袁 野,韓亞萍,馬斯晗
(東北林業(yè)大學(xué))
自1960年激光問世以來(lái),受到了衛(wèi)星通信、醫(yī)療、植物學(xué)等領(lǐng)域的青睞.1966年匈牙利科學(xué)家Mester首次發(fā)現(xiàn)弱激光具有生物效應(yīng)[1],因此激光在生物學(xué)各方面的研究得到了廣泛關(guān)注和探索,如激光微生物突變株誘變修復(fù)、細(xì)胞損傷及修復(fù)、提高酶的活性以及增強(qiáng)植物的抗氧化性等[2-5].其中在植物生理生化和誘變育種領(lǐng)域,常用的激光器為He-Ne激光器、CO2激光器、紅寶石激光器等[6],按激光脈沖寬度可分為納秒、皮秒、飛秒激光器等.飛秒激光器的瞬時(shí)功率高、穿透性強(qiáng)、脈沖寬度超短,單脈沖作用時(shí)間與生物化學(xué)反應(yīng)時(shí)間相同[7],能在生物大分子間發(fā)生干涉衍射[8].擬南芥因植株個(gè)體小、生長(zhǎng)周期短、基因組小等特點(diǎn),已被廣泛用于激光生物學(xué)研究.該文利用飛秒激光輻照擬南芥種子,統(tǒng)計(jì)其種子萌發(fā)率,測(cè)量幼苗根長(zhǎng)、鮮重,葉綠素、可溶性糖、過氧化氫酶、丙二醛的含量[9-11].篩選出飛秒激光輻照擬南芥的最佳實(shí)驗(yàn)條件,為深入研究飛秒激光對(duì)擬南芥生長(zhǎng)發(fā)育的作用機(jī)理提供參考.
供試材料為哥倫比亞野生型擬南芥種子.
1.2.1 處理設(shè)置
該研究選用鈦寶石飛秒激光器,其參數(shù)為:波長(zhǎng)800nm、頻率1 kHz、擴(kuò)束后光斑直徑5 mm.用清水浸泡擬南芥種子3 h,隨后避光存入4℃冰箱進(jìn)行春化.實(shí)驗(yàn)采用不同輻照條件的飛秒激光照射擬南芥種子正反兩面,共設(shè)置對(duì)照組(CK)和實(shí)驗(yàn)組共26組,每組輻照40粒種子,各組輻照條件見表1.
表1 各實(shí)驗(yàn)組的設(shè)置情況 mW
1.2.2 種子的培養(yǎng)
將處理后的各組種子用1%次氯酸鈉溶液浸泡滅菌2 min,隨后用無(wú)菌水進(jìn)行沖洗,并將其點(diǎn)播在MS培養(yǎng)基上[12].在溫度(21~23℃)、濕度(60%~70%)、光照強(qiáng)度(5000~6000lx)的光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)擬南芥種子,其光照周期為16h光照和8h黑暗.待生長(zhǎng)8 d后,每組隨機(jī)選取20棵幼苗,移栽至黑土∶蛭石=1∶1的營(yíng)養(yǎng)土中栽培,保持土壤濕潤(rùn).
1.3.1 萌發(fā)和生長(zhǎng)指標(biāo)
從MS培養(yǎng)基放入光照培養(yǎng)箱的第2 d開始統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率,統(tǒng)計(jì)周期為24 h,連續(xù)統(tǒng)計(jì)7 d,以種子露白為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)[13].發(fā)芽率公式如下:
發(fā)芽率(Gr)=(前7天種子萌發(fā)數(shù)/點(diǎn)播種子總數(shù))×100%
(1)
擬南芥種子經(jīng)8 d的MS培養(yǎng)后,每組隨機(jī)選取20株幼苗進(jìn)行根長(zhǎng)、鮮重的測(cè)量.
1.3.2 生理生化指標(biāo)
培養(yǎng)5周后測(cè)定葉綠素、可溶性糖、過氧化氫酶的含量,經(jīng)5天的旱處理后測(cè)量丙二醛含量,具體測(cè)量方法如下:
葉綠素含量的測(cè)定采用乙醇法[14].將0.05g葉片、石英砂、95%乙醇放入研缽中研磨至組織變白,過濾定容后得到葉綠素提取液,利用紫外分光光度計(jì)測(cè)量波長(zhǎng)為470nm、649nm、665nm的吸光度,計(jì)算葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素的含量,如公式(2)~(5):
ca=13.95A665nm-6.88A649nm
(2)
cb=24.96A649nm-7.32A665nm
(3)
cT=ca+cb
(4)
葉綠素含量(mg/g)=
(5)
可溶性糖含量的測(cè)定采用恩酮比色法[14].將0.05g葉片放入80%乙醇中沸水浴加熱30min,經(jīng)活性炭褪色后離心過濾后得到提取液.在提取液中加入蒽酮試劑10min后測(cè)量625nm處的吸光度,通過標(biāo)準(zhǔn)蔗糖濃曲線測(cè)得蔗糖濃度,含量計(jì)算如公式(6):
(6)
過氧化氫酶活性的測(cè)定采用紫外吸收法[14].將0.05g葉片和pH為7.8的磷酸緩沖液放入研缽中研磨成漿,經(jīng)離心過濾后提取粗酶液.在粗酶液中加入0.3mL的0.1mol/L過氧化氫,每分鐘測(cè)一次240nm下吸光度,共測(cè)4次,酶活性計(jì)算如公式(7):
(7)
丙二醛含量的測(cè)定采用硫代巴比妥酸法[15].將0.05g葉片加入石英砂和pH為7.8的磷酸緩沖液研磨成漿,經(jīng)離心過濾后的上清液為丙二醛提取液.在提取液中加入2mL的5%硫代巴比妥酸的5%三氯乙酸沸水浴加熱10min,測(cè)量450nm、532nm、600nm波長(zhǎng)下的吸光度,丙二醛含量計(jì)算如公式(8)、(9):
cMDA=6.45(A532nm-A600nm)-0.56Anm
(8)
(9)
所有數(shù)據(jù)重復(fù)測(cè)量三次,取平均值,使用Excel 2007與Origin 9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算與圖表的繪制.
由圖1可知,藍(lán)綠色區(qū)域表示促進(jìn)種子的萌發(fā),橘紅色區(qū)域表示抑制種子的萌發(fā).綠色區(qū)域內(nèi)的實(shí)驗(yàn)組為C4(200 mW,30s)、D3(225 mW,20s),平均發(fā)芽率高達(dá)96.3%,與CK組相比提高了11.3%,此區(qū)域?yàn)榇龠M(jìn)種子萌發(fā)的最佳實(shí)驗(yàn)條件.藍(lán)色區(qū)域內(nèi)的實(shí)驗(yàn)組平均發(fā)芽率為90.7%,與CK組相比提高了5.7%,此區(qū)域的飛秒激光能刺激種子的萌發(fā).橘色區(qū)域內(nèi)的實(shí)驗(yàn)組為E3(275mW,20s)、E4(275mW,30s),平均發(fā)芽率為72.5%,與CK組相比下降了7.5%,此區(qū)域開始抑制種子萌發(fā).紅色區(qū)域內(nèi)的實(shí)驗(yàn)組為E5(275 mW,40s),此時(shí)發(fā)芽率為57.5%,與CK組相比下降了27.5%,此區(qū)域?qū)ΨN子萌發(fā)起到了明顯的抑制作用.綜上所述,試驗(yàn)條件除E5(275 mW,40s)外的飛秒激光對(duì)擬南芥種子萌發(fā)均起促進(jìn)作用.
圖1 飛秒激光作用下擬南芥種子發(fā)芽率的變化
由圖2可知,縱坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)組與CK組根長(zhǎng)的差值,不同顏色表示不同的差值范圍.藍(lán)綠色區(qū)域表示起促根部生長(zhǎng),橘紅色區(qū)域表示抑制根部生長(zhǎng).綠色區(qū)域內(nèi)的實(shí)驗(yàn)組為B1(175 mW,4s)、B2(175 mW,12s)、C1(200 mW,4s)、D1(225 mW,4s),平均根長(zhǎng)為22.61mm,與CK組(20.22mm)相比提高了11.8%,此區(qū)域?yàn)榇龠M(jìn)根部發(fā)育的最佳實(shí)驗(yàn)條件范圍.藍(lán)色區(qū)域?qū)嶒?yàn)條件集中在輻照功率(150~275 mW)、輻照時(shí)間(4~12s)的范圍,平均根長(zhǎng)為21.54mm,與CK組相比提高了6.5%,此區(qū)域根長(zhǎng)的促進(jìn)作用減弱.橘色區(qū)域內(nèi)的實(shí)驗(yàn)條件集中于輻照功率(150~275 mW)、輻照時(shí)間(20~30s),平均根長(zhǎng)為19.51mm,與CK組相比下降了3.6%,此區(qū)域表現(xiàn)為抑制作用.紅色區(qū)域內(nèi)的實(shí)驗(yàn)條件為輻照功率(150~275 mW)、輻照時(shí)間(30~40s),平均根長(zhǎng)為15.51mm,與CK組相比下降了23.3%,此區(qū)域嚴(yán)重影響根部發(fā)育.綜上所述,輻照功率150~275 mW、輻照時(shí)間4~12 s的飛秒激光輻照能促進(jìn)根部發(fā)育,輻照時(shí)間變長(zhǎng)時(shí)促進(jìn)作用減弱,輻照時(shí)間達(dá)到20s后抑制作用越來(lái)越明顯.
圖2 飛秒激光作用下擬南芥根長(zhǎng)的變化
由圖3可知,藍(lán)綠色區(qū)域表示促進(jìn)幼苗生長(zhǎng),橘紅色區(qū)域表示抑制幼苗生長(zhǎng).綠色區(qū)域內(nèi)的實(shí)驗(yàn)組別為B2(175 mW,12s)、C2(200 mW,12s)、D1(225 mW,4s)、E1(275 mW,4s),平均鮮重為1.434mg,與CK組相比提高了59.3%,此區(qū)域?yàn)榇龠M(jìn)幼苗生長(zhǎng)的最佳實(shí)驗(yàn)條件范圍.藍(lán)色區(qū)域?qū)嶒?yàn)條件集中在輻照功率(150~275 mW)、輻照時(shí)間(4~20s)的范圍,平均鮮重為1.125 mg,與CK組相比提高了25%,此區(qū)域促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)的作用減弱.橘色區(qū)域內(nèi)的實(shí)驗(yàn)條件為輻照功率(150~200 mW)、輻照時(shí)間(30~40 s),平均鮮重為0.652 mg,與CK組相比下降了27.6%,此區(qū)域表現(xiàn)為抑制作用.紅色區(qū)域內(nèi)的實(shí)驗(yàn)條件為輻照功率(225~275 mW)、輻照時(shí)間(30~40 s),平均鮮重為0.373 mg,與CK組相比下降了58.6%,此區(qū)域嚴(yán)重影響幼苗生長(zhǎng).綜上所述,輻照功率150~275 mW、輻照時(shí)間4~20 s的飛秒激光輻照能提高幼苗的鮮重,輻照時(shí)間達(dá)到30s后抑制作用明顯.
圖3 飛秒激光作用下擬南芥鮮重的變化
葉綠素是一種光合色素,它可以反映出葉片的生長(zhǎng)發(fā)育情況.由圖4可知,在輻照功率175 mW的條件下,葉綠素含量隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),其葉綠素含量平均值為1.24mg/g,與CK組(1.11mg/g)相比提高了11.7%,其中B2~B4的實(shí)驗(yàn)組促進(jìn)作用明顯.在輻照功率150、200、225 mW的條件下,葉綠素含量隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì),其葉綠素含量平均值依次為1.078、0.957、1.048mg/g,與CK組相比分別下降了2.73%、13.7%、5.39%,此時(shí)表現(xiàn)為較弱的抑制作用.在輻照功率275 mW的條件下,葉綠素含量隨時(shí)間的增加而未發(fā)生明顯改變,其葉綠素含量平均值為0.741 mg/g,與CK組相比降低了33.1%,此時(shí)體現(xiàn)為完全抑制作用.綜上所述,輻照功率175 mW、輻照時(shí)間12~30 s的飛秒激光能顯著提高葉綠素含量,最佳實(shí)驗(yàn)組為B3(175 mW,20 s).
圖4 飛秒激光作用下芥葉綠素含量的變化
可溶性糖是植物代謝的主要產(chǎn)物之一,主要影響了植物的生長(zhǎng)發(fā)育和抗逆性.由圖5可知,當(dāng)輻照功率(150~225 mW)一定,輻照時(shí)間為0~40 s時(shí),可溶性糖含量隨輻照時(shí)間的增加均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì).各輻照功率(150~225 mW)下的可溶性糖含量平均值依次為12.06、13.34、12.47、13.15 μg/g,與CK組相比分別上升了13.2、25.1%、16.9%、23.4%.當(dāng)輻照功率150~ 225 mW、輻照時(shí)間12~20 s時(shí),可溶性糖含量均值為14.38 μg/g,與CK組相比上升了34.9%,此區(qū)域的實(shí)驗(yàn)條件的促進(jìn)作用最明顯.在輻照功率275 mW、輻照時(shí)間0~40s的條件下,隨輻照時(shí)間的增加可溶性糖含量先減少后增加,此時(shí)其平均值為9.9 μg/g,與CK組(10.66μg/g)相比下降了13.9%,抑制作用明顯.綜上所述,輻照功率150~225 mW、輻照時(shí)間12~20 s的飛秒激光能顯著提高可溶性糖含量,最佳實(shí)驗(yàn)組為B3(175 mW,20s).
圖5 飛秒激光作用下擬南芥葉片可溶性糖含量的變化
過氧化氫酶能清除植物體內(nèi)H2O2,具有一定的保護(hù)效應(yīng).由圖6可知,在輻照功率150~275 mW時(shí),過氧化氫酶活隨輻照時(shí)間的增加均表現(xiàn)為先增加后減少再增加的趨勢(shì),并且最佳輻照時(shí)間為12s.在輻照功率(150~275 mW)下,酶活均值依次為18.3、17.0、12.8、12.4、15.5U/(g·min),即輻照功率150~175 mW的飛秒激光能提高過氧化氫酶活性.在輻照功率150~175 mW、輻照時(shí)間4~12 s時(shí),其活性均值為20.0U/(g·min),與CK組(16.5U/(g.min))相比提高了21.2%.雖然實(shí)驗(yàn)B2(175 mW,12s)為過氧化氫酶活性最高的實(shí)驗(yàn)組,但從輻照功率的總體趨勢(shì)上看A2(150 mW,12 s)應(yīng)為最佳實(shí)驗(yàn)組.綜上所述,輻照功率150~175 mW、輻照時(shí)間4~12 s的飛秒激光能顯著提高過氧化氫酶活性,其中最佳實(shí)驗(yàn)組為A2(150 mW,12 s).
圖6 飛秒激光作用下擬南芥葉片 過氧化氫酶活性的變化
丙二醛是植物膜脂過氧化反應(yīng)的產(chǎn)物,能夠反映出植物受傷害的程度.由圖7可知,當(dāng)輻照功率為150 mW、輻照時(shí)間4~40 s時(shí),隨時(shí)間的增加丙二醛含量先減少后無(wú)明顯變化,且各組丙二醛含量均低于CK組(0.041μg/g),平均值為0.034μg/g,與CK組相比下降了18.6%,此功率的飛秒激光能提高膜脂的抗氧化能力.當(dāng)輻照功率175~275 mW、輻照時(shí)間4~40 s時(shí),輻照時(shí)間越長(zhǎng)丙二醛含量越高.其中功率150、175 mW的各組丙二醛含量均低于CK組,此時(shí)其含量平均值依次為0.037、0.04μg/g,與CK組相比分別下降了18.5%和9.7%.綜上所述,輻照功率150~175 mW、輻照時(shí)間4~40 s的飛秒激光能對(duì)擬南芥葉片起到保護(hù)作用,最佳輻照組為B4(175 mW,4s).
圖7 飛秒激光作用下擬南芥葉片丙二醛含量的變化
該實(shí)驗(yàn)研究表明,輻照功率150~275 mW、輻照時(shí)間4~20 s的飛秒激光能提高種子發(fā)芽率、幼苗根長(zhǎng)及鮮重,促進(jìn)了擬南芥種子的生長(zhǎng)與分化.輻照功率175 mW、輻照時(shí)間12~30 s的飛秒激光能顯著提高葉綠素含量,提高了幼苗對(duì)光能的利用率,利于ATP和有機(jī)物的積累.輻照功率175~225 mW、輻照時(shí)間12~20 s的飛秒激光促進(jìn)了可溶性糖的合成,增強(qiáng)了對(duì)滲透壓的調(diào)控,提高了植物抗逆性.輻照功率150~175 mW、輻照時(shí)間4~12 s的飛秒激光能提高過氧化氫酶的活性,提升了清除過氧化氫的能力,增強(qiáng)了自身的保護(hù)作用.經(jīng)干旱處理后,輻照功率150~175 mW、輻照時(shí)間4~40s的飛秒激光能降低丙二醛含量,防止葉片內(nèi)自由基誘發(fā)膜脂過氧化,對(duì)細(xì)胞膜起保護(hù)作用.綜上所述,在輻照功率175 mW、輻照時(shí)間12s的條件下,飛秒激光不僅能提高擬南芥種子的萌發(fā)及幼苗的生長(zhǎng),還能提高植物的光合作用與抗逆性.
激光生物效應(yīng)可分為熱效應(yīng)、光效應(yīng)、電磁效應(yīng)和壓力效應(yīng)[16].熱效應(yīng)是指生物分子吸收紅外線后使其溫度升高的效應(yīng).而飛秒激光的單脈沖時(shí)間極短,激光沉積時(shí)間短于能量轉(zhuǎn)移時(shí)間,所以排除了激光生物熱效應(yīng)的影響.光效應(yīng)是指生物的分子吸收光子后激發(fā)的光化學(xué)反應(yīng)[17-18].生物組織中的碳鏈和膚鏈分子鍵的維持能量為3.4 MeV[19],波長(zhǎng)800nm的飛秒激光器光子能量為1.55MeV,若雙光子吸收的能量為3.1MeV仍然不能使生物分子發(fā)生光化學(xué)效應(yīng),所以排除了激光生物光效應(yīng)的影響.電磁效應(yīng)表現(xiàn)為激光的電磁場(chǎng)與生物組織的相互作用[20],而電場(chǎng)強(qiáng)度與激光的功率密度相關(guān),最佳條件的飛秒激光功率密度為9 mW/mm2,無(wú)法干擾生物分子自身的庫(kù)倫場(chǎng),形成不了激光生物電磁效應(yīng).壓力效應(yīng)是光壓作用生物分子產(chǎn)生的效應(yīng).當(dāng)大量光子長(zhǎng)時(shí)間作用時(shí),飛秒激光會(huì)在生物分子內(nèi)部形成一個(gè)穩(wěn)定的光壓.光壓計(jì)算公式為P=I(1+R)/c(式中I為光強(qiáng),R為能量反射率,c為光速),光壓與激光強(qiáng)度有關(guān),光子作用時(shí)間與輻照時(shí)間相關(guān),激光生物機(jī)械效應(yīng)同時(shí)受二者共同作用,而且輻照功率存在最佳值,隨著輻照時(shí)間的增加存在積累效應(yīng),當(dāng)超過一定的輻照劑量時(shí)產(chǎn)生抑制作用.此理論與該文各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不謀而合.
綜上可知,輻照條件為功率175 mW、時(shí)間12 s的飛秒激光能促進(jìn)擬南芥種子的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng),飛秒激光對(duì)擬南芥的促進(jìn)作用與光壓有關(guān),并且存在積累效應(yīng).
參 考 文 獻(xiàn)
[1] Mester E.The use of the laser beam in therapy[J].Orvosi Hetilap,1966,107(22):1012-1016.
[2] 張巖,胡軍,郭長(zhǎng)虹,等.植物谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶的分子生物學(xué)研究進(jìn)展[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào) , 2007,23 (4) :76-79.
[3] 姜曉燕,高麗美,李永峰,等.He-Ne激光對(duì)增強(qiáng)UV-B輻射擬南芥抗氧化系統(tǒng)的損傷修復(fù)[J].光子學(xué)報(bào),2011,40(5):712-717.
[4] Wu M, Grahn E, Eriksson L A. Strid Computational Evidence for the Role of Arabidopsis thaliana UVR8 as UV-B Photoreceptor and Identification of Its Chromophore Amino Acids[J]. Journal of chemical information and modeling, 2011, 51(6):1287-1295.
[5] Kaiserli E, Jenkins G I. UV-B promotes rapid nuclear translocation of the Arabidopsis UV-B-specific signaling component UVR8 and activates its function in the nucleus[J]. The Plant Cell Online, 2007, 19(8):2662-2673.
[6] 馮光文,成浩,徐輝,等.激光誘變技術(shù)在生物育種中的應(yīng)用[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2007,44(5):56-61.
[7] 李海偉,陳云琳,黃笛,等.飛秒激光誘變微生物技術(shù)及其機(jī)理的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2011,30(4):824-829.
[8] 王亞偉,劉瑩,卜敏,等.飛秒激光與生物組織作用原理及其應(yīng)用[J].激光與紅外,2008,38(1)-10.
[9] 劉櫻,劉玫,關(guān)旸.東北龍膽與莕菜種子至種苗發(fā)育過程的研究[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2002,18(5):73-76.
[10]李曉陽(yáng) 陳慧澤 韓榕,等.He-Ne激光處理對(duì)擬南芥種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)特性的影響[J].西北植物學(xué)報(bào),2012,32(1):131-135.
[12] 侍福梅,王超.紫外線-B輻射引起擬南芥內(nèi)源H2O2增加及細(xì)胞死亡[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2009,18(3):231-233.
[13] 謝陽(yáng)姣,何志鵬 ,林偉,等.漢桃樹種子發(fā)芽影響因素研究[J].種子,2012,31(2):108-110.
[14] 蔡永萍.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,2014.
[15] 李合生.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M]. 北京:高等教育出版社,2000.
[16] 陳懷軍,吳俊林.激光處理植物種子產(chǎn)生的效應(yīng)概述[M].現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展,2008,8(3):587-589.
[17] 康錫惠,劉梅清.光化學(xué)原理與應(yīng)用[M].天津大學(xué)出版社,1995.
[18] Kreslavski VD, Shmarev AN, Lyubimov VY,et al.Response of photosynthetic apparatus in Arabidopsis thaliana L. mutant deficient in phytochrome A and B to UV-B[J]. Photosynthetica , 2017:1-9.
[19] 李正佳.激光生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007.
[20] 魏靜霞.生物電磁效應(yīng)及其在睡眠障礙治療中的應(yīng)用[D].河北科技大學(xué),2013.