唐文婷,劉 曉,房敏峰,岳 明
(西北大學(xué)西部資源生物與現(xiàn)代生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069)
平流層臭氧的損耗可導(dǎo)致到達(dá)地球表面的太陽(yáng)紫外線-B(UV-B,波長(zhǎng)280~315 nm)輻射量增加,對(duì)人類(lèi)健康和生態(tài)系統(tǒng)造成較大的危害。UV-B輻射能夠?qū)χ参锏墓夂掀鞴佟NA、蛋白質(zhì)及質(zhì)膜造成生理?yè)p傷,并且能夠使植物的生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)特征改變(如植株矮化、葉面積減小及生物量降低等)[1]。在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中,植物本身已形成了應(yīng)對(duì) UV-B輻射的保護(hù)機(jī)制,如增加體內(nèi)黃酮類(lèi)化合物含量以屏蔽UV-B輻射、通過(guò)增強(qiáng)抗氧化系統(tǒng)的抗氧化能力來(lái)減輕UV-B輻射造成的活性氧自由基損傷等[2]。
迄今為止,國(guó)內(nèi)外研究人員已對(duì)近千種植物對(duì)UV-B輻射的響應(yīng)進(jìn)行了研究,研究對(duì)象以農(nóng)作物和自然生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵物種為主,對(duì)藥用植物等資源植物的研究較少。目前,有少數(shù)研究小組就UVB輻射對(duì)藥用植物的影響進(jìn)行了相關(guān)研究和分析,其目的是借助UV-B輻射調(diào)控藥用植物的生長(zhǎng)并提高有效成分的含量[3-4]。
黃芩(ScutellariabaicalensisGeorgi)為唇形科(Labiatae)黃芩屬(ScutellariaL.)多年生草本植物,為常用中藥材之一,藥用歷史悠久,為國(guó)家三級(jí)保護(hù)野生藥用植物[5]。黃芩以根入藥,主要有抗菌、抗炎、免疫調(diào)節(jié)、解熱鎮(zhèn)痛、調(diào)節(jié)血脂和抗艾滋病病毒等功效[6]。近年來(lái),隨著臨床用量的增加,黃芩野生資源銳減,栽培黃芩成為藥材黃芩的主要來(lái)源[5]。筆者對(duì)增強(qiáng)UV-B輻射條件下栽培黃芩幼苗的生長(zhǎng)及生理生化指標(biāo)的變化進(jìn)行了研究,以期探討增強(qiáng)UVB輻射對(duì)黃芩幼苗生長(zhǎng)及生理代謝的影響。
實(shí)驗(yàn)于2009年7月至9月進(jìn)行,供試黃芩種子購(gòu)于陜西商州黃芩栽培基地。選擇飽滿健康的黃芩種子播種于直徑28 cm、高10 cm的泥盆中,栽培基質(zhì)為細(xì)砂和營(yíng)養(yǎng)土(體積比2∶1)的混合基質(zhì);出苗后待幼苗生長(zhǎng)至6片真葉時(shí)移入直徑10 cm、高8.6 cm的塑料營(yíng)養(yǎng)缽中,以沙壤土為栽培基質(zhì),每缽定植2株幼苗;移栽幼苗置于蔭蔽環(huán)境下生長(zhǎng)1周后移入515HD型人工氣候室(美國(guó) A-Plus公司生產(chǎn))中進(jìn)行培養(yǎng),培養(yǎng)條件為光照時(shí)間12h·d-1、光照強(qiáng)度250μmo l·m-2·s-1、晝夜溫度分別為25℃和20℃,栽培期間定時(shí)澆水。待幼苗苗齡為61 d時(shí)隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
1.2.1 UV-B處理方法 2009年9月,將黃芩幼苗分為處理組(UV-B)和對(duì)照組(CK)2組(各組樣本量均為24盆48株),均置于室內(nèi)培養(yǎng)架上進(jìn)行培養(yǎng),培養(yǎng)溫度為室溫,以日光燈(功率30W,波長(zhǎng)765nm)為光源進(jìn)行光照,光照時(shí)間10h·d-1。其中,處理組同時(shí)采用UV-B燈(40W,波長(zhǎng)313 nm,北京電光源研究所生產(chǎn))進(jìn)行增強(qiáng)UV-B輻射處理,連續(xù)輻照7d,每天輻照時(shí)間為10:00至16:00。輻照時(shí)將處理組幼苗置于燈管正下方,用紫外輻照計(jì)(北京師范大學(xué)光電儀器廠生產(chǎn))測(cè)定此處的UV-B(波長(zhǎng)297nm)輻照度為11.8μW·cm-2。為避免干擾,輻照時(shí)用厚度0.13mm醋酸纖維素膜(美國(guó) Grafix公司生產(chǎn))濾掉少量UV-C。
1.2.2 測(cè)定方法 UV-B輻照處理7d后取樣,分別測(cè)定處理組和對(duì)照組黃芩幼苗的生長(zhǎng)指標(biāo)(株高和單株干質(zhì)量)和各項(xiàng)生理生化指標(biāo)。各指標(biāo)均重復(fù)測(cè)定3次,結(jié)果取平均值。
在UV-B處理組及對(duì)照組中隨機(jī)選取黃芩幼苗各3株,分別測(cè)定株高和單株干質(zhì)量,其中,單株干質(zhì)量為植株在60℃條件下干燥72h后稱(chēng)取的恒質(zhì)量。
在UV-B處理組及對(duì)照組中隨機(jī)采集不同幼苗的葉片進(jìn)行各項(xiàng)生理生化指標(biāo)的測(cè)定。參照A rnon[7]的方法測(cè)定光合色素含量;參照 Giannopo litis等的氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法[8]測(cè)定SOD活性,以抑制50%的 NBT光化還原為1個(gè)酶活力單位(U);參照陳建勛等的愈創(chuàng)木酚法[9]測(cè)定 POD活性和CAT活性,其中,POD活性以470 nm處的吸光度1m in增加0.01為1個(gè)酶活力單位(U),CAT活性以240 nm處的吸光度1m in減少0.01為1個(gè)酶活力單位(U);采用2,6-二氯酚靛酚比色法[10]測(cè)定抗壞血酸(ASA)含量;采用茚三酮比色法[11]測(cè)定游離脯氨酸含量;參照邱楓等[12]和 Zucker[13]的方法提取并測(cè)定苯丙氨酸解氨酶(PAL)的活性,以1 mL酶液于290 nm處的吸光度1 h變化0.01為1個(gè)酶活力單位;采用 Sangtarash等[14]的方法測(cè)定紫外吸收物含量,以1 g樣品在波長(zhǎng)300 nm處的吸光值代表紫外吸收物的相對(duì)含量;參照 Predieri等[15]的方法測(cè)定MDA含量。
使用 Excel2007軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,采用單因素方差分析方法對(duì)處理組和對(duì)照組間的差異顯著性進(jìn)行分析。
經(jīng)過(guò)UV-B輻射7d后,黃芩幼苗的株高和單株干質(zhì)量與對(duì)照組差異不大,處理組和對(duì)照組黃芩幼
苗的平均株高分別為8.3和8.1cm;單株平均干質(zhì)量分別為0.027和0.026g。差異顯著性分析結(jié)果表明,UV-B處理組黃芩幼苗的平均株高和單株平均干質(zhì)量與對(duì)照組均沒(méi)有顯著差異,表明UV-B輻射對(duì)黃芩幼苗的生長(zhǎng)影響不明顯。
2.2.1 對(duì)黃芩幼苗光合色素含量的影響 經(jīng)過(guò)7d的UV-B輻射后黃芩幼苗光合色素含量的變化見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),與對(duì)照組相比,經(jīng)UV-B輻射7d的黃芩幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素及類(lèi)胡蘿卜素含量均極顯著降低,而葉綠素a/b的比值以及類(lèi)胡蘿卜素/總?cè)~綠素的比值則分別顯著或極顯著提高。
2.2.2 對(duì)其他生理生化指標(biāo)的影響 UV-B輻射對(duì)黃芩幼苗葉片抗氧化酶(SOD、POD和 CAT)活性、苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性以及抗壞血酸(ASA)含量、游離脯氨酸含量、紫外吸收物相對(duì)含量和MDA含量的影響見(jiàn)表2和表3。
表1 UV-B輻射(11.8μW·cm-2)對(duì)黃芩幼苗葉片光合色素含量的影響1)Table1 Effect of UV-Bradiation(11.8μW·cm-2)on photosyn thetic pigmentcon ten t in leaves of Scu tella ria ba ica lensis Georg i seed lings1)
表2 UV-B輻射(11.8μW·cm-2)對(duì)黃芩幼苗葉片一些酶活性的影響1)Table2 Effect of UV-Brad ia tion(11.8μW·cm-2)on som e enzym e activ ities in leaves of Scu tella ria baica lensis Georg iseed lings1)
經(jīng)過(guò)UV-B輻射7d后,黃芩幼苗葉片中的CAT和 POD活性均極顯著高于對(duì)照組(P<0.01),SOD活性則比對(duì)照組略高,但差異不顯著(P>0.05);UV-B處理組黃芩葉片的ASA和游離脯氨酸含量均顯著高于對(duì)照組(P<0.05),PAL活性和紫外吸收物相對(duì)含量均低于對(duì)照組但差異不顯著(P>0.05),而MDA含量卻略高于對(duì)照組而且差異也不顯著(P>0.05)。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,經(jīng)過(guò)UV-B輻射后,黃芩幼苗葉片POD和CAT活性增強(qiáng)、ASA和游離脯氨酸含量升高,表明UV-B輻射條件下黃芩幼苗的抗氧化能力增強(qiáng),從而能更有效地抵御UV-B導(dǎo)致的氧化損傷;經(jīng)過(guò)UV-B輻射后黃芩幼苗葉片中MDA含量與對(duì)照組差異不顯著,表明UV-B輻射沒(méi)有加劇黃芩幼苗葉片的膜質(zhì)過(guò)氧化程度,顯示出黃芩幼苗能夠耐受一定強(qiáng)度的 UV-B輻射。此外,經(jīng)過(guò)UV-B輻射后,黃芩幼苗葉片中的PAL活性和紫外吸收物相對(duì)含量均沒(méi)有顯著變化,表明11.8μW·cm-2UV-B輻照7d對(duì)黃芩幼苗葉片中黃酮類(lèi)化合物等的合成沒(méi)有刺激作用。
表3 UV-B輻射(11.8μW·cm-2)對(duì)黃芩幼苗葉片中某些生理活性成分的影響1)Table3 Effect of UV-Brad ia tion(11.8μW·cm-2)on som e physiolog ica l active com pounds in leaves of Scu tella ria baica lensis Georg iseed lings1)
研究結(jié)果顯示,經(jīng)過(guò)11.8μW·cm-2UV-B輻照7d后,黃芩幼苗葉片的葉綠素 a、葉綠素 b、總?cè)~綠素及類(lèi)胡蘿卜素含量均極顯著降低,而葉綠素 a/b比值以及類(lèi)胡蘿卜素/總?cè)~綠素的比值則分別顯著或極顯著提高。根據(jù)以往的研究結(jié)果推測(cè):UV-B輻射后,葉綠素含量的降低可能是葉綠素光氧化和(或)葉綠素合成受到抑制的結(jié)果[16];葉綠素 a/b比值的顯著升高是由于葉綠素 b對(duì)UV-B輻射的敏感程度大于葉綠素 a[17]。有研究表明,UV-B輻射菜豆(PhaseolusvulgarisL.)和大麥(HordeumvulgareL.)幼苗后,相對(duì)于葉綠素含量的下降,類(lèi)胡蘿卜素的損失則相對(duì)較小,說(shuō)明植物的葉綠素合成途徑可能比類(lèi)胡蘿卜素的合成途徑更容易受到 UV-B輻射的影響[17]。也有研究者認(rèn)為[16],UV-B輻射條件下類(lèi)胡蘿卜素與葉綠素比值的升高表明植物自身能形成有效的保護(hù)機(jī)制,避免 UV-B輻射對(duì)重要的代謝器官和代謝過(guò)程的嚴(yán)重?fù)p傷。作者的研究結(jié)果與以上研究結(jié)果一致,表明在 UV-B輻射條件下類(lèi)胡蘿卜素可能對(duì)黃芩幼苗具有一定的保護(hù)作用。
UV-B輻射能夠誘導(dǎo)植物體內(nèi)產(chǎn)生活性氧和自由基,從而導(dǎo)致質(zhì)膜、核酸和蛋白質(zhì)的損傷,并誘導(dǎo)植物的抗氧化系統(tǒng)對(duì)此產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng),然而,UV-B輻射對(duì)植物抗氧化酶活性的影響是不同的。本實(shí)驗(yàn)中,經(jīng)過(guò)11.8μW·cm-2UV-B輻照7d后黃芩幼苗葉片中的 POD和 CAT活性顯著高于對(duì)照,SOD活性與對(duì)照差異不顯著;Santos等[18]的研究結(jié)果表明,在UV-B輻射條件下,馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)葉中過(guò)氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)和過(guò)氧化物酶(POD)活性均增加;而黃少白等[19]的研究結(jié)果顯示,19.1 kJ·m-2·d-1UV-B輻射能顯著抑制水稻(OryzasativaL.)2個(gè)品種葉片內(nèi)的 CAT和SOD活性;陳拓等[20]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則顯示,在增強(qiáng) UV-B輻射條件下,小麥(TriticumaestivumL.)葉片中的CAT、原卟啉原氧化酶(PPOX)及 APX活性均明顯升高,但 SOD活性幾乎不受影響。綜合分析后認(rèn)為,經(jīng)過(guò)UV-B輻射后,不同植物的抗氧化酶活性變化差異可能與2種因素有關(guān):一是與所選植物種類(lèi)本身的特性有關(guān)[21],包括體內(nèi)抗氧化酶活性水平、生長(zhǎng)狀態(tài)以及遺傳特性等;二是與 UV-B輻照度和輻照時(shí)間等實(shí)驗(yàn)條件的差異有關(guān)。
抗壞血酸(ASA)是植物體內(nèi)主要的抗氧化物之一,用13 kJ·m-2·d-1UV-B輻照14 d后水稻葉片中的ASA含量升高[22],與 ASA的抗氧化作用有關(guān)。游離脯氨酸是植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一,可以直接參與氧自由基(ROS)的淬滅反應(yīng),具有保護(hù)植物的潛力,在低強(qiáng)度UV-B輻射條件下,植物體內(nèi)的游離脯氨酸含量升高[23]。本實(shí)驗(yàn)中,經(jīng)過(guò)11.8μW· cm-2UV-B輻照7d后黃芩幼苗葉片中 ASA和游離脯氨酸含量均顯著高于對(duì)照組,表現(xiàn)出為抵抗UV-B輻射傷害黃芩體內(nèi)代謝系統(tǒng)所做出的應(yīng)激反應(yīng)。
研究結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)11.8μW·cm-2UV-B輻照7d后黃芩幼苗葉片中的苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性降低,且紫外吸收物相對(duì)含量也同時(shí)降低,但均與對(duì)照組無(wú)顯著差異。一般認(rèn)為,在UV-B輻射條件下,不同植物體內(nèi)紫外吸收物含量均增加,但紫外吸收物含量的變化存在種內(nèi)及種間差異,其積累受植物基因型、生活型、生態(tài)型和環(huán)境因子的調(diào)節(jié)[24]。Kinnunen等[25]的研究結(jié)果表明,UV-B輻射降低了蘇格蘭松(PinussylvestrisL.)幼葉中UV-B吸收物質(zhì)的含量,并且推測(cè)植物只有在需要且必須有防護(hù)作用時(shí)才會(huì)制造大量的UV-B吸收色素。紫外吸收物主要包括酚類(lèi)化合物(如黃酮類(lèi)化合物)以及烯萜類(lèi)化合物(如類(lèi)胡蘿卜素、樹(shù)脂等),其中,黃酮類(lèi)化合物最主要。PAL是合成黃酮類(lèi)化合物的一個(gè)關(guān)鍵酶,其活性變化可能導(dǎo)致黃酮類(lèi)化合物含量的變化。本實(shí)驗(yàn)中,紫外吸收物相對(duì)含量的降低可能主要與 PAL活性的降低有關(guān)。這一結(jié)果也顯示,用11.8μW·cm-2UV-B輻照7d不能促進(jìn)黃芩幼苗葉片中總黃酮的積累,因此,若采用這一方法提高黃芩體內(nèi)總黃酮的含量,必須對(duì) UV-B輻照度及輻照時(shí)間進(jìn)行深入細(xì)致的比較研究。
陳嵐等[26]的研究結(jié)果顯示,在溫室條件下,采用0.4~0.6 W·m-2的 UV-B連續(xù)照射小白菜(Brassicacampestrisssp.chinensisMakino)7d,各處理組小白菜的鮮質(zhì)量和株高均與對(duì)照無(wú)顯著差異;另有研究表明,在一定的強(qiáng)度范圍內(nèi)紫外線照射對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育無(wú)顯著抑制作用,但具有控制植株徒長(zhǎng)、縮短節(jié)間長(zhǎng)度、增加分枝數(shù)量和促使葉片變厚等效應(yīng)[27]。本研究中,經(jīng)過(guò)UV-B輻射后黃芩幼苗的株高和單株干質(zhì)量與對(duì)照組差異不大,也驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。說(shuō)明11.8μW·cm-2UV-B輻照7d對(duì)黃芩幼苗生長(zhǎng)沒(méi)有明顯的抑制作用。
綜上所述,黃芩幼苗能夠通過(guò)自身的抗氧化系統(tǒng)有效地減輕一定強(qiáng)度(11.8μW·cm-2)UV-B輻射產(chǎn)生的氧化損傷,減少 UV-B輻射對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育的影響,從而對(duì)UV-B輻射表現(xiàn)出一定的耐受能力。
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