f 1 泓1 0 3 1 。还原态的g s h 转变成氧化态的g s s h 可以缓解部分由于机体活性氧过高 对自身造成的威胁。另外g s h 诱导c h s 基因的表达，因此细胞g s h 的浓度可能对植物 体内类黄酮物质的合成途径起着调控的作用。v e 、a s a 以及c a r 也是细胞抗氧化剂，防 止细胞膜脂的过氧化，同时诱导热休克蛋白的合成，但是这些热休克蛋白的作用还不太清 楚。 1 4 。4d n a 损伤修复及其它修复作用 植物抵御u v _ b 辐射的另一特点是能够修复损伤，包括光修复、切除修复和重组修复 【1 0 4 ，1 0 引。p a n g 等报道多种植物存在光修复( 又称光复活作用) ( p h o t o r e a c t i v i a t i o n ) 。光修复是 最简单的一种修复类型，当d n a 受紫外光照射形成嘧啶二聚体后，光复活酶( p h o t o l y a s e ) 利用3 7 5 4 5 0 n m 的蓝光和近紫外光作为光源，把二聚体单聚化f 2 删，因此u v a 在光复活 修复的过程中起着重要的作用。研究发现修复作用在光合作用复合体上也有发生， p si i 的d 1 和d 2 蛋白损伤后活性可以部分的恢复。 l 前言 1 5 植物对增强u v b 辐射的敏感性 植物种间、品种问、基因型或生态型之间对u v _ b 增强辐射的敏感性差异很大，有 的植物对增强u v - b 辐射比较敏感，而对有些植物的影响并不明显 4 3 ，4 8 ，1 0 7 ，1 0 引。评价植物 对紫外线的敏感性并没有一个统一的标准，通常根据植物的生物量积累，农作物的产量变 化是否显著来判断。一般根据植物对增强u v - b 辐射的反应分为敏感型、中等敏感型和迟 钝型。多数c 3 植物对紫外线辐射比较敏感，c 4 植物和一些分布于紫外线辐射较强的低 纬度地区的植物，在长期的进化过程中形成生态和生理上的适应性，则多属于迟钝型【1 0 9 i 。 植物对增强u v i b 辐射的敏感度还受到其它生物和非生物因素的影响。0 l s s o n 等的研究发 现，植物在干旱与紫外线共同胁迫作用下，合成大量的类黄酮类物质( 1 1 2 ) ，使对u v _ b 辐射敏感的细胞器免受过度的伤害1 1 1o 】。昆虫、病理、杂草等生物因素的作用影响着植物 对增强u v - b 辐射的敏感性，不同的物种、栽培种、植物的不同发育时期对u v b 辐射的 敏感性差异很大，原因很复杂也不很清楚m 8 ，。1 13 1 。 早在2 0 世纪4 0 年代，国际上的组织和机构就开始研究增强紫外线对生物的影响，从 生态水平、个体水平和分子水平探讨了植物对增强u v - b 的应答，多数研究更多的关注增 强u v - b 辐射对植物的伤害，而对植物耐受u v m 机理的研究却相对较少，尤其是植物的 超微结构与植物对增强u v b 的敏感度之问的相互关系了解的不多。芦荟属植物隶属于百 合科，原产于非洲，是一种多年生、常绿、肉质草本植物。长期生长在热带干旱地区，经 过漫长的自然选择作用，具有耐受高强度紫外线辐射的特性，叶片中含有的蒽醌类物质是 芦荟药用成分的主要生物活性物质。 1 6 目的与意义 根据目前紫外线对植物影响的研究中，对伤害性研究多，对适应机理关注较少的现状， 本研究以芦荟为材料，运用植物化学、荧光显微镜、扫描电镜以及透射电镜等技术和方法， 测定了芦荟在增强u v - b 辐射下，其生长发育、生理生化和组织、细胞结构的变化。目的 在于揭示植物抗紫外线辐射的机理。研究结果一方面弥补目前对u v b 辐射耐受型植物研 究的不足，另一方面，在揭示芦荟抗紫外线辐射的机理基础上，为针对同益增强的u v b 辐射采取有效对策提供理论依据。 q 2 材料与方法 2 材料与方法 2 1 材料 本实验在河南师范大学生物园地进行，库拉索芦荟口f o ev e ml ) 引种自西北大学植物 同，生长条件为大田种植，春秋施复合肥两次，塑料薄膜覆盖和加热器控温1 0 一2 0 越冬。 取生长良好，长势均匀无病虫害的3 年生芦荟进行研究。由于叶片的近轴部分接受u v - b 辐射剂量最大，因此选取芦荟的老叶、成熟叶和幼叶三个不同时期叶片近轴部位进行实验 分析。 2 2 方法 对照组在自然光下生长，处理组除用自然光外，另增加u v - b 辐射，增加的u v - b 辐 射以波长为3 0 8 i l i l l 的0 s r a m p 牌l 1 8 w ，7 6 0 型u v - b 灯管作为光源。u v _ b 荧光灯固定 于铁架子上，灯管间距为5 0 c m ，距植株项部约5 0 c m ，每天8 ：0 0 1 7 ：o o 进行增强u v - b 辐射实验。灯光高度每周调节一次，辐射强度模拟赤道地区夏季前后臭氧层衰减2 0 时 的u v _ b 辐射，辐射剂量为1 8 k j m 。2 d 1 ( u v - b 型紫外线辐照计，北京师大光电仪器厂) ， 时间为2 个月。 2 2 1 芦荟叶片生理生化参数测定 2 2 1 1 芦荟植株鲜重测定 处理前后，分别取处理组和对照组各1 0 株，精密电子天平称量芦荟的重量，求出在 实验进行的两个月时问内芦荟鲜重变化的平均值。 2 2 1 2 芦荟叶片叶绿素含量测定 取处理组和对照组库拉索芦荟各1 0 株，每株取三个不同叶龄的叶片进行测定。将库 拉索芦荟叶片去掉中间胶质取绿色部分，剪成碎片，称取o 5 9 ，加入1 0 m l 丙酮和9 5 乙 醇( 1 ：1 ) 的混合溶液，室温静置2 4 小时，取上清液，分别在4 7 0 n r n 、6 4 9 砌、6 6 5 n m 波长下，7 2 2 型分光光度计测吸光度值，